Разработка газотурбинного двигателя в плоскости системной инженерии | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 4 января, печатный экземпляр отправим 8 января.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №20 (124) октябрь-2 2016 г.

Дата публикации: 17.10.2016

Статья просмотрена: 1041 раз

Библиографическое описание:

Николенко, В. Ю. Разработка газотурбинного двигателя в плоскости системной инженерии / В. Ю. Николенко, Д. В. Рыбкин. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 20 (124). — С. 181-185. — URL: https://moluch.ru/archive/124/34306/ (дата обращения: 22.12.2024).



В статье представлены некоторые возможности развития существующей системы разработки газотурбинного двигателя (ГТД) с помощью системно-инженерного подхода. Выявлены наиболее важные параметры, влияющие на сроки и стоимость разработки авиадвигателя.

Ключевые слова: газотурбинный двигатель, системный инжиниринг, системная инженерия, архитектура системы, разработка, эскизный проект

Введение

Создание газотурбинного двигателя согласно действующему со времен СССР ГОСТ 2.103–2013 на стадии разработки включает этапы:

‒ разработка технического задания на проектирование (ТЗ);

‒ разработка технического предложения;

‒ выполнение эскизного проекта;

‒ выполнение технического проекта;

‒ разработка конструкторской документации.

Здесь нет описания связей между этапами и процессами разработки двигателей. На отечественных предприятиях происходит разделение на отделы по специальности, которые связаны между собой только за счет множества совещаний, которые зачастую противоречат друг другу, в зависимости от организатора и состава. Каждое предприятие методом проб и ошибок самостоятельно разрабатывало ГТД, опираясь на авторитарное мнение одного человека — главного (генерального) конструктора, отвечающего не только за разработку, но и за сроки, бюджет и т. д. Как известно из психологии, один человек может держать в голове одновременно не более 7 задач. Тогда как количество задач, которые одновременно необходимо решать при разработке газотурбинного двигателя, доходит до нескольких тысяч. Нетрудно понять, что одному человеку, даже очень хорошо подготовленному, такая задача не по силам. Большинство задач возникают и решаются «по ходу дела». Отсюда возникают огромные затраты по времени, средствам и человеческим ресурсам.

Системно-инженерный подход

Есть необходимость упорядочить и систематизировать отношения между участниками процесса разработки двигателя. Для решения такой задачи возможно применить системно-инженерный подход к разработке новых продуктов, в нашем случае к разработке ГТД, где предусмотрена методология эффективного использования имеющегося инструментария и технологий взаимосвязей.

На начальном этапе проекта нужно создать единую дорожную карту разработки двигателя, все шаги в ней зависят от опыта предприятия и располагаемых ресурсов. В общем виде схема разработки представлена ниже [1].

Рис. 1. Схема разработки ГТД

Область, выделенная пунктиром, является одной из самых важных составляющих в разработке двигателя, ошибки на этом этапе ведут к многократному увеличению сроков, бюджета и, при неудачном выборе исходных решений, к возможному закрытию проекта нового двигателя. Одной из причин таких ошибок является недостаточная проработка требований к двигателю и, как следствие, к его подсистемам, что ведет к неоднозначной трактовке требований со стороны участников процесса разработки.

При классическом подходе к разработке заказчик передает ТЗ на двигатель исполнителям, ТЗ согласуется по пунктам, предложенным заказчиком, и исполнитель приступает к разработке на основе полученных «базовых» требований. Далее, их нужно переформатировать в технические требования (т. е. непосредственно реализуемые в конструкции), а также декомпозировать на требования к входящим подсистемам и компонентам будущего изделия.

В результате происходит пересогласование требований на стадии проектирования, далее испытаний и т. д. Это происходит в связи с тем, что заказчик, безусловно, знает общие принципы, возможности, структуру ГТД и т. п., но при этом его знания являются «пользовательскими», он не может смотреть на возможность выполнения требований «со стороны разработчика». Например, заданный им вес изделия выявляется после конструктивной проработки проекта, с учетом выполнения в конструкции большого количества других параметров.

В системно-инженерном подходе (СИ) требования являются системообразующим началом. Без четкой формулировки всей пирамиды (иерархии) требований нет возможности успешно продолжать работу. Требования подразделяются на внешние (заказчика) и внутренние (системные). Должны быть учтены даже те требования, о которых заказчикна стадии предложенного ТЗещё не знает. Важно понимать, что ответственность за невыполнение лежит не на заказчике, а на инженерах, исполнителях. Поэтому в формулировке и документировании требований должны участвовать все заинтересованные стороны без исключений. На схеме ниже (рис. 2) представлен предварительный этап процесса разработки в СИ, на нем можно увидеть важность вышесказанного, связь фундаментальных и детализированных требований на всех уровнях подготовки к проектированию ГТД.

Рис. 2. Подготовка к процессу разработки в СИ

На представленной схеме упоминается ещё одно базовое понятие процесса разработки — архитектура системы. Первоначально её определяют требования и ограничения верхних уровней — архитектурные требования (вес двигателя, габариты, удельный расход топлива и т. д.). Архитектура проекта/системы представляет собой пространство, ограниченное периметром, все дальнейшие решения могут быть только внутри заданного периметра. Предположим структура двигателя определена: компрессор, камера сгорания, турбина и т. д., турбина может быть двухступенчатая, а может быть и трехступенчатая, главное она должна удовлетворять требованиям и ограничениям, описывающим упомянутое выше пространство. Архитектурное описание содержит элементы привычного нам эскизного проекта, служит базой для выдачи заданий ниже по структурной декомпозиции работ.

Архитектура системы включает:

‒ физические характеристики (структура);

‒ функции (поведение);

‒ параметры (производительность);

‒ технологию;

‒ стоимость;

‒ риски;

‒ ограничения;

‒ границы системы;

‒ интерфейсы системы.

В рамках данной статьи рассматриваются пункты, не используемые в традиционных подходах проектирования.

Дальнейшая разработка продукта на каждом этапе, после каждой итерации, «сверху вниз» (декомпозиция) и «снизу вверх» (синтез решения), обязательно проверяется на соответствие архитектуре системы. Тем самым минимизируются потери с начальных стадий разработки до конечных, мобилизуя большие ресурсы на выработку проектных решений на первоначальном этапе. Такая схема разработки в системной инженерии контролируется процессами верификации и валидации. Наглядно представить эти процессы, наряду с вышесказанными описаниями требований и архитектуры двигателя, возможно в виде V-диаграммы/V-модели (рис. 3), широко известной в системном инжиниринге [2].

В этой диаграмме наглядно показаны описанные выше составляющие и преимущества системно-инженерного подхода. Каждый этап верифицируется. Процесс верификации и валидации занимает около 30 % затрат на разработку, но эти затраты оправданы, так как позволяют пошагово фиксировать соответствие требованиям на всех уровнях разработки. В настоящее время, с активным развитием в сторону качества соответствующего программного обеспечения, существует возможность снизить эти затраты — некоторые испытания и тесты можно проводить на виртуальных моделях двигателя или подсистем. Соответствие таких тестов натурным испытаниям контролируется по ограниченному объему натурных испытаний, и по некоторым позициям достигает 99 %. Отсутствие верификации хотя бы на одном из нижних уровней может привести далее к многократному увеличению стоимости и сроков всей разработки. Важно отметить, что процесс валидации (приемки) должен не только удовлетворить ТЗ на двигатель, но и удовлетворять использующей системе (воздушному судну) в состав которой входит разработанная система (двигатель), являющаяся в этом случае подсистемой.

Рис. 3. V-модель процесса разработки ГТД

Заключение.

В статье представлены возможности усовершенствования существующей системы разработки ГТД с помощью системно-инженерного подхода. Указаны рекомендации к определению требований к системе с акцентом на их важность, понятие архитектуры системы. Представлена схема разработки двигателя с верификационно-валидационными процессами. Всё вышеперечисленное является первоначальными шагами, фундаментом к построению системы разработки двигателей, позволяющей быть конкурентоспособной на рынке авиации, за счет снижения затрат и времени на разработку, и, как следствие, снижению стоимости газотурбинного двигателя и его жизненного цикла.

Используемые сокращения

ГТД — газотурбинный двигатель,

ТЗ — техническое задание,

ППО — послепродажное обслуживание,

КС — камера сгорания,

СИ — системный инжиниринг.

Литература:

  1. Aircraft engine design / Jack D. Mattingly, William H. Heiser, David T. Pratt. 2nd ed. p. cm. (AIAA education series). — 21p.
  2. Guide to the Systems Engineering Body of Knowledge, INCOSE SEBoK v. 1.5.1, released 18.12.2015–264p.
Основные термины (генерируются автоматически): газотурбинный двигатель, системно-инженерный подход, архитектура системы, разработка, требование, системный инжиниринг, схема разработки, эскизный проект, системная инженерия, техническое задание.


Ключевые слова

разработка, газотурбинный двигатель, системный инжиниринг, системная инженерия, архитектура системы, эскизный проект

Похожие статьи

Проектирование под заданную стоимость в цикле разработке газотурбинных двигателей

В данной статье рассмотрен процесс проектирования авиационных газотурбинных двигателей, предложен вариант усовершенствования существующей системы разработки с учетом стоимость изделия, как одного из требований заказчика, предложен перечень необходимы...

Маркетинговый анализ при определении концепции силовой установки перспективного вертолета

В статье освещаются вопросы анализа существующего рынка турбовальных двигателей. Рассмотрен прогноз рынка газотурбинных двигателей для применения в составе силовой установки вертолета до 2030 г. Выявлены основные сегменты рынка. Предложены направлени...

Информационные технологии в электроэнергетике

В статье рассматривается специфический программный продукт, предназначенный для автоматизации работы системы электроэнергетики. Кратко описаны цели внедрения, задачи, функции и особенности объекта исследования.

Перспективы разработки программного обеспечения для визуализации результатов теоретико-множественного анализа сложных систем

В данной статье рассмотрена актуальность проведения теоретико-множественного анализа. Проведен анализ предметной области. Рассмотрены недостатки существующих программных решений. Создана функциональная модель реализации визуализации сложной системы.

Современное состояние подходов к синтезу наземных беспилотных транспортных средств и основные проблемы концепции «беспилотный автомобиль»

В статье анализируется современное концепции синтеза беспилотных транспортных средств в Российской Федерации, классификационные проблемы устройств машинного зрения, проблемы и перспективы внедрения беспилотных наземных транспортных средств в зависимо...

Создание «Умной фабрики» при производстве газотурбинных двигателей

Изложено основное видение необходимости создания «Умной фабрики» при производстве газотурбинных двигателей в Российской Федерации. Проведена укрупнённая детализация процесса, основные моменты, необходимые для дальнейшего развития.

Моделирование задачи формирования инфологических моделей при создании программных средств поддержки проектирования прикладных автоматизированных систем

Работа посвящена снижению трудоемкости проектирования прикладных автоматизированных систем (ПАС) с использованием программных инструментов для инфологического моделирования задач в рамках методологии автоматизации интеллектуального труда (МАИТ). Инфо...

Методы технического диагностирования дизелей

В статье анализируются эффективные методы и методики технического диагностирования дизельных двигателей внутреннего сгорания, выделяются наиболее перспективные из них. Определен перечень приоритетных параметров технического состояния, подлежащих диаг...

Новые возможности САПР за счет применения решений в области имитации естественного освещения

В статье рассмотрены возможности расширения традиционных подходов к проектированию систем искусственного освещения с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР) за счет применения некоторых разработок, относящихся к концепции имитации ес...

Системы автоматизированного проектирования автомобильных дорог

В статье рассмотрены существующие программные комплексы для проектирования автомобильных дорог. Проведён их сравнительный анализ, оценены достоинства и недостатки каждой из них.

Похожие статьи

Проектирование под заданную стоимость в цикле разработке газотурбинных двигателей

В данной статье рассмотрен процесс проектирования авиационных газотурбинных двигателей, предложен вариант усовершенствования существующей системы разработки с учетом стоимость изделия, как одного из требований заказчика, предложен перечень необходимы...

Маркетинговый анализ при определении концепции силовой установки перспективного вертолета

В статье освещаются вопросы анализа существующего рынка турбовальных двигателей. Рассмотрен прогноз рынка газотурбинных двигателей для применения в составе силовой установки вертолета до 2030 г. Выявлены основные сегменты рынка. Предложены направлени...

Информационные технологии в электроэнергетике

В статье рассматривается специфический программный продукт, предназначенный для автоматизации работы системы электроэнергетики. Кратко описаны цели внедрения, задачи, функции и особенности объекта исследования.

Перспективы разработки программного обеспечения для визуализации результатов теоретико-множественного анализа сложных систем

В данной статье рассмотрена актуальность проведения теоретико-множественного анализа. Проведен анализ предметной области. Рассмотрены недостатки существующих программных решений. Создана функциональная модель реализации визуализации сложной системы.

Современное состояние подходов к синтезу наземных беспилотных транспортных средств и основные проблемы концепции «беспилотный автомобиль»

В статье анализируется современное концепции синтеза беспилотных транспортных средств в Российской Федерации, классификационные проблемы устройств машинного зрения, проблемы и перспективы внедрения беспилотных наземных транспортных средств в зависимо...

Создание «Умной фабрики» при производстве газотурбинных двигателей

Изложено основное видение необходимости создания «Умной фабрики» при производстве газотурбинных двигателей в Российской Федерации. Проведена укрупнённая детализация процесса, основные моменты, необходимые для дальнейшего развития.

Моделирование задачи формирования инфологических моделей при создании программных средств поддержки проектирования прикладных автоматизированных систем

Работа посвящена снижению трудоемкости проектирования прикладных автоматизированных систем (ПАС) с использованием программных инструментов для инфологического моделирования задач в рамках методологии автоматизации интеллектуального труда (МАИТ). Инфо...

Методы технического диагностирования дизелей

В статье анализируются эффективные методы и методики технического диагностирования дизельных двигателей внутреннего сгорания, выделяются наиболее перспективные из них. Определен перечень приоритетных параметров технического состояния, подлежащих диаг...

Новые возможности САПР за счет применения решений в области имитации естественного освещения

В статье рассмотрены возможности расширения традиционных подходов к проектированию систем искусственного освещения с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР) за счет применения некоторых разработок, относящихся к концепции имитации ес...

Системы автоматизированного проектирования автомобильных дорог

В статье рассмотрены существующие программные комплексы для проектирования автомобильных дорог. Проведён их сравнительный анализ, оценены достоинства и недостатки каждой из них.

Задать вопрос