Разработка программного комплекса для повышения эффективности ранних стадий проектирования современных и перспективных авиационных газотурбинных двигателей

Михайлов, А.Е.; Михайлова, Александра Борисовна; Ахмедзянов, Дмитрий Альбертович

Разработка проекта авиационного газотурбинного двигателя (ГТД) – это относительно небольшой по продолжительности, чрезвычайно важный по принимаемым решениям и дальнейшим последствиям период жизненного цикла двигателя. В результате проектирования формируется необходимая информация как по двигателю в целом, так и по всем его элементам. Это, в конечном счете, предопределяет облик двигателя, особенности его конструктивного воплощения, характер технологических процессов при производстве и условия его эксплуатации. Такие решения, учитывая назначение авиационных двигателей, должны приниматься на основе создания наиболее эффективной системы ГТД - летательный аппарат. Одним из интенсивно развивающихся направлений в отечественном двигателестроении является широкое внедрение на этапах НИОКР расчетных методов исследования, базирующихся на использовании возрастающей производительности вычислительных систем и современных прикладных программ, которые позволяют моделировать сложные физические процессы, происходящие в ГТД и его основных узлах. Применение имитационного моделирования особенно актуально на ранних стадиях проектирования для сокращения количества натурных и полунатурных экспериментов, минимизации материальных и временных затрат. Кроме того, сочетание современных расчетных методов и численных методов оптимизации дают возможность проведения целенаправленного поиска технических проектных решений, обеспечивающих предельные значения показателей эффективности разрабатываемых авиационных ГТД и его отдельных узлов. На кафедре авиационных двигателей УГАТУ развивается технология МетаСАПР САМСТО (Система автоматизированного моделирования сложных технических объектов) [1]. В технологии МетаСАПР САМСТО реализован объектно-ориентированный подход, являющийся современным общепринятым подходом к созданию информационных систем, в том числе систем моделирования, подобный подход является на сегодняшний день наилучшей попыткой формализации принципа абстрагирования в теории познания. Для расширения возможностей объектно-ориентированного подхода используется унифицированный язык моделирования UML (Unified Modeling Language) и шаблоны проектирования. UML - язык графического описания для объектного моделирования в области разработки программного обеспечения. В технологии САМСТО исследуемый объект представляется в виде ориентированного графа, представляющего имитационную модель, состоящую из функциональных элементов (модулей) и унифицированных информационных связей. При этом возможны различные подходы и уровни декомпозиции интересующего объекта моделирования на функциональные узлы и информационные взаимосвязи. В настоящее время разрабатываемый авторами программный комплекс включает в себя систему имитационного моделирования авиационных ГТД на установившихся и неустановившихся режимах работы (DVIG_DISTORTION), систему моделирования компрессоров авиационных ГТД в одномерной (COMPRESSOR), и двухмерной постановке (COMPRESSOR_2D). В системе имитационного моделирования (СИМ) DVIG_DISTORTION [2] реализована поэлементная математическая модель рабочего процесса авиационных газотурбинных двигателей и энергоустановок на установившихся и неустановившихся режимах работы с учетом различных факторов, влияющих на рабочий процесс: расчетно-экспериментальные характеристики основных узлов в широком диапазоне изменения режимов и условий работы (входное устройство, компрессор, камера сгорания, газовая турбина, выходное устройство); механическая инерционность роторов; сжимаемость рабочего тела в элементах проточной части; тепловая нестационарность; инерционность заполнения и неравномерное распределение топлива по коллекторам. СИМ DVIG_DISTORTION позволяет решать спектр проектно-доводочных задач за счет задания различных условий моделирования (параметрический анализ и синтез): проектировочный расчет «завязка»; расчет дроссельных, высотно-скоростных (в том числе по заданной траектории полета), климатических, нагрузочных, динамических характеристик; идентификация индивидуальной математической модели ГТД по результатам испытаний; определение оптимальных параметров рабочего процесса на основании определения экстремума целевой функции. На рис. 1 представлено рабочее окно СИМ DVIG_DISTORTION c индивидуальными характеристиками основных узлов одновального турбореактивного двигателя (ТРД), представленного в виде сетевой модели, состоящей из основных узлов двигателя, механической и газовой взаимосвязей.

Рисунок 1. Индивидуальная модель одновального турбореактивного двигателя в СИМ DVIG_DISTORTION В качестве примера на рис. 2 представлены расчетные динамические характеристики одновального ТРД в виде зависимостей и , которые представляют собой портрет всех возможных состояний ГТД как нелинейной динамической системы, и могут быть использованы при исследовании неустановившихся режимов работы и при проектировании электронных, гидромеханических и комбинированных систем автоматического управления одновальных ТРД с учетом переходов с одного регулятора на другой (переход с регулятора режима на регулятор разгона и наоборот). Расчетный характер полученных результатов позволил впервые нанести на динамическую характеристику изолинии полного адиабатического КПД компрессора.

.

Рисунок 2. Расчетная динамическая характеристика одновального турбореактивного двигателя На рис. 3 представлена предлагаемая авторами методология интегрированного проектирования компрессоров и газотурбинных двигателей с применением средств имитационного моделирования, разрабатываемых в НИЛ САПР-Д кафедры авиационных двигателей. Для проектирования компрессоров в газодинамическом аспекте применяются разработанные системы моделирования COMPRESSOR [3] и COMPRESSOR_2D [4]. Результаты проектировочного расчета «завязка» в СИМ DVIG_DISTORTION являются исходными для проектировочного расчета в СИМ COMPRESSOR. В дальнейшем результаты расчета компрессоров используются при различных проектных и исследовательских работах в СИМ DVIG_DISTORTION. СИМ COMPRESSOR базируется на одномерной математической модели рабочего процесса в компрессоре, характеризующей течение в компрессоре сосредоточенными на среднем радиусе среднеинтегральными параметрами. СИМ COMPRESSOR позволяет проводить проектировочный расчет по параметрам на среднем радиусе, распределение параметров по высоте проточной части, профилирование лопаточных венцов осевых и центробежных компрессоров. Реализованный в СИМ решатель позволяет проводить оптимизацию компрессора исходя из различных целевых функций и накладываемых ограничений. В разработанной СИМ реализована одномерная математическая модель рабочего процесса для расчета характеристик осевых многоступенчатых компрессоров в широком диапазоне изменения входных параметров и частот вращения ротора. Математическая модель базируется на обобщенных характеристиках ступеней компрессора, модифицированных для расчета современных аэродинамически высоконагруженных компрессоров. Также в СИМ COMPRESSOR реализована разработанная авторами методика определения границы устойчивой работы компрессора, базирующаяся на ограничении по критическому углу атаки в лопаточных венцах. СИМ COMPRESSOR позволяет проводить оптимизацию характеристик компрессоров на нерасчетных режимах работы с учетом различной механизации компрессора (клапан, лента перепуска воздуха; поворотные направляющие аппараты), в том числе по результатам исследований в составе двигателя в СИМ DVIG_DISTORTION. Таким образом, СИМ COMPRESSOR позволяет решать прямые и обратные задачи в одномерной постановке или 1D задачи применительно к узлу компрессора, тогда как СИМ DVIG_DISTORTION решает 0D задачи применительно к компрессору. В составе программного комплекса разработана СИМ COMPRESSOR_2D базирующаяся на двухмерной осесимметричной математической модели рабочего процесса. Исходными данными для расчета являются результаты одномерного расчета в СИМ COMPRESSOR. Согласно двухмерной модели течение в компрессоре характеризуется углом поворота потока и потерями полного давления в межлопаточном канале на различных радиусах.

Рисунок 3. Методология проектирования с применением разрабатываемых программных средств

Потери полного давления выступают функцией параметров геометрии лопаточного венца, числа Маха на входе в межлопаточный канал, коэффициента диффузорности (характеризует аэродинамическую нагруженность лопаточного венца), радиальным положением в лопаточном венце и осевым положением лопаточного венца. Для повышения адекватности двухмерной математической модели разрабатываются поправочные коэффициенты, учитывающие трехмерные и нестационарные особенности течения в лопаточных венцах. Таким образом, СИМ COMPRESSOR_2D позволяет решать 2D задачи.

СИМ COMPRESSOR_2D позволяет получать эпюры радиального распределения параметров по высоте проточной части, рассчитывать характеристики многоступенчатых осевых компрессоров на базе двухмерной модели рабочего процесса. Особенностью разработанной СИМ является возможность задания переменного количества струек тока в лопаточных венцах.

Рисунок 4. Окно системы моделирования COMPRESSOR (осевой компрессор)

Рисунок 5. Результаты расчета распределения параметров за рабочим колесом в СИМ COMPRESSOR_2D

Рисунок 6. Результаты расчета характеристики компрессора в СИМ COMPRESSOR и полученные при этом погрешности

На рис. 5 и 6 представлены результаты моделирования рабочего процесса в разрабатываемых программных средствах – COMPRESSOR и COMPRESSOR_2D. Можно отметить высокую сходимость результатов моделирования с экспериментальными данными. В средствах моделирования компрессоров авиационных ГТД возможна интеграция с программами трехмерного численного расчета газодинамических течений, например ANSYS CFX.
Авторами разрабатывается программный комплекс для проведения исследовательских и проектировочных работ на ранних стадиях проектирования современных и перспективных авиационных газотурбинных двигателей с применением многоуровневого многоаспектного имитационного моделирования. Разрабатываемая технология позволяет интегрировать в единый комплекс системы имитационного моделирования различного уровня и функционального назначения. Применение подобного программного комплекса позволит значительно сократить материальные и временные затраты, а также значительно повысить эффективность деятельности персонала на ранних стадиях проектирования.

Литература:

Ахмедзянов Д. А. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2011611712. САМСТО / Д. А. Ахмедзянов, И. А. Кривошеев, Д.Г. Кожинов. М.: Роспатент, 2011.
Михайлов А. Е. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2010612065. Система термогазодинамического моделирования газотурбинных двигателей DVIG_DISTORTION/ Д. А. Ахмедзянов, Ю. М. Ахметов, А. Е.Михайлов. М.: Роспатент, 2010.
Ахмедзянов Д. А. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2009612688. Система моделирования компрессоров авиационных ГТД COMPRESSOR/ Д. А. Ахмедзянов, И.А. Кривошеев, А. Б. Козловская (А. Б. Михайлова). М.: Роспатент, 2009.
Козловская А.Б. (Михайлова А.Б.) Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2011611711. Система моделирования компрессоров авиационных ГТД в двухмерной постановке COMPRESSOR_2D/ А. Б. Козловская (А. Б. Михайлова), Д. А. Ахмедзянов, А.Е. Михайлов. М.: Роспатент, 2010.


Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.

Разработка программного комплекса для повышения эффективности ранних стадий проектирования современных и перспективных авиационных газотурбинных двигателей

Библиографическое описание:

Похожие статьи

Особенности проектирования малоразмерных энергетических газотурбинных установок с применением методов и средств имитационного моделирования

Формирование подходов к моделированию авиационных газотурбинных двигателей совместно с элементами систем автоматического управления, контроля и диагностики

Применение экспертных систем в процессе проектирования авиационных ГТД

Процесс проектирования авиационного ГИД в системе математических моделей самолета

Разработка и исследование автономных cистем тепло- и хладоснабжения с использованием вихревых установок

Роль испытаний в оптимизации процесса проектирования изделий ракетно-космической техники

Комплексный подход к совместному моделированию и исследованию рабочих процессов авиационных ГТД и его автоматики

Методы и средства структурного и параметрического синтеза и анализа газотурбинных двигателей и энергоустановок

Разработка программного модуля автоматизированной системы проектирования технологического процесса