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

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

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:

1. Ахмедзянов Д. А. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2011611712. САМСТО / Д. А. Ахмедзянов, И. А. Кривошеев, Д.Г. Кожинов. М.: Роспатент, 2011.
2. 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.
3. 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.
4. 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.