Разделы

Цифровизация Внедрения Техника Импортонезависимость

При создании двигателей для SuperJet часть натурных испытаний заменят математическим моделированием

На производственном комплексе «Салют» АО «Объединенная двигателестроительная корпорация» (ОДК), который входит в государственную корпорацию по содействию разработке, производству и экспорту высокотехнологичной промышленной продукции в России «Ростех». С помощью этой программы можно обнаружить и скорректировать автоколебания лопаток компрессоров газотурбинных двигателей еще на этапе их проектирования.

Частичный переход на математическое моделирование

В мае 2024 г. сотрудники опытно-конструкторского бюро ПК «Салют» совместно с Московским государственным университетом им. М.В. Ломоносова разработали методику своевременного обнаружения и корректировки автоколебаний (флаттера) рабочих лопаток компрессоров газотурбинных двигателей на этапе их проектирования. На основе этой методики было создано ПО для автоматического проведения математических расчетов. Программа уже прошла апробацию и используется для разработки двигателей.

Отечественный авиадвигатель ПД-8

«Разработанное ПО позволяет получить значительный экономический эффект от сокращения объема испытаний и способствует повышению надежности двигателя. С помощью нашей методики впервые в отечественном двигателестроении была произведена отстройка от автоколебаний рабочего колеса первой ступени компрессора низкого давления только с использованием численного моделирования. Обычно для этого было необходимо два-три цикла натурных испытаний», — сказал начальник конструкторского бюро ПК «Салют» ОДК Станислав Чепига.

Предприятия ОДК на 27 мая 2024 г. активно внедряет цифровые технологии по различным направлениям, в частности, идет процесс перехода на цифровую сертификацию. Цифровой двойник и компьютерное моделирование помогут сократить объем натурных испытаний и ускорить сертификацию авиационных двигателей, а конкретно ПД-8 для импортозамещенного пассажирского лайнера SJ-100.

Компьютерное моделирование

Компьютерное моделирование позволяет проводить виртуальные испытания как отдельных компонентов силовой установки, так и системы в целом. Так можно проверить работоспособность силовой установки при попадании посторонних предметов, например птиц.

Модели авиационных двигателей в реальном времени широко используются при проектировании, интеграции и тестировании систем управления. Их можно использовать в качестве основы для интеллектуального управления двигателем и управления его состоянием на основе моделей, что имеет решающее значение для повышения безопасности, надежности, экономичности и других показателей производительности двигателя.

Из-за суровых условий работы авиационного двигателя аэротермодинамический процесс сложен, и его характеристики могут быть описаны только сложной многомерной изменяющейся во времени моделью с сильной связью и нелинейностью. Инженеры тщательно разрабатывали модели авиационных двигателей в реальном времени с высокой точностью. В результате было проведено много исследований и получено много важных результатов. В стандарте SAE AIR4548 модель двигателя в реальном времени определяется как компьютерная программа с переходными характеристиками, выходные данные двигателя которой генерируются со скоростью, соизмеримой с реакцией физической системы, которую она представляет. По сути, модель двигателя в реальном времени эквивалентна цифровому двигателю и может рассчитывать установившиеся и переходные характеристики двигателя в пределах всего диапазона полета в реальном времени с определенной точностью, что отражает фактическую работу и состояние текущего двигателя. Это, очевидно, формирует важные аспекты моделирования движения и становится основой для передовых систем управления в производстве авиадвигаталей.

Магистрантка Передовой инженерной школы «Цифровой инжиниринг» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого Элеонора Никольская разработала расчетную цепочку для определения жесткости опор подшипника и параметров работы ротора газотурбинного двигателя. Кроме того, это позволит расширить возможности виртуальных испытательных стендов авиационных двигателей. Научная работа Никольской посвящена разработкам методики численного определения вибросостояния и напряженно-деформируемого состояния роторов малоразмерных газотурбинных двигателей. Численные методы моделирования позволяют проводить виртуальные испытания и еще на ранних этапах проектирования выявить элементы конструкции силовой установки, которые требуют доработки.

Методы работы

Обычно на 2024 г. используемые методы моделирования авиационных двигателей делятся на аналитические и экспериментальные методы. Аналитические методы используют характеристические данные каждого компонента и ограничения двигателя для создания ряда нелинейных уравнений, описывающих аэротермодинамические характеристики двигателя. Решая нелинейные уравнения, можно смоделировать устойчивые и динамические характеристики двигателя в полном диапазоне полета.

Как автоматизировать рутину с помощью роботов и ИИ: опыт, советы, цифры и факты
Маркет

Нелинейная модель двигателя на уровне компонентов, созданная аналитическим методом, имеет высокую точность, но производительность в реальном времени низкая из-за сложного процесса вычислений. Он может работать только в автономном режиме в основном состоянии, и его необходимо упростить, прежде чем можно будет получить доступную модель в реальном времени.

Экспериментальные методы основаны на принципе идентификации систем. Весь двигатель рассматривается как «черный ящик». На основе набора входных и выходных данных двигателя из заданного набора классов модели определяется модель, эквивалентная измеряемой системе. Экспериментальные методы не требуют от пользователей понимания внутреннего рабочего механизма и характеристик компонентов двигателя. Быстродействие и точность модели в реальном времени, установленные экспериментальным методом, зависят от выбранного класса модели и принципа идентификации.

Антон Денисенко