Разработка виртуальных конструкций двигателей

АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА

УДК 621.452

С. В. Фалалеев, А. С. Мятлев, А. Ю. Тисарев

РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ДВИГАТЕЛЕЙ

В статье представлен опыт виртуальной разработки конструкции авиационных двигателей и энергетических установок. Приведены результаты моделирования воздушной системы двигателя и изменения радиальных зазоров в турбине. Виртуальная разработка; авиационные двигатели; воздушная система; радиальные зазоры

В настоящее время в Самарском государственном аэрокосмическом университете осуществлен переход на более качественную подготовку инженеров-конструкторов по авиационным двигателям. Особенности этой подготовки:

• современность образования (сквозное использование информационных технологий в едином информационном пространстве);

• многоуровневость;

• многовариантность;

• снижение рутинной составляющей конструкторской подготовки, возможность проведения оптимизации;

• комплексность рассматриваемых проблем.

• привлечение экспертов из конструкторских бюро при решении учебных задач на качественно новом уровне с интегрированным использованием САБ/САБ/САМ/РОМ-пакетов.

На кафедре конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов (КиПДЛА) Самарского государственного аэрокосмического университета (СГАУ) реализуются концептуальные направления развития конструкторской подготовки. Это, в первую очередь, совершенствование методологии конструкторской подготовки специалистов на основе сквозного использования современных информационных технологий, а также реализация концепции новой методологии обучения студентов и переподготовки инженеров путем интеграции в учебном процессе современных информационных технологий и изучения конструкции авиационных двигателей с использованием их натурных макетов. По первому направлению в учебном процессе широко внедряется виртуальная разработка двигателей, их узлов и систем. То есть, создание цифровых макетов с мо-

делированием их работы в различных эксплуатационных условиях. По второму направлению осуществляется формирование современного учебного класса на базе созданного на кафедре центра истории авиационных двигателей (ЦИАД), имеющего крупнейшее в России собрание отечественных и зарубежных авиационных двигателей. В классе формируется 25 рабочих мест, оснащенных разработанной уникальной базой графических и текстовых данных по двигателям, в том числе объемными моделями важнейших элементов.

В результате проведенной модернизации учебного процесса удалось найти и реализовать способы улучшения подготовки студентов за счет обучения владению современными инструментами:

• значительное увеличение объема рассматриваемых вопросов при проектировании за счет повышения производительности труда студентов;

• повышение качества курсовых и дипло мных проектов (внедрение 3Б-моделирования, использование параметрических моделей);

• комплексность рассматриваемых проблем (как в рамках лабораторных работ, курсового проекта, так и в рамках сквозного курсового проекта);

• решаемость студентами актуальных задач, стоящих в КБ.

В результате СГАУ становится центром компетенции в области некоторых этапов проектирования аэрокосмических двигателей: формирование конструктивной схемы, проектирование важнейших элементов и систем двигателей (проектирование системы РНА компрессора, моделирование изменения радиальных зазоров в турбокомпрессоре и т. п.). Успехи связаны во многом с внедрением технологии виртуальной разработки.

Контактная информация: 8(846)267-46-75

В настоящее время ведущие мировые аэрокосмические фирмы планируют следующие этапы внедрения виртуальной разработки технических изделий:

• виртуальное прототипирование и тестирование, многодисциплинарный анализ;

• интегрированная проверка соответствия физических и виртуальных моделей, симуляция полного жизненного цикла;

• виртуальное моделирование процессов и сценариев поведения.

При внедрении виртуальной разработки двигателей на кафедре КиПДЛА СГАУ были поставлены цели:

• повышение эффективности процесса создания авиационных двигателей;

• отработка методики компьютерного

моделирования двигателей и их узлов;

• реализация на ряде узлов двигателей методики отработки конструкции при совместном исследовании газодинамических, тепловых, прочностных, кинематических и динамических процессов с использованием виртуальных стендов.

Поставленные задачи:

• разработка концепции виртуального

двигателя;

• разработка концепции создания пара-

метрической модели конструкции модуля двигателя;

• многодисциплинарный анализ процессов в узлах и системах двигателя;

• виртуальное моделирование происходящих в двигателе и его узлах процессов.

Внедрение этого позволяет получить следующий эффект:

• существенное снижение материальных затрат при создании сложных технических объектов;

• реализация методики проектирования двигателей с изготовлением минимального количества опытных изделий;

• выявление дефектов на ранней стадии проектирования;

• оценка риска появления отказа вследствие неблагоприятного соотношения конструктивных, технологических и эксплуатационных отклонений.

В качестве примера рассмотрим моделирование воздушной системы и изменения радиальных зазоров в турбине.

Основные функции воздушной системы: охлаждение деталей горячей части двигателя, над-

дув уплотнений масляных полостей и охлаждение опор, разгрузка радиально-упорных подшипников от осевой составляющей силы, герметизация турбины низкого давления, система управления радиальными зазорами в турбокомпрессоре, обеспечение работы противообледе-нительной системы двигателя, обеспечение потребного количества воздуха для нужд планера.

Решение комплексной задачи о состоянии воздушной системы двигателя позволяет однозначно определить как тепловое состояние всех элементов двигателя, так и газодинамические параметры всех каналов, определяющих воздушную систему. Эти данные позволяют:

• принять решение об эффективности воздушной системы в целом с точки зрения минимизации потребного количества воздуха и обеспечения требуемого теплового режима элементов двигателя, то есть использовать их в инженерной практике при проектировании ГТД;

• провести оптимизацию геометрии воздушной системы на основе выбранных критериев;

• оценить влияние параметров воздушной системы и отдельных ее элементов на параметры эффективности двигателя или энергоустановки на основе методик для расчета характеристик двигателя с учетом влияния как отбора рабочего тела от тракта, так и его возврата;

• оценить взаимовлияние таких элементов воздушной системы как уплотнений различных подсистем друг на друга (например, оценка возможности возникновения обратных течений через уплотнение и подмешивания горячего газа к воздуху, охлаждающему рабочее колесо турбины);

• применить вероятностные методы для оценки надежности двигателя в целом и элементов воздушной системы (например, влияние технологических отклонений на характеристики двигателя), а также прогнозировать отказы элементов.

На рис. 1 изображена схема подвода воздуха для охлаждения опор, герметизации полости турбины низкого давления и в полость осевой разгрузки ротора низкого давления. На рис. 2 представлены расчетные результаты параметров воздушной системы на крейсерском режиме работы двигателя. Проведенный расчет на всех стационарных и нестационарных режимах работы двигателя позволяет определить изменение радиальных размеров статора и ротора, в том числе и при наличии охлаждения статора в течение полетного цикла.

С. В. Фалалеев, А. С. Мятлев, А. Ю. Тисарев • Разработка виртуальных конструкций двигателей__________53

Рис. 1. Схема течения охлаждающего воздуха в турбине двигателя

Рис. 2. Значения коэффициентов теплоотдачи от деталей турбины и температур воздуха в каналах

7.00Е-003

6.00Е-003

2

т 5.00Е-003 о.

4.00Е-003

І

х

Ї 3,00Е-003 г

ї 2.00Е-003

<и

^ 1.00Е-003

з

а О.ООЕ+ООО

а * і

" %

> *

% * • .

/ і з і і і і

О 200 400 600 800 1000 1200 1400

— Радиальное —Радиальное Зазор (1РКТВВ) “- Статор с Время, с

перемещение ротора перемещение статора регулированием (1РК

Зазоре -X-Режим МГ

регулированием

-*«- Режим ВЗЛ 0/0.24 -Режим КР 11/0.75

-X-Режим МГ

ТВ В)

-М- Режим ВЗЛ 0/0

Рис. 3. Изменение радиальных перемещений ротора и статора, а также радиального зазора в турбине

В результате внедрения описанной выше технологии удалось существенно преобразовать учебную и научную деятельность Результаты многолетней работы:

• база 3Б-моделей двигателей, их узлов и систем;

• виртуальные стенды (электронная сборка авиационного двигателя; поршневой двигатель; система регулирования радиальных зазоров турбомашин; система регулируемых направляющих аппаратов; клапаны перепуска; реактивное сопло; торцовое контактное уплотнение; реверс тяги; силовые, температурные и вибрационные нагружения конструкций; моделирование работы кинематических и теплонапряженных узлов двигателя);

• база параметрических моделей элементов двигателя;

• повышение уровня подготовки специалистов;

• создание научно-технического задела для выполнения заказов предприятий;

• подготовка учебно-методических комплексов для дистанционного обучения;

• подготовка методического обеспечения для ФПК ИТР.

ОБ АВТОРАХ

Фалалеев Сергей Викторинович, зав. каф. конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов Самарск. гос. аэрокосмическ. ун-та. Дипл. инженер-механик по двигателям летательн. аппаратов (КуАИ, 1980). Д-р техн. наук по тепловым двигателям (СГАУ, 1996). Иссл. в обл. проектирования и моделирования двигателей, их узлов и систем.

Мятлев Александр Сергеевич, асп. той же каф. Дипл. инженер по авиц. двигателям (СГАУ, 2009). Иссл. в обл. проектирования и моделирования возд. системы двигателей.

Тисарев Андрей Юрьевич, асп. той же каф. Дипл. инженер по авиц. двигателям (СГАУ, 2011). Иссл. в обл. проектирования и моделирования возд. системы двигателей.