Авиа-испытания в цифре

Производственный комплекс «Салют» АО «ОДК» (входит в ГК «Ростех») — претендент на премию «Компания будущего — 2024» в номинации «Диджитал-трансформация» — разработал цифрового двойника газотурбинного двигателя АИ-222-25 в рамках проекта по модернизации изделия и продления его ресурса.

Требования и ограничения, которые предъявляются к характеристикам газотурбинных двигателей, постоянно ужесточаются, что приводит к усложнению конструкции и условий эксплуатации силовых установок. Процесс испытаний и сертификации становится все более трудозатратным, а длительность сказывается на сроке выхода изделий на рынок. Снизить время доводки двигателя, повысить вероятность получения нужных характеристик в ходе испытаний и эксплуатации помогает технология цифровых двойников. 

Цифровой двойник газотурбинного двигателя (ЦД ГТД) — это комплексная компьютерная модель (ККМ), состоящая из взаимосвязанных математических моделей разного уровня детализации (CAD, CAE, CAM и т. д.), объединённая в информационной среде и имеющая возможность уточнения по данным экспериментов и эксплуатации. Модель может стать платформой для управления жизненным циклом авиационных двигателей с применением компьютерного моделирования физических процессов (явлений) и других цифровых технологий.

Работы стартовали 19 ноября 2020 года, завершились 8 мая 2024 года. Реализация этапа по разработке элементов цифрового двойника модернизированного двигателя началась в июле 2022 года.

Разработку вела команда ПК «Салют» из 25 человек, в которую вошли начальники конструкторских отделов компрессоров, турбин, ведущие инженеры-конструкторы, инженеры-конструкторы, главные специалисты конструкторских отделов. Проект был выполнен совместно со специалистами ФАУ «ЦИАМ имени П.И. Баранова». 

Для корректной и оперативной работы цифрового двойника его структура должна соответствовать основным расчетным цепочкам, которые используются в конструкторском бюро при моделировании авиационного двигателя. Помимо этого, необходимо учитывать общепринятую логику и последовательность запуска различных компьютерных моделей. Чтобы повысить быстродействие ККМ, каждый расчетный элемент нужно формализовать и автоматизировать, а также заранее определить все возможные форматы данных, используемых при проектировании. 

Другой актуальной задачей является определение параметров и их допустимых значений для максимального количество моделей, входящих в структуру цифрового двойника. Это значительно ускорит время и снизит трудоемкость анализа, связанного с внесением изменений в конструкцию деталей или условия их эксплуатации. Сборка моделей узлов и ключевых деталей двигателя осуществляется на базе цифровой платформы.

«Цифровой двойник сложнее и эффективнее обычной модели, потому что учитывает взаимосвязь узлов двигателя между собой. Технология позволяет автоматизировать расчёты, ускорить проектирование и повысить его качество. Сейчас мы используем цифровой двойник для оценки влияния возможных отклонений, возникающих при производстве, на работу АИ-222-25 в целом», — поясняет руководитель ПК «Салют» Алексей Громов.

В ходе выполнения проекта были решены следующие задачи:

• Разработана и интегрирована в информационную среду (цифровую платформу) многоуровневая матрица требований к двигателю, представляющая собой структурированный набор данных с описанием требуемых характеристик двигателя, его систем, узлов и их элементов. Матрица требований позволяет контролировать выполнение требований в ходе выполнения работ по проектированию изделия, а также прослеживать взаимное влияние элементов конструкции двигателя на характеристики систем, узлов и двигателя в целом.

• Составлена общая схема взаимодействия разрабатываемых для цифрового двойника модернизированного двигателя АИ-222-25 компьютерных моделей, а также перечни и форматы передаваемых данных;

• Разработан набор комплексных параметризированных CAD/CAE расчетных моделей для автоматического вычисления характеристик прочности, малоцикловой усталости и собственных частот для таких конструктивных элементов, как лопатки рабочих колес компрессоров, болтовые соединения, замковые соединения лопаток и дисков и т.д.;

• Выполнена валидация расчетных моделей газодинамических процессов в компрессорах, доработаны газодинамические модели камеры сгорания и турбин для расчета характеристик этих узлов на режимах типового полетного цикла, создана полноразмерная расчетная модель камеры сгорания для оценки неравномерности температурных полей на выходе из камеры сгорания;

• Разработана частично параметризованная автоматизированная термомеханическая модель модернизированного двигателя АИ-222-25. Модель включает в себя весь двигатель и состоит из неизменяемой и изменяемой части. Неизменяемая часть является 2D/3D КЭ моделью и включает в себя корпус, статорные лопатки, валы и рабочее колесо турбины низкого давления. Изменяемая часть включает в себя рабочие колеса компрессора низкого давления, компрессора высокого давления и турбины высокого давления и автоматически создается на базе вариантов конструкций РК, полученных в результате использования разработанных CAD/CAE шаблонов.

• Для термомеханической модели разработан модуль, который автоматически обрабатывает предварительно подготовленные результаты термодинамического анализа двигателя и газодинамического анализа узлов на режимах типового полетного цикла и создает файлы с исходными данными, необходимые для проведения термомеханических расчетов. С помощью модуля проведена автоматическая обработка результатов, полученных в ходе первого этапа работы;

• Проведен сопряженный нестационарный термомеханический расчет двигателя в течение типового полетного цикла;

• Разработана динамическая модель модернизированного двигателя АИ-222-25. Модель включает все основные структурные элементы силовой схемы двигателя: роторы высокого и низкого давления, полную систему корпусов, а также элементы испытательного стенда. Динамическая модель создана с использованием трехмерных моделей роторов и корпусов, что позволяет обеспечить полноценный учет жесткостных и инерционных характеристик двигателя;

• Проведены расчеты собственных и критических частот отдельных роторов, системы «роторы-подшипники-корпус» и динамики двигателя при колебаниях под действием дисбаланса роторов. Разработаны рекомендации по изменению конструкции демпфера компрессора высокого давления, направленного на повышение эффективности демпфирования;

• Разработана 3D-модель газогенератора, содержащая 30 расчетных областей, которые представляют собой секторы элементов проточной части газогенератора. Выполнен сквозной газодинамический расчет газогенератора на 10 стационарных режимах испытательного типового полетного цикла;

• На базе автоматизированных и параметризованных CAD/CAE шаблонов, разработанных для учета реальных размеров, создан модуль прочностной оптимизации рабочих колес компрессоров низкого и высокого давления. С применением этого модуля проведена оптимизация конструкции этих рабочих колес. Циклическая долговечность вычисляется с учетом вклада в повреждаемость внутренних подциклов при помощи формулы Мэнсона с KN=5.

С использованием разработанных элементов цифрового двойника модернизированного двигателя можно решать следующие задачи в процессе разработки изделия:

• Проведение предварительных исследований прочности рабочих колес компрессоров и турбин с использованием радиального градиента температур;

• Проведение автоматизированного термомеханического расчета для произвольного типового полетного цикла и актуальной конструкции компрессоров и турбин;

• Учет реальных размеров, проведение термомеханического расчета в течение полетного цикла и последующих проверочных расчетов конструкции;

• Проведение прочностной оптимизации рабочих колес компрессоров и турбин с последующим осуществлением проверочных расчетов;

• Импорт результатов термомеханического расчета для проведения уточняющих расчетов с использованием компьютерных моделей.