Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
В настоящее время в РФ ведется активная работа по созданию авиационных двигателей нового поколения. Актуальность исследования заключается в изучении способов повышения эффективности существующих авиационных двигателей [1]. Основной целью проекта по разработке или модификации двигателя является снижение издержек [2]. Таким образом, целесообразно разработать методику оценки эффективности разработки и внедрения цифрового моделирования при создании виртуального стенда для испытаний авиационных двигателей [3].
Для разработки данной методики предлагается рассмотреть, какие задачи решает цифровое моделирование, каким требования должен отвечать виртуальный стенд.
Задачи цифрового моделирования:
Виртуальный стенд нового поколения должен отвечать следующим требованиям:
Виртуальные стенды для испытания авиационных двигателей строятся при помощи современных программных комплексов. Предлагается рассмотреть, какое именно программное обеспечение используется для нашего исследования [4].
Для построения виртуальных стендов обычно используются специализированные программные продукты для концептуального проектирования и расчета характеристик ГТД. Например, DCOGEN, DVIGwT, EngineSim, GasTurb, Graphical Engine Cycle Analysis Tool (GECAT), Gasturbine Simulation Program (GSP), Numerical Propulsion System Simulation (NPSS), TERA, Uni_TTF, WebEngine, Автоматизированная Система Термогазодинамического Расчета и Анализа ГТД и ЭУ (АСТРА) и др. [5].
Также в ходе исследования было установлено, что технология цифровых двойников стендов для испытаний авиационных двигателей даёт возможность моделировать самые разные ситуации, которые могут возникать на производстве. Цифровой двойник позволяет подбирать наиболее адекватные сценарии проведения технологических процессов, чтобы избежать сбоев и форс-мажоров. Повышение качества системы с использованием цифрового двойника проявляется в получении оптимального решения на раннем этапе проведения опытно-конструкторских работ [6].
В настоящее время российскими конструкторскими бюро (ОКБ им. Люльки — филиал ПАО «ОДК-УМПО», ФАУ «ЦИАМ им. П.И. Баранова» и др.) проводятся исследования цифровых двойников и проблемы их внедрения в технологический процесс. Это напрямую связано с определением возможных экономических эффектов от внедрения данной технологии. К экономическим эффектам можно отнести: снижение затрат, прямой рост доходов предприятия, экономиях таких затрат, как: сокращение времени простоя оборудования, снижение количества ошибок из-за влияния человеческого фактора на реальном стенде, сокращение времени на проверку данных, получаемых на реальном стенде для испытаний авиационного двигателя [7].
Эффективность внедрения цифрового двойника на производстве можно оценить на самых ранних этапах, таких как проектирование и разработка, далее он охватывает процессы управления и производства на предприятии. При правильном прогнозировании и отражении системы увязки процессов в цифровом двойнике, можно активно адаптировать процессы производства, экономя при этом временные и финансовые ресурсы, а также более детально можно отслеживать жизненный цикл авиационного двигателя при внесении каких-либо изменений.
Для оценки эффективности внедрения виртуальных стендов необходимо было провести некоторые технические исследования: проведена оптимизация конструкции лопатки двигателя; выполнен расчет рабочего процесса оптимизированных узлов вертолетного двигателя с помощью соответствующих 2D-моделей; с использованием 2D-моделей были получены характеристики оптимизированных узлов двигателя с учетом найденных идентификационных поправок [8]. Опираясь на полученные 2D-характеристики оптимизированных узлов, была модернизирована математическая модель виртуального стенда для испытаний вертолётного двигателя. С ее помощью были проведены виртуальные испытания модернизированного варианта двигателя-прототипа, оснащенного узлами, полученными в результате оптимизации.
Результаты испытаний двигателя-прототипа показали, что общий КПД двигателя увеличился во всем рассматриваемом диапазоне в среднем на 0,9 % (абс.), удельный расход топлива снизился на 5 % (отн.), степень повышения давления возросла на 3 % (отн.), мощность сохранилась приблизительно на существующем уровне (на режимах ниже 97 % повысилась, на режимах выше 97 % снизилась), существенно увеличился запас устойчивой работы (на режимах близких к 100 % вдвое), уменьшилась температура газов перед турбиной на 65 К на режимах близких к 100 % (на низких режимах — на 25 К).
Таким образом, оптимизация узлов позитивно сказалась на рабочем процессе двигателя: степень повышения давления, общий КПД, запасы устойчивой работы увеличились, а температура газов перед турбиной снизилась, что улучшает надежность двигателя. Поведение мощности и температуры газов перед турбиной связано с особенностью выбранного закона регулирования газогенератора (nгг = const). Снижение мощности на некоторых режимах может быть скомпенсировано увеличением температуры газа перед турбиной [9].
Для оценки эффективности цифрового моделирования (создания цифровых двойников компонент АТ) предложена функция Эффективности моделирования АТ, которая на релевантном уровне включает в себя следующие параметры:
Таким образом, была предложена методика оценки эффективности цифрового моделирования на примере создания авиационного двигателя нового поколения с использованием технологий цифровых двойников для испытаний авиационных двигателей.
