Введение к работе
Актуальность темы. При разработке ноеых конструкций компрессоров авиационных ГТД проектирование рабочих колес (РК) является одним из ответственнейших процессов. Функциональные элементы, образованные с помощью объемных элементов лопаток и дисков колес: лопаточный венец (ЛВ), устройство крепления (УК) лопаток в диске, полотно диска (ПД), устройство соединения (УС) колеса с ответной частью ротора - являются одними из самых важных в двигателе. Отсюда ответственность, сложность и трудоемкость проектирования рабочих колес. Без методов и средств автоматизации процесс формирования конструкций оказывается недопустимо длительным. С другой стороны, большое количество противоречивых' требований не позволяют с помощью традиционных способов проектирования обоснованно Еыбрать из множества вариантов оптимальную конструкцию рабочего колеса, наилучшим образом удовлетворяющую требованиям газодинамики, прочности, технологии изготовления.
Как показывает отечественный и зарубежный опыт, наибольший эффект от использования вычислительной техники достигается путем комплексной автоматизации всей технической подготовки производства, включающей этапы эскизной разработки проекта, технического проектирования, выпуска конструкторской документации, формирования технологического процесса изготовления, проектирования необходимой оснастки для производства изделия. Если для лопаток компрессора в этом направлении уже сделаны определенные шаги, то созданию интегрированных САПР рабочих колес компрессоров (ИСАПР РКК) уделяется недостаточно внимания, что несомненно отразится на сроках создания и качестве новых компрессоров. В этих условиях акту-1 альным является решение вопросов автоматизации взаимосвязанного проектирования всех элементов РК компрессора.
Цель работы - сокращение сроков создания и повышение степени достоверности проектов осевых компрессоров ГТД путем разработки методического и алгоритмического обеспечения процессов проектирования элементов конструкций рабочих колес, генерации и практического использования ИСАПР РКК.
Методика выполнения работы. Формализация процесса проектирования рабочего колеса проведена на осноеє его функциональной декомпозиции, систематизации конструкций колес, анализа и обобщения
опыта неавтоматизированного проектирования, а также разработки средств программного обеспечения. При создании алгоритмов анализ! и синтеза проектных решений использованы: теория газодинамически; процессов в лопаточных машинах, модели статической, циклической і динамической прочности лопаток и дисков, методы оптимизации, нормативная документация. Достоверность изложенных алгоритмов подтверждена широким сравнением результатов автоматизированного проектирования с разработками, прошедшими экспериментальную проверку, применением созданных программ в промышленных-условиях. Новые знания о конструкциях элементов рабочих колес получены путем проведения и обобщения имитационных экспериментов.
Научная новизна представлена следующими выносимыми на защиту результатами:
I) Системное представление конструкций рабочих колес, позволяющее целенаправленно осуществить анализ и синтез строений функциональных элементов объекта, формировать и документирвать конструкции лопаток и дисков. 2) Формализация задачи проектирования оптимальных конструкций элементов рабочих колес с учетом многоре-жимности работы двигателя. 3) Метод автоматизированного проектирования лопаточных венцов рабочих колес,-позволяющий организовывать поиск конструкций минимальной массы, обеспечивающих заданное воздействие на поток и удовлетворяющих требованиям газодинамического совершенства, прочности, технологическим ограничениям, путем выбора оптимальных значений параметров, венца, в том числе выносов центров тяжести профилей пера лопатки. 4) Алгоритм прогнозного определения запаса длительной прочности функционального элемента, позволяющий определить такое значение запаса на расчетном режиме работы двигателя, при котором эквивалентный запас по всей совокупности режимов был бы равен допустимому с заданной точностью. 5) Алгоритмы автоматизированного проектирования устройств крепления и полотна диска, позволяющие отыскивать оптимальные по минимуму массы колеса конструкции УК и ПД. 6). Прогнозные модели областей допустимых конструкций и конкурирующих проектов лопаточных венцов РК для повышения степени обоснованности инженерных решений на ранних стадиях создания компрессора. 7). Методика учета влияния предельных отклонений размеров УК на его напряженное состояние.
,)1-:-
Практическая ценность. Все разработанные алгоритмы реализованы в виде программ для компьютеров типа ЕС ЭВМ и IBM PC и объединены в интегрированную САПР РКК, состоящую из нескольких подсистем, связанных единой информационной базой. Подсистемы функционируют при различных составах исходных данных, что позволяет решать разнообразные проектно-доводочные задачи и проводить научные исследования. Возможна как сквозная эксплуатация ИСАПР РКК, обеспечивающая создание проекта от параметров потока до выпуска рабочего чертежа лопатки и значительно сокращающая время проектирования, так и эксплуатация подсистем в автономном режиме с целью поиска наилучших решений по отдельным объектам, предопределяющим конструкцию'рабочего колеса. Сервисное наполнение и диалоговый режим обеспечивают пользователю, не связанному с программированием, достаточные удобства при работе с интегрированной САПР.
Реализация работы на практике. Версии созданной ИСАПР РКК внедрены в Москве на АООТ "А.Люлька-Сатурн" и в НЖД, отдельные подсистемы ИСАПР РКК используются на: Московском АНТК "Союз", АООТ СНТК "Двигатели НК", С-Петербургском ПО "Невский завод", Омском машиностроительном КБ.
Апробация работы. Основные результаты доложены на Украинской республиканской научно-технической конференции "Математическое моделирование процессов и конструкций энергетических и транспортных турбинных установок в системах их автоматизированного проектирования". Харьков, 1988 (тезисы опубликованы); Всесоюзной научно-технической конференции "Конструкционная прочность дЕигате-лей". Куйбышев, 1990 (тезисы опубликованы); Всероссийской научно-технической конференции "Перспективные информационные технологии в высшей школе". Самара, 1993 (тезисы опубликованы); Научно-технической сессии РАН "Проблемы доеодки осноеных параметров и развития энергетических ПТУ и ГТУ" (тезисы опубликованы). Москбэ, 1994; на НТС в АООТ "А.Люлька-Сатурн", СГАУ, НИЭД.
Публикации. По результатам выполненной работы имеется 7 публикаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и 5 приложений; изложена на 176 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков и 10 таблиц. Библиография включает 103 наименования.
- б -
