Введение к работе
Актуальность проблемы. Компрессор газотурбинного двигателя – сложная газодинамическая система, характеристики которой во многом определяют облик и конкурентоспособность изделия. Он создается и совершенствуется в условиях ограничений по себестоимости, срокам создания, при растущих требованиях к ресурсу, статической и динамической прочности, газодинамической эффективности и др. В создании компрессоров для ГТД различного назначения участвуют большие коллективы людей, использующие на практике высокий научный потенциал, накопленный в отрасли за многие годы.
Магистральным путем создания и совершенствования высокоэффективных компрессоров является теоретико-физический анализ сложных процессов функционирования ГТД, разработка расчетных методов исследования, позволяющие находить нетривиальные, даже революционные решения. Однако в условиях растущей конкуренции всё большее внимание обращается на резервы эволюционного совершенствования собственных конструкций, когда риск оказаться в малоисследованной области физического механизма явлений сводится к минимуму. Значительный парк двигателей, находящихся в эксплуатации, нуждается в повышении ресурса, экономичности, надежности. Эта актуальная задача может решаться только на пути эволюционного совершенствования серийных конструкций в производстве и эксплуатации за счет повышения КПД узлов, снижения температуры газа перед турбиной, модифицирования геометрии элементов проточной части. Мировая тенденция повышения нагрузки на ступень компрессора породила новые проблемы поиска компромиссных решений в многокритериальных задачах объёмного (3D) моделирования процессов газодинамики и прочности. Каждый численный эксперимент при проектировании компрессора стал уникальным, серия таких «проб и ошибок» – не обозримой, а конечный результат трудноуловим. Здесь то и нужна область достижимых решений, в которой могут быть обозначены пределы возможностей данной конструкции при эволюционном преобразовании параметров, т. е. спрогнозировано её развитие, найдены перспективные уровни совершенства изделия.
Даже при современном уровне автоматизации производства изделий авиационной техники остается актуальной проблема обеспечения воспроизводимости параметров чертежа в производстве. Достигнутый при проектировании сложный компромисс между газодинамикой и прочностью в производстве может быть легко нарушен, так как система допускового контроля пригодна лишь для обнаружения грубых промахов и непосредственно не связана с эксплуатационными характеристиками изготавливаемого узла.
На этапе проектирования находятся решения, позволяющие сделать «запас по КПД» с тем, чтобы производство его «истратило». Однако такое авансирование на практике себя не оправдывает. Сложности конструкции и физического механизма явлений предопределяют существование предельно-допустимых соотношений между параметрами, которые целесообразно искать и не нарушать. Эти соотношения могут быть найдены на пути эволюционного совершенствования компрессора за счет использования методов системного анализа, квалиметрии, методов описания, оптимизации и диагностики сложных объектов при проектировании, производстве и доводке узлов. Для реализации обозначенных направлений исследования необходима разработка эффективной информационной технологии одновременного совершенствования серийных, перспективных и опытных компрессоров.
Таким образом, решение проблемы эволюционного совершенствования компрессоров может быть найдено на пути создания моделей и методов, обеспечивающих:
поиск скрытых закономерностей при проектировании, производстве, доводке и эксплуатации компрессоров;
построение области достижимых и компромиссных решений на различных этапах работы над изделием;
решение задач многокритериального синтеза требуемых эксплуатационных характеристик компрессора;
обеспечение воспроизводимости параметров компрессора в производстве.
Целью работы является разработка моделей и методов анализа и синтеза характеристик семейства многоступенчатых компрессоров на основе системного исследования качества функционирования серийных конструкций, разрабатываемых аванпроектов и рабочих проектов, решения некоторых проблем экспериментальной доводки компрессоров, что позволяет:
на основе существующих вычислительных средств, расчетных методов моделирования физических процессов, результатов натурных и лабораторных экспериментов получать обобщенную информацию о качестве компрессора и тенденциях изменения его характеристик;
на основе методов структурно-параметрического анализа фактических данных находить скрытые закономерности и определять перспективные направления эволюционного совершенствования компрессоров;
строить области достижимых и компромиссных решений, находить возможные оптимальные корректирующие воздействия.
Научная новизна. Получены теоретические положения для разработки методологии анализа и эволюционного совершенствования важнейших составляющих качества многоступенчатых компрессоров (газодинамическая эффективность, статическая и динамическая прочность, надежность, ресурс), основанной на физических законах и принципах, современных методах информационной технологии и системного анализа. Разработана методология количественного прогноза технического состояния компрессора, его эволюционного совершенствования в сложных неопределенных ситуациях.
Достоверность полученных результатов определяется корректным и системным применением методов многомерного статистического описания, оптимизации и распознавания образов и подтверждается высокой точностью прогноза характеристик компрессоров.
Практическая значимость работы состоит в том, что на основе предложенных подходов и методов разработаны методики имитационного моделирования характеристик многоступенчатых компрессоров, методы управления качеством результатов объемного моделирования компрессоров низкого и высокого давления, методы элиминирования производственных отклонения при комплектовке, сборке ГТД и модифицировании элементов проточной части турбомашин.
Реализация в промышленности. Результаты исследований автора отражены в спецотчетах, использованы в разработках ЦИАМ, в лаборатории компрессоростроения Санкт-Петербургского ГТУ при исследовании осевых и радиальных компрессоров.
Рекомендуемые методы использованы в промышленности и позволили:
разработать и внедрить в серийное производство модификации изделия с увеличенной на 20 % тягой, улучшенной на 10 % экономичностью;
разработать одноступенчатый и двухступенчатые компрессора на степень повышения давления 9, пятиступенчатый компрессор на степень повышения давления 7. Экспериментальными исследованиями подтверждены расчеты;
разработать и внедрить мероприятие по устранению разрушения лопатки рабочего колеса последней ступени осевого компрессора;
оптимизировать технологический процесс сборки малоразмерного ГТД.
Апробация работы. Работа доложена на 8 Международной научно технической конференции «Кибернетика и высокие технологии 21 века» (г. Воронеж 2007г.), на Международной научно-технической конференции «Технологическое обеспечение и автоматизированное управление параметрами качества поверхностного слоя, точности обработки деталей и сборки газотурбинных двигателей» (г. Рыбинск 2007 г.), научно-технических семинарах кафедры авиационных двигателей Рыбинской государственной авиационной технологической академии.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 статей, из них в изданиях, рекомендуемых ВАК – 1.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы и приложения. Полный объем диссертации составляет 134 страницы.
На защиту выносится:
-
Модели и методы совершенствования серийных, перспективных и опытных компрессоров ГТД на основе системного анализа ретроспективной информации.
-
Методы прогнозирования и оптимизации параметров компрессора в условиях информационной недостаточности.
-
Комплексная методика контроля производства сложнопрофильных элементов проточной части ГТД по эксплуатационным характеристикам.
