Введение к работе
Актуальность проблемы.
В своем развитии авиационные газотурбинные двигатели (ГТД) и
энергетические установки (ЭУ) достигли высокой степени сложности,
значения параметров близки к предельным, а требования к эффективности
рабочих процессов все более ужесточаются При их создании реализуются
наиболее прогрессивные научные и технологические решения. Они
характеризуются высоким уровнем термодинамического совершенства,
который основывается на фундаментальных исследованиях в области
теории двигателей, на широком применении компьютерного
моделирования Все шире используются ГТД и наземные ЭУ сложных
термодинамических циклов (регенеративных, бинарных,
газопаротурбинных с теплоутилизирующим контуром и др) Ведется параллельная разработка перспективных авиационных двигателей и их стационарных модификаций, внедряются конструктивные мероприятия, позволяющие производить конверсию с минимальными изменениями и затратами на разработку и внедрение ЭУ Объем и сложность задач по математическому моделированию стали таковыми, что в рамках используемой технологии моделирования трудно, а часто и невозможно выполнять расчетные исследования ГТД и ЭУ сложных термодинамических циклов
Для модернизации имеющихся и создания новых конкурентоспособных ГТД и ЭУ необходимо проведение системных исследований по определению рациональных схем и параметров перспективных ГТД и ЭУ с использованием современной методологии их разработки, направленной на сокращение суммарных затрат и сроков создания путем широкого применения методов математического моделирования и проектирования
Использование информационных технологий в существенной мере определяет возможность создания ГТД и ЭУ сложных термодинамических циклов Газотурбинные двигатели и энергетические установки как сложные технические системы в своем развитии достигли этапа, когда эффективная организация их жизненного цикла (ЖЦ) требует применения системного подхода, развития и адаптации модели для структурных и параметрических исследований на всех этапах ЖЦ. Поэтому развивается новая методология проектирования, ориентированная на сквозном применении средств автоматизации в рамках интегрированных CAD/CAM/CAE систем.
Анализ особенностей работы ГТД и ЭУ на различных режимах, оптимизация режимов работы и законов регулирования на этапах исследования, анализа, проектирования и эксплуатации определяют необходимость разработки методов структурно-параметрического синтеза и анализа рабочих процессов и их реализации в системе моделирования, позволяющих достаточно точно и оперативно воспроизводить различные
режимы раооты і ід и jу с учетом основных значимых факторов, применения рабочих тел различного состава с учетом фазовых превращений во всех процессах термодинамического никла, а также учета влияния изменения физических свойств рабочего тела на характеристики элементов
Предложенные к настоящему времени математические модели, методы и средства моделирования ГТД и ЭУ не решают поставленные задачи структурно-параметрического синтеза и анализа авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок сложных термодинамических циклов с различными рабочими телами в полном объеме.
В связи с вышеизложенным, научная проблема структурно-параметрического синтеза и анализа авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок на их основе, создания методов и средств математического моделирования ГТД различных схем для использования на всех зіапах ЖЦ является актуальной
Цель работы: Разработка методов и средств структурно-параметрического синтеза и анализа авиационных ГТД и энергетических установок сложных схем с учетом особенностей рабочих тел
Для достижения поставленной цели сформулированы и выполнены исследования по следующим основным направлениям
Системный анализ принципов построения математических моделей и разработка структуры системы моделирования авиационных ГТД произвольных схем, а также организации вычислительного процесса
Создание системы моделирования рабочих процессов авиационных ГТД и ЭУ произвольных схем DVIGwT
Разработка математических моделей термодинамических процессов циклов ГТД с различными рабочими телами, учитывающих фазовые превращения в рабочем теле
Разработка моделей функциональных элементов ГТД с учетом изменения физико-химических свойств рабочего тела и их влияния на характеристики элементов
Разработка методов выполнения структурно-параметрического синтеза и анализа рабочих процессов авиационных ГТД и энергетических установок на их основе
Апробация разработанной системы моделирования DVIGwT при решении различных задач проектирования, производства и эксплуатации авиационных ГТД.
Научная новизна работы Создана система моделирования авиационных ГТД - DVIGwT, позволяющая синтезировать модели установок произвольных схем на основе функциональных элементов, соединенных информационными связями
Разработаны структура системы моделирования и организация вычислительного процесса с описанием рекурсивных связей функциональных элементов при решении проектных задач
Разработаны и реализованы в виде базовых процедур математические модели термодинамических процессов с различными рабочими телами, в том числе парогазовыми смесями различного химического состава, учитывающие фазовые превращения в рабочем теле
Разработаны модели функциональных элементов ГТД с учетом изменения физико-химических свойств рабочего тела и их влияния на характеристики элементов
" Разработаны методы выполнения структурно-параметрического синтеза и анализа рабочих процессов авиационных ГТД и энергетических установок на их основе Методы исследований основаны на использовании:
теории авиационных ГТД,
термодинамики, теплопередачи, механики жидкости и газа,
системного анализа и объектно-ориентированного подхода при моделировании сложных процессов и изделий, общей теории проектирования систем,
методов современных информационных технологий,
численных методов решения систем нелинейных уравнений
Достоверность и обоснованность результатов и выводов,
содержащихся в диссертационной работе, доказывается сопоставлением результатов исследований с экспериментальными характеристиками современных авиационных ГТД и энергетических установок на их основе
Практическая ценность. Разработанная система моделирования DVIGwT позволяет
осуществлять структурно-параметрический синтез и анализ рабочих процессов авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок на их основе,
повысить эффективность процессов проектирования авиационных ГТД, тепловых энергетических и комбинированных установок, реконструкции тепловых электрических станций с надстройкой их ГТУ,
выполнять углубленную профессиональную подготовку кадров в авиационных и энергетических отраслях промышленности и в учебном процессе вузов.
Реализация результатов работы. Разработанная система DVIGwT и методы решения проектных задач с ее использованием, результаты проведенных автором исследований внедрены в ФГУП НГШ «Мотор», ОАО «УМПО», НПО «Сатурн», ОАО «Авиадвигатель», ОАО «СНТК им Н Д Кузнецова», инженерном центре «Энергомащ (ЮК) Лимитед», ОАО «Башкирэнерго», Самарском государственном аэрокосмическом университете (СГАУ) в учебном процессе кафедры «Теория двигателей летательных аппаратов», Уфимском государственном авиационном техническом университете ГУТ АТУ) в учебном процессе кафедр
«Авиационные двигатели» и «Авиационная теплотехника и теплоэнергетика» а также в научно-исследовательской деятельности указанных вузов
Использование системы DVIGwT подтверждено прилагаемыми актами
Материалы диссертации основаны на исследованиях автора в период 1979 - 2006 гг, выполненных в рамках целевых комплексных научно-технических программ (в том числе ОЦ.027 (задание 05 39), утвержденной совместным Постановлением ГКНТ, ГОСПЛАНА и Академии наук СССР N492/245/164 от 08 12.1981 г., а также общесоюзной научно-технической программой 0 80.03 (задание 25А), утвержденной Постановлением ГКНТ и АН СССР от 10 111985), грантов Минвуза РФ ("Фундаментальные исследования технологических проблем производства авиакосмической техники" 1993 - 1995 гг, 1997 - 1999 гг., "Интеллектуальный комплекс для моделирования робототехнических комплексов и технологических процессов" и "Разработка научных основ и методов создания интегрированных САПР в машиностроении" 1996 - 1997 гг, «Использование маршевых авиационных ГТД (Р13-300, Р95Ш) в качестве энергетических установок теплоэлектростанций» 1997 - 1999 гг, «Параметрическая и структурная оптимизация энергетических установок летательных аппаратов», 1999 - 2001 гг., «САЕ-технологии в создании научно-технического задела для авиационных двигателей шестого поколения», 2001 - 2002 гг, «Интегрированная система для разработки двигателей летательных аппаратов на основе CAD/CAM/CAE/PDM-приложений», 2003 - 2004 гг., «Теоретические основы проектирования, многофакторного моделирования, испытания и экспериментальной отработки авиационных ГТД и энергетических установою), 2005 -2007 гг ), федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997 — 2001 гг» по теме «Развитие Учебно-научного центра «Высокоэффективные технологии и системы использования низкотемпературных и возобновляемых источников энергии» 1997 - 2001 гг, а также по договорам с предприятиями (НИИ «Мотор» «Разработка математической модели, обеспечивающей получение параметров изделия заказа 15 при одноразовой сборке без испытаний», ИЦ ДТ ОАО «Энергомаш (КЖ) Лимитед» «Разработка методики расчета теплоэнергетических установок произвольных схем и ее программной реализации», 2001 - 2002 гг, ОАО «УМПО» «Разработка методики оценки и отладки параметров изделия 25 при проведении приемо-сдаточных испытаний в условиях эксплуатации и разработка соответствующей программы для ПЭВМ», 1994 - 1995 гг, «Разработка методик и программных средств для контроля и отладки параметров ГТД в условиях испытаний и эксплуатации», 2006 - 2007 гг, ОАО «Башкирэнерго» «Исследование и разработка вариантов модернизации тепловых схем ТЭС», 2006 — 2007 гт )
На защиту выносятся:
Система математического моделирования рабочих процессов авиационных ГТД и ЭУ произвольных схем - DVIGwT (зарегистрирована в Роспатенте под № 2004610623 от 04 03.2004 г)
Структура системы моделирования и организация вычислительного процесса с описанием рекурсивных связей функциональных элементов при решении проектных задач
Математические модели термодинамических процессов с различными рабочими телами, в том числе парогазовыми смесями различного химического состава, учитывающие фазовые превращения в рабочем теле во всех процессах термодинамического цикла ГТД.
Модели функциональных элементов ГТД с учетом изменения физико-химических свойств рабочего тела и их влияния на характеристики элементов
Методы выполнения структурно-параметрического синтеза и анализа рабочих процессов авиационных ГТД и энергетических установок на их основе
6. Результаты исследований рабочих процессов авиационных ГТД, подтверждающие эффективность и работоспособность системы DVIGwT.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались на 26 научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе на Всесоюзной НТК по перспективам развития методов технической эксплуатации авиационной техники (Киев, 1979 г), на Межотраслевой НК по автоматизированному проектированию (ЦИАМ, 1979, 1984, 1986 гг), на региональной НТК по применению ЭВМ, математических моделей в автоматизации проектирования и в автоматизации управления организационными и техническими системами (Уфа, 1980, 1981 гг.), на Всесоюзной НТК по современным проблемам двигателей и энергетических установок (МАИ 1981,1985 гг ), на Республиканской НТК по математическим моделям процессов и конструкций энергетических турбомашин в системах их автоматизированного проектирования (Харьков, 1982 г), на Межотраслевой НТК по проблемам функциональной диагностики газотурбинных двигателей и их элементов (Харьков, 1990 г), на Всероссийской НТК по управлению и контролю технологических процессов изготовления деталей авиакосмической техники (Уфа, 1994, 1995 гг ), на Международной НТК по проблемам и перспективам развития двигателестроения (Самара, 1997, 1999, 2001, 2003, 2006 гг.), на научно-практической республиканской конференции по энергоресурсосбережению (Уфа, 1999 г), на семинаре им. В В Уварова (МГТУ им НЭ.Баумана, 2002 г), на 51 и 52 научно-технических сессиях по проблемам газовых турбин Комиссии РАН по газовым турбинам (Уфа,
г, Самара, 2005 г), на Международной НТК по информационным технологиям в науке, образовании и промышленности (Архангельск,
г), на Всероссийской (с международным участием) НТК по рабочим процессам и технологиям двигателей (Казань, 2005 г), на Второй
Международной НТК «Авиадвигатели XXI века» (ЦИАМ, 2005 г), на Всероссийской НТК «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2006 г), на XI Всероссийской научно-технической конференции по аэрокосмической технике и высоким технологиям (Пермь, 2006 г.)
Результаты отдельных этапов и работы в целом обсуждались на научно-технических советах предприятий ОАО «СНТК им НД Кузнецова» (НТС в 2000 г.), Омское моторостроительное конструкторское бюро (НТС в 2000 г ), НЛП «Завод им В Я. Климова» (НТС в 2001 г ), Инженерный центр департамента турбин компании "Энергомаш (ЮК) Лимитед" (НТС в 2001, 2002, 2003 гг.), на кафедре «Теория двигателей летательных аппаратов» СГАУ (НТС в 2004 г)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 34 работы, в том числе 26 статей, из них 11 в изданиях из списка ВАК, раздел в 1 учебнике с грифом МО РФ, монография (в соавторстве), 3 учебных пособия с грифом УМО РФ, авторское свидетельство на изобретение, 2 свидетельства Роспатента об официальной регистрации программ для ЭВМ
Личный вклад соискателя в разработку проблемы Все основные положения, связанные с разработкой системы математического моделирования авиационных ГТД и ЭУ, в том числе математических моделей термодинамических процессов и функциональных элементов, а также методов выполнения структурно-параметрического синтеза и анализа рабочих процессов (включая программную реализацию, проверку вариантов, расчетные исследования) выполнены и разрабоганы автором лично
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, шести глав основного материала, библиографического списка из 235 наименований, изложенных на 267 страницах, и четырех приложений
