автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка метода и средств проектирования конструктивных схем авиационных ГТД по расположению опор

На правах рукописи

005010778

Миронов Андрей Сергеевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА И СРЕДСТВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ АВИАЦИОННЫХ ГТД ИО РАСПОЛОЖЕНИЮ ОПОР

Специальность 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

' 1 [црШ

диссертации на соискание ученом степени ......

кандидата технических наук

САМАРА-2012

005010778

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) на кафедре конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Зрелов Владимир Андреевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кузьмичёв Венедикт Степанович, профессор кафедры теории двигателей летательных аппаратов федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)»;

кандидат технических наук, доцент Федорченко Дмитрий Геннадьевич, генеральный конструктор ОАО "Кузнецов".

Ведущая организация:

ОАО «Завод авиационных подшипников» (г. Самара).

Защита состоится 16 марта 2012 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д 212.215.02 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственног о бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)».

Автореферат разослан 10 февраля 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

А.Н.Головин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Одним из важнейших факторов, определяющих эффективность авиационных ГТД, является выбор их конструктшшо-сшюных схем (КСС).

Большое значение при создании новых двигателей имеет использование принципа преемственности, т.е. применение проверенных, хорошо зарекомендовавших себя проектных, конструкторских, технологических решений. Это особенно важно на этапе формирования КСС будущего двигателя, концентрирующей в себе новое решение и дающей возможность увидеть весь спектр возможных конструктивно-схемных решений. Недостаточное количество исходной информации на данном этапе обуславливает интерактивный характер проектирования и обязательное использование накопленного опыта.

В настоящее время проектирование КСС осуществляется в основном на основе опыта, навыков и знаний проектировщика, который не всегда способен увидеть нее возможные варианты, поэтому актуальным является создание компьютерной информационной системы обработки, хранения н поиска информации по авиационным ГГД, включающей в себя базы данных по КСС авиационных двигателей и элементам их конструкции.

Актуальным также является создание методики автоматизированного выбора двигателя-прототипа для проектирования расположения опор в КСС ГТД и разработка модели формирования КСС ГТД па ранних этапах проектирования двигателя. Наличие таких методик и моделей позволит формализовать процесс описания стру ктуры ГТД и создать его обобщенную КСС.

Поэтому тема диссертационной работы, направленной на повышение эффективности проектирования авиационных ГТД на основе разработки метода и средств автоматизированного проектирования их КСС по расположению опор, является актуальной, имеющей важное практическое и научное значение.

Целью работы является повышение эффективности проектирования авиационных ГТД на основе разработки метода и средств проектирования их конструктивных схем по признаку "'количество и расположение опор'".

Для реализации этой цели необходимо решение следующих научных задач:

- разработка метода автоматизированного проектирования КСС ГТД;

- формирование структуры объектов данных для описания КСС авиационных ГТД:

- разработка методики выбора двигателя-прототипа:

- создание модели формирования КСС на этапе эскизного проектирования;

- разработка программного комплекса для проектирования расположения опор в КСС авиационных ГГД.

Объектом исследования является процесс проектирования конструктивных схем авиационных ГТД.

К предмету исследования относится расположение опор роторов турбокомпрессоров в конструктивно-силовых системах ГТД.

Методы исследования основаны на принципах декомпозиции, теории множеств, теории графов и элементах математической логики, методах автоматизированного проектирования авиационных ГТД, а также на методологии объектно-ориентированного программирования.

Исследование базируется на фактологической основе - реальных конструкциях двигателей, КСС и их элементов.

На защиту выносятся:

- метод автоматизированного проектирования расположения опор в КСС авиационных ГТД;

- методика выбора двигателя-прототипа;

- модель формирования КСС на концептуальном и логическом уровнях;

- методика формирования структуры объектов данных для описания КСС авиационных ГТД;

- программный комплекс для проектирования расположения опор в КСС авиационных ГТД.

Научная повита исследования состоит в следующем:

- разработан метод автоматизированного проектирования расположения опор в КСС авиационных ГТД на этапе эскизного проектирования, основанный на выборе двигателя-прототипа и использовании ретроспективного анализа КСС реализованных конструкций двигателей;

- впервые методика формирования структуры объектов данных разработана для описания КСС авиационных ГТД;

- разработан программный комплекс для проектирования расположения опор в КСС авиационных 1ТД, позволяющий на этапе эскизного проектирования выбрать двигатель-прототип и рассчитать расположение опор;

- разработана модель формирования КСС с выбранным расположением опор на этапе эскизного проектирования авиационного ГТД, представленная в соответствии со стандартами 1ГМ:.Р<) и ЮЕР4.

Практическая значимость исследования заключается в разработке модели формирования КСС ГТД, применимой на верхнем уровне описания ГТД в среде РОМ-систем. Эта модель позволяет применять современные технологии компьютерной поддержки проектирования в конструкторских бюро и в процессе обучения в ВУЗе.

Разработанная егруктура объектов данных по авиационным ГТД позволяет при проектировании ГТД учитывать предшествующий опыт создания и эксплуатации авиадвигателей и подбирать расположение опор в процессе формирования КСС.

Сформированная база данных реализованных схем турбокомпрессоров ГТД позволяет выявить все возможные КСС ГТД по количеству и расположению опор и выбрать двигатель-прототип для дальнейшего проектирования.

Разработанный программный комплекс для проектирования расположения опор в КСС авиационных ГТД позволяет выбрать расположение опор в КСС на этапе эскизного проектирования.

Результаты работы нашли практическое применение в виде методических указаний при выполнении дипломного и сквозного курсового компьютерного проектирования на кафедре конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов Самарского государственного аэрокосмического университета. Также планируется внедрение в ФГБОУ ВПО "Московский авиационный институг (национальный исследовательский университет)" и ФГБОУ ВПО "Уфимский государственный авиационный технический университет".

Базы данных по КСС используются в процессе обучения студентов СГЛУ по специальности "авиационные двигатели и энергетические установки".

Результаты работы могут быть использованы при проектировании авиационных ГТД, а также наземных и судовых газотурбинных энергетических установок.

Предложенная модель формирования КСС с рассчитанным расположением опор на этапе эскизного проектирования авиационного ГТД может быть использована при проектировании и производстве конкурентоспособных современных и перспективных газотурбинн ых двигателей.

Результаты исследования используются в научно-исследовательской деятельности

СГАУ.

Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты работы доложены и одобрены на следующих конференциях: научно-техническая конференция 24-26 июня 2009 г. "Проблемы и перспективы развития двигателестроения" (Самара, СГАУ); международный молодежный форум "Будущее авиации за молодой Россией" (Рыбинск, РГА'ГА. 2010); российская научно-техническая конференция "Ракетно-космическая техника и

технология 2009" (Воронеж. ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009); международная конференция с -элементами научной школы для молодежи "Перспективные информационные технологии для авиации и космоса (ПИТ-2010)'' (Самара. 2010) н НТС СГЛУ.

По теме диссертации опубликованы 7 статей in них 3 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура н объем работы. Диссертация состою из введения, четырёх глав, заключения. Работа изложена на 148 страницах текст;», содержит 68 рисунков. 19 таблиц. Библиография включает 89 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуапьноегь темы исследования, даётся краткая характеристика диссертационной работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведён анализ современных тенденций развития автоматизации разработки авиационных ГТД. Анализ показал, что в настоящее время самыми актуальными являются вопросы, связанные с интеграцией возможностей различных информационных систем, позволяющей автоматизировать не отдельные виды деятельности, а весь процесс проектирования, конструирования и производства в едином информационном пространстве.

Выявлено, что основными этапами проектирования, на которых происходит анализ различных вариантов концепции будущего двигателя, обосновывается выбор одного, наиболее оптимального варианта ГТД, являются этапы предэскизного и эскизного проектирования. В связи с этим, перспективным способом сокращения сроков проектирования и выбора наиболее оптимальных решений является разработка и внедрение в процесс проектирования ГТД комплексов программ, на которые возлагается функция поддержки принятия решений. Такой подход позволяет избежать дорогостоящих ошибок, которые могут быть выявлены лишь на последующих стадиях жизненного цикла (ЖЦ) ГТД.

Выполненный обзор программных средств, используемых в двнгателестроении. выявил, что проектирование авиационного ГТД включает в себя три аспекта: функциональный, конструкторский и технологический, что накладывает определенный отпечаток на использование различных подсистем САПР.

На этане функционального проектирования двигателя в отечественных ОКБ используются в основном программные комплексы собственной разработки, такие САЕ-сисгемы как ОГРА (ОАО «Рыбинские моторы»), DVIG (разработка - УГАТУ), ГРАД (разработка - КАИ). АСТРА (разработка - СГАУ) и другие разработки, предназначенные для термогазодинамических расчётов ГТД и формирования его проточной части.

Из зарубежных систем такого рода известны: GASTURB (разработана в университете Карлсруэ. Германия), GECAT (разработана в университете Алабама, США), .IGIS (разработана в университете Толедо, США).

Конструкторский и технологический аспекты проектирования Г'ТД реализуются на основе универсальных CAD/CAM-систем. например. Unigraphics, Pro/Engineer и другие.

Результат анализа показал, что современная тенденция развития САПР в мире направлена на интеграцию программных продуктов в единую программную платформу, а не на комбинацию различных систем.

Ключевым компонентом информационной интеграции различных служб и информационных систем в рамках CALS-техиологии являются PDM-системы, предназначенные для управления всеми данными об изделии и информационными процессами жизненного цикла изделия.

Анализ проблем автоматизированного конструирования авиационных ГТД показал, что среди трех аспектов (функционального, конструкторского и технологического) процесса проектирования авиационных ГТД наименее формализованную часть представляет процесс конструирования, т.к. он в наибольшей мере сопряжен с индивидуальными качествами и

творческими способностями конструктора. В данной работе рассмотрен этап эскизного проектирования ГТД, на котором анализируется множество конструкторских решений для будущего двигателя и обосновывается выбор одного из них в качестве прототипа

Одной из основных задач на этапе эскизного проектирования является выбор конструктивно-силовой схемы двигателя, в частности выбор количества и расположения опор ротора турбокомпрессора ГТД.

Анализ КСС ГТД и методы автоматизации формирования КСС отражены в работах А.И. Белоусова, В.А. Зрелова, И.А. Кривошеева, В.П. Филекина, М.М. Цховребова, A.B. Штоды и других авторов. Однако в этих работах процесс формирования КСС описан недостаточно глубоко, отсутствуют обобщенные (комплексные) методы и модели данного процесса. Кроме того, описанные методы не реализованы в программных комплексах.

При проектировании двигателя, используя условные обозначения его элементов, предложено формализовать процесс проектирования расположения опор. Для этого необходимо провести анализ КСС авиационных ГТД и на его основе разработать структуру объектов данных. Эта структура будет основой для применения PDM-системы, которая даст возможность собирать и анализировать информацию о различных КСС ГТД и их элементов.

Вторая глава посвящена анализу конструктивных схем авиационных ГТД. Проведён анализ множества КСС авиационных ГТД. Результатом анализа является создание базы данных конструктивных схем турбокомпрессоров ГТД. Наличие такой базы способствует повышению эффективности проектирования ГТД с использованием САПР и PDM-систем в процессе эскизного проектирования.

Используя системный анализ для представления структурной иерархии ГТД, представим его конструктивную систему как категорию, включающую всю область возможных концепций конструкции. Выражением одной конкретной конструкции является конструктивная схема.

Для графического описания конструктивных схем ГТД на уровне концепции использованы графические условно-стилизованные элементы, разработанные Зреловым В.А.

Из анализа КСС турбокомпрессоров ГТД, следует, что, как правило, каждое ОКБ предпочитает применять собственные схемы ГТД. Это можно объяснить наличием различных традиций и опыта, присущих конкретному разработчику и переносимых из одной конструкции в другую.

Во всех схемах современных ГТД видно стремление к уменьшению количества опор и количества силовых поясов посредством введения межрогорных опор и объединения нескольких опор в единый силовой пояс (двигатели семейства НК, АЛ-31Ф, РД-33, Р-79В-300, ТРДДЗМКБ).

Также выявлено, что подавляющее большинство ТРД и ТРДФ имеют консольное, относительно опоры, расположение турбины (кроме АЛ-21Ф-3 и РД-36-51А). В большинстве схем ТРД и ТРДФ компрессор имеет переднюю н заднюю опоры. В то же время компрессоры высокого давления современных ТРДД(Ф), ТВД и ТВВД имеют по одной опоре (чаще всего радиально-упорный подшипник), расположенной перед компрессором.

Выбору рациональной схемы ГТД предшествует решение следующих задач:

а) создание структуры объектов данных по элементам подсистем ГТД;

б) реализация разработанной структуры в PDM-системе;

в) наполнение базы данных.

Проведенный анализ конструктивных схем компрессоров и турбин позволил выделить множество конструктивных схем компрессоров (таблица 1) и турбин (таблица 2) ГТД, типов опор (таблица 4), межроторных опор (таблица 5) для структуры данных, которую использует PDM-система.

Проведен анализ типов силового замыкания несущих корпусов турбокомпрессоров авиационных ГТД. Результаты анализа конструкций ГТД по типу силового замыкания корпуса представлены в таблице 3. Здесь показаны возможные способы силового замыкания, которые оказывают влияние на расположение опор турбокомпрессора.

Главным идентифицирующим атрибутом (первичным ключом) каждого множества является его обозначение. Использование разработанных обозначений позволяет систематизировать всю информацию о конструктивных схемах.

Таблица I - Конструктивные схемы компрессоров Таблица 2 - Конструктивные

авиационных ГТД

Код схемы Схема компрессора Код схемы Схема компрессора

в,, 1?] Я,4 п

в,2 С ,919 в,5 і !

в» (Ч №. ? 8,6 ? ¡5 Т 5

схемы турбин авиационных ГТД

Код СЕемы

$22

Схема турбины

9

Код схемы

Таблица 3 - Типы замыкания силовых корпусов авиационных ГТД

Код схемы Тип замыкания Код схемы Тип замыкания

Ч_] ^33

____ —

8,2 Ч_1 вз4

------- ----- -

Таблица 4 - Типы опор

Код схемы Тип опоры

§41 о

§42 о

Таблица 5 - Межроторная опора

Код схемы Наличие межроторной опоры

есть

8,2 нет

На основании сформированных и закодированных множеств с использованием унифицированного языка моделирования (1)МЬ) разработана диаграмма классов, которая описывает структуру базы данных в РЭМ-системе.

Полученная структура объектов данных служит основой для использования различных программных сред (СППР. САО/САМ/САЕ/РОМ-систем).

Разработанная структура позволяет обеспечить объектное хранение информации для выполнения ряда проектировочных процедур. С использованием разработанной структуры необходимо создать метод автоматизированного проектирования расположения опор в КСС авиационных ГТД. Его создание позволит разработать программный комплекс для проектирования расположения опор в КСС авиационных ГТД.

Формализации процесса формирования КСС посвящена третья глава.

Используя сформированную структуру объектов данных по КСС, разработан метод автоматизированного проектирования расположения опор в КСС авиационных ГТД на этапе эскизного проектирования.

Метод автоматизированного проектирования расположения опор в КСС авиационных ГТД проиллюстрирован на примере выбора расположения опор в двухопорных роторах ТК да ух роторного Т1'ДД(Ф).

Как известно, процесс эскизного проектирования роторов турбокомпрессоров реализуется в два этапа. На первом этапе определяются геометрические параметры

проточной части, количество ступеней компрессора и турбины и др. Результаты этого этапа проектирования обычно представлены в виде схемы проточной части (рис. I).

На втором этапе определяется месторасположение опор ротора в выбранной системе координат, а также осевые и радиальные силовые связи ротора и статора. Результаты второго этапа показаны в виде обобщенной схемы с указанием возможного расположения опор (рис. 2), где: 1 --егаторная связь; 2 -роторная связь; 3 - опора. В настоящее время этот этап практически не автоматизирован. При проектировании используется эвристический подход, основанный на традициях, личном опыте проектировщика и отработанной технологии производства ГГД. рш&дныюе шрад,иние

Рисунок 1 - Схема проточной части ГТД Рисунок 2 - Обобщенная схема

двухроторного ТРДЦ

Обобщенная постановка задачи выбора расположения опор в турбокомпрессоре формулируется следующим образом: необходимо найти комплекс параметров, характеризующих расположение опор в турбокомпрессоре, конструктивные, геометрические параметры н их соотношения. Этот комплекс параметров должен удовлетворять требованиям, предъявляемым к проектируемому двигателю, и обеспечивать его максимально возможную эффективность по совокупности критериев при ограничениях, гарантирующих работоспособность конструкции.

Формализация процесса выбора расположения опор при проектировании двучопорных и трехопорных роторов ГГД основана на создании модели процесса проектирования. Алгоритм, реализующий эту модель, включает:

- формирование списка конструктивно-схемных решений по признакам "расположение опоры" и "схема силового замыкания ТК";

- формирование таблицы применяемости:

- выбор критериев и параметров оценки представителей найденных конструктивно-схемных решений;

- расчёт целевой функции при выборе двигателя-прототипа;

- выбор двигателя-прототипа;

- расчёт геометрических параметров расположения подшипников в проектируемом ГТД;

Формирование списка конструктивно-схемных решений но признакам "расположение опоры" и "схема силового замыкания ТК".

Формировать список конструктивно-схемных решений позволяет использование теории графов. Формализация задачи требует задействовать ряд множеств описаний конструктивных схем, которые были описаны во второй главе. В рассматриваемом случае решения для двухопорпых роторов ТК двухроторного ТРДД(Ф) составляют комбинации следующих множеств:

1. Множества 8,4, ^ являются множествами схем роторов компрессоров с различным расположением опор. Множества представлены в таблице 1;

2. Множества вы, 814, 836 - множества схем роторов турбин с различным расположением опор. Данные множества показаны в таблице 2;

3. Множества в«, отображают множество схем силового замыкания ТК ГТД. Оно состоит из четырех элементов, представленных в таблице 3.

4. Множества 84!, 842 отображают множество типов опор;

5. Множества 85і, 852 отображают наличие или отсутствие межроторной опоры. Представление процесса поиска возможных решений в виде ориентированного графа

даёт возможность последовательно объединять в различных сочетаниях вышеописанные множества. Такой граф показан на рисунке 3. Полученный граф описывает множество вариантов схем двухроторного ТРДД(Ф) с двухопорными роторами ТК.

На основе полученного графа методом перебора формируется список всех теоретически возможных конструктивно-схемных решений. Формирование таблицы применяемости.

Таблица применяемости конструктивно-схемных решений строится на основе ретроспективного анализа реализованных схем двухопорных роторов ТК. Результатом формирования таблицы является множество двигателей-прототипов с их реализованными конструктивно-схемными решениями двухопорных роторов ТК двухроторных ТРДД(Ф).

При формировании данной таблицы на список всех теоретически возможных конструктивно-схемных решений необходимо накладывать ограничения:

1) данные из ТЗ (тяга двигателя, безвозвратные потери масла, температура масла на выходе из двигателя, прокачка масла через двигатель на номинальном режиме, теплоотдача в масло при температуре масла на входе, виброскорость по опорам и т.д.);

2) данные по результатам тсрмогазодинамического расчета (Т., габаритные размеры

и т.д.).

Выбор параметров н критериев оценки представителей найденных конструктивно-схемиых решении.

На практике при выборе критериев и параметров, прежде всего, сосредоточивают

внимание на возможности удовлетворения каскадна і определенной группы требований.

являющихся главными для конкретного типа двигателя.

Параметрами оценки представителей найденных консгруктивио-схемиых решений являются результаты термогазодинамического расчёта и формирования проточной части ТК: • числа ступеней лопаточных машин: звент ,

© ©

& ' "й> &

нехроторная опора

-КВД > -твд > гтнд • геометрические соотношения:

Л

ТВД.м

к! i

ТВДвых

к! а ;

ТНДвых

СІ.

СІи

КВД вм

частоты вращения турбин: ,

''к'ОДвых ;

площади кольцевых

'ТВД '

сечений:

вент.вых ' КВД-вх > ' КВД.вых »

"г/ад >

* вент.вх " ^ТВД.вх '

Гі

ТВД.вих

^ТНД.вх ■

^ТНД.ВЫХ :

Рисунок 3 - Граф поиска теоретически возможных конструктивно-схемных решений

геометрические параметры: Оі

^йсит пу кт • Д

вент.вх.ПСр *

вент.вх.ср'

D.

вент.вых.пср '

д

вент. вых.вт >

д

вснт.вых.ср •

д

вент.ср'

^КВД.вх.пер ' ^КВД.вх.вт '

°КВД.вх ср • параметры,

к

Д

КВД.вх • КВД.вых.пер

и др.

определяющие прочность рабочих лопаток злемеїггов: <т„

о,

КВД • "о.К'ВД » 'л.ТВД ' 'л.охл.ТВД » °в.ТВД . "а/ГВД г 'л.ТНД •

7лотТНД ' °вТНД •

*о.ТНД •

• другие параметры...

При выборе расположения опор в проектируемом двигателе основная трудность заключается в выборе критериев оценки возможных двигателей-прототипов. В идеале при выборе наиболее рационального расположения опор при проектировании двигателя необходимо иметь зависимости, связывающие параметры, характеризующие расположение опор с основными техническими данными ГТД, такими, например, как Суд, удв и др.

Рассмотрим эти зависимости на примере ротора, схема которого приведена на рис. 4.

Расположение опор влияет на жёсткость ротора, которая определяет радиальные зазоры в компрессоре и турбине, зависящие от его радиальных перемещений при колебаниях.

Как известно, прогиб вала

определяется maco2

У

- ты

выражением (рис.

48 Е/

4)

(1), где

48К/

коэффициент, характеризующий изгибную жёсткосгь вала. Из Рисунок 4 ~ схема ротора ТК зависимости (I) следует, что прогиб вала, а, следовательно, и радиальные зазоры прямо пропорциональны расстоянию между опорами. Таким образом, радиальный зазор является функцией расстояния между опорами (5=Г(1)).

При этом необходимо учесть, что величина зазоров определяется также жёсткостью статора, на котирую влияет силовая схема статора, количество силовых поясов, расположение опор и другие факторы.

Величина зазоров в компрессоре и турбине влияет на их КПД а, следовательно, на С„, и тягу двигателя, от которой зависят величины работ, свершаемых компрессором и турбиной.

Экспериментальные исследования, проведенные В.П. Данильченко, по определению влияния изменения радиальных зазоров на КПД компрессора и турбины показывают, что

-А>), = 2-

-А= -100%. где -А,-А>;7 - изменение КПД компрессора

~' - относительный радиальный зазор в компрессоре и

туроине соответственно.

На КПД турбины также влияет количество воздуха, отбираемого на охлаждение опор. Так как этот воздух не участвует в совершении полезной работы, стремятся его расход уменьшить.

Величина расхода воздуха, используемого для охлаждения опор роторов, зависит от их расположения в конструктивно-силовой системе двигателя и также влияет на работу компрессора и турбины. С этой целью опоры двигателя необходимо располагать как можно дальше от его горячих частей, что повысит эффективность термогазодинамического цикла ГТД.

Увеличение расхода воздуха на охлаждение приводит к уменьшению тяги двигателя и увеличению удельного расхода топлива и удельной массы двигателя ( У()е, ).

При расположении опоры в горячей зоне (рис. 5), дня нормальной работы подшипника необходимо увеличивать расход масла и предусматривать дополнительные средства его

и турбины соответственно в %: 6hr¡.

охлаждения, так как свойства масла резко ухудшаются при высокой температуре, а также применять теплоизоляцию опор (рис. 6), приводящую к усложнению конструкции и увеличению её массы.

компрессор

турВинй

150* С

ISO" с

>00- с

22 (ГО

Рисунок 5 - Распределение температур а опорах каскада высокого давления

Рисунок 6 ~ Схема опоры турбины высокого давления двигателя РИ-2000

Как видно из проведенного анализа, расположение опор оказывает существенное влияние на удельные параметры двигателя. Однако в настоящее время прямой аналитической зависимости удельных параметров авиационного ГТД от расположения его опор роторов пока нет. В связи с этим в данной работе при проектировании расположения опор предлагается использовать двигатель-прототип с наилучшими удельными параметрами.

Таким образом, удельные параметры ГТД, такие как Счл. улв, можно использовать при выборе двигателя-прототипа.

Использование двигателя-прототипа даёт возможность применять отработанные технологии, сократить время проектирования и доводки нового двигателя.

Для сравнения уровня технического совершенства найденных конструктивно-схемных решений можно использовать следующие критерии: удельная тяга Руд, удельный расход топлива Суд, удельная масса двигателя удв, стоимость жизненного цикла 5ВД, показатели надежности, др.

Расчёг целевой функции при выборе двигателя-прототипа.

После формирования множества двигателей-прототипов и выбора необходимых оценочных параметров (ар. 9,10) и критериев, для сравнения их между собой, формируется целевая функция. Для этого в исследовании был применен метод аддитивной свёртки.

В общем виде метод аддитивной свёртки пыглядт' следующим образом:

Р(а) = ¿р""',<>>,) + >

где F(a) - целевая функция; Sj(al) =

>',(«,)-У, («,„,)

- отклонение /

max £ у, (о,)] - min ^у, (а,) J

параметра /'-го двигателя-прототипа от проектного значения; у,(а,) - j параметр /-го двигателя-прототипа ;у/а„;,) - j параметр проектируемого двигателя; р'"1' f - коэффициент приоритета j-

ого параметра; k"t(at) = -

ах [АД а,)]-min [А, (я,)]

- нормализованное значение k-oro критерия

('-ого двигателя-прототипа; рч\. - коэффициент приоритета ¿-ого критерия.

Существует множество способов расчёта рч\.: анкетирования, метод ранжирования, метод парных сравнений и др.

Для расчета коэффициентов приоритета рч\ , /......

примера был использован метод парных сравнений.

метод Дельфи, метод

в исследовании в качестве

На начальных этапах данный метод позволит накопить статистическую информацию о предпочтениях экспертов, в дальнейшем на основе статистических данных позволит сформировать таблицу коэффициентов приоритета оценочных параметров и критериев. Такой подход в будущем даст возможность использовать разработанную методику без участия экспертов на данном этапе.

После расчета коэффициента приоритета всех параметров и критериев производится расчет целевой функции с использованием метода аддитивной свертки:

Выбор двигателя-прототипа.

Завершающим этапом является выбор рационального варианта из альтернативных вариантов в качестве двигателя-прототипа для дальнейшего проектирования, когда для каждого двигателя-прототипа о,, характеризующегося набором параметров _)',(«,) и критериев kifai). была найдена соответствующая целевая функция. Затем но полученным данным строится таблица альтернативных вариантов двигателей-прототипов, из которой проектировщик выбирает вариант с минимальным значением К«,): Г (a) = minJfXo,)}.

В таблице 6 представлен пример выбора двигателя-прототипа из трёх перспективных двигателей АИ-436. ПС-12 и ПД-14 схожих по параметрам, но различных по расположению опор.

Алгоритм Пример

Этапы алгоритма Проектируемый ГТД Двигатели-прототипы Коэффициент приоритета (р)

АИ-436 ПС-12 ПД-14

1. Выбора параметров:

Количество ступеней КВД(ТВД) 7(1) 7(1) 6(1) 8(2) 1,1

Тг *взл. 1750 1520 1716 1730 2

Окяд на входе, мм 565 632 561 570 1.3

GKra. кг/с 27 26 25 28.9 1,2

лк 15 14.3 14 16.6 1,3

2. Выбор критериев:

Суд. кг/кгс-ч 0.605 0.55 0.526 3

Тдв 0.215 0,208 0.204 2.4

3. Расчег целевой функции:

F(a¡) 9.48 3,84 3.33

4. Выбор двигателя-прототипа:

min F(a¡) 3,33

Как видно из таблицы 6, в данном случае двигателем-прототипом будет выбран

ПД-14.

Расчёт геометрических параметров расположения подшипников в проектируемом ТК.

После выбора двигателя-прототипа необходимо рассчитать рациональное расположение подшипников в опорах ТК. Для этого вводится понятие относительных линейных коэффициентов, значения которых используются для расчёта места расположения подшипников: - / 1,,г - относительная длина компрессора: = £,, / £м.

относительная длина турбины; ¿(т = ¿г)(я /¿1Л - относительное расстояние ог опоры до входа в компрессор; ¿ш| = /¿ге - относительное расстояние между опорами ТК.

Следует отметить, что величины , ¿г и Ьогк всегда положительные, а Ь11ПК может быть отрицательным. Величина £ зависит от положения опоры относительно компрессора. Если опора компрессора расположена перед входом в компрессор, то Ьшк <0, иначе 1Ш> 0.

С помощью средств математической логики, используя данные коэффициенты, в общем случае записаны условия существования расположения опор в заданном диапазоне.

Для опоры компрессора:

V в -(ЪшЬАЧ

где, а, - КСС проектируемого турбокомпрессора; А2; - множество КСС турбокомпрессоров с одинаковым расположением опор; - элемент множества схем роторов компрессоров с различным расположением опор.

Для опоры турбины:

где, а, - КСС проектируемого турбокомпрессора; А2 - множество КСС турбокомпрессоров с одинаковым расположением опор; 8„, - элемент множества схем роторов турбин с различным расположением опор.

Для расчёта расположения подшипников в проектируемом турбокомпрессоре воспользуемся следующими зависимостями;

Для подшипника компрессора: ¿"'"Г"' = ^¡"Г""" ' ШТ" »

где — расстояние от входа в компрессор проектируемого ТК до подшипника

компрессора; - относи гелыюе расстояние от подшипника до входа в компрессор ТК

двигателя-прототипа; Ц™1*"' - длина проектируемого ТК.

Для подшипника турбины:Ц1*^-'"' = И^"""" ■ Ц™"" ,

где - расстояние между подшипниками проектируемого ТК; Ц^'Ц'"""" -

относительное расстояние между подшипниками ТК двигателя-прототипа; Щ.™""' - длина проектируемого ТК.

После расчёта расположения подшипников в проектируемом ТК необходимо выполнить предварительный расчет стоических и динамических характеристик ротора для последующего подбора подшипников в проектируемом ТК.

Выбранная конструктивно-силовая схема является основой для работы на следующих этапах проектирования.

Разработанный метод позволяет на этапе эскизного проектирования получить конструктивно-силовую схему турбокомпрессора с рассчитанным расположением опор, подобрать подшипники в опорах, а также двигатель-прототип для дальнейшего проектирования. Такой подход даёт возможность переходить к автоматизации ранее не формализованного этапа проектирования.

Для успешной реализации метода, описанного выше, и построения эффективного программного комплекса для его реализации разработана концептуальная ШЕЙ) модель, позволяющая на её основе провести автоматизацию данного процесса. Эта модель состоит из комплекта диаграмм ИМ:ТО (рис. 7).

Декомпозиция блока "Выбор расположения опор при создании конструктивной схемы турбокомпрессора на этапе эскизного проектирования и построение КСС" показана на рисунке В. Здесь указаны функциональные блоки, необходимые для решения поставленной задачи, потоки информации, исполнители и управляющие дуги, которые отображают условия правильного выхода из функционального блока.

Сформированный метод автоматизированного проектирования расположения опор в КСС па этапе эскизного проектирования и построенная концептуальная модель процесса формирования КСС с рассчитанным расположением опор, являются основой для системной автоматизации.

Рисунок 7 - Диаграмма ЮНРО процесса формирования КСС с рассчитанным расположением опор

Рисунок 8 -Декомпозиция блока "Выбор расположения опор при создании конструктивной схемы турбокомпрессора на этапе эскизного проектирования и построение КСС" Разработанная модель устанавливает организацию процесса формирования КСС с рассчитанным расположением опор на этапе эскизного проектирования двигателей с использованием САІ,8-те\но.югші.

Описанный в данной главе метод автоматизированного проектирования расположения опор в КСС, проиллюстрированный на примере выбора расположения опор в двухопорных роторах ТК двух роторного ТРДД(Ф), также применим и при выборе расположения опор в трёхопорных роторах авиационных ГТД. В этом случае задача усложняется в связи с добавлением новых множеств. В связи с этим, граф, показанный на рисунке 3, будет иметь

более сложную структуру. Также необходимо добавление дополнительных относительных линейных коэффициентов, что приведет к изменению условий существования опор в заданных диапазонах.

Представленная классификация видов и содержания работ с использованием разработанной IDEF0 модели (рис. 7, 8) позволили выделить задачи, исполнителен и используемые информационные ресурсы для реализации разработанного метода.

Четвёртая глава посвящена автоматизации процесса формирования КСС. Автоматизация метода проектирования расположения опор в КСС на этапе эскизного проектирования возможна путем создания соответствующего программного комплекса.

Этот комплекс включает в себя две программы: PDM-сисгема Smarteam и программный модуль, который проводит поиск двигателя-прототипа и расчёты расположения подшипников на основе данных, полученных от экспертов и PDM-системы.

Для разработки программного комплекса использован унифицированный язык моделирования (UML).

Для функционирования программного комплекса в существующую базу данных Smarteam в соответствии со структурой базы данных, описанной во второй главе, добавлен новый класс — КСС и разработана структура карточки объекта его класса. Данная карточка позволяет вносить информацию по КСС в базу данных и хранить её там.

Для работы проектировщика с комплексом, на языке программирования Delphy разработан интерфейс. Этот модуль имеет интерфейс взаимодействия с базой данных Smarteam. Он основан на SQL запросах в базу данных Smarteam. С его помощью осуществляется диалог проектировщика и системы.

В качестве примера рассмотрена работа программного комплекса при принятии решения о выборе конструктивно-силовой схемы во время формирования технического задания при сквозном компьютерном курсовом проектировании.

Разработанный комплекс позволяет на этапе создания ТЗ получить конструктивно-силовую схему турбокомпрессора с рассчитанным расположением опор, а также подобрать двигатель-прототип для дальнейшего проектирования. Он может использоваться как тренажер для обучения проектировщиков.

Также он позволяет на этапе эскизного проектирования разработать конструктивно-силовую схему будущего газогенератора с рассчитанным расположением опор, что в дальнейшем даст возможность на его основе создавать КСС семейства двигателей.

Разработанный программный комплекс позволяет использовать известные решения при разработке новых двигателей на схемном уровне. Кроме этого, имеется возможность оценивать, находится ли новая разработка в поле известных схемных решений, что позволяет использовать апробированные и отработанные технологические приемы практической реализации этих решений. Использовать опыт других разработчиков особенно актуально в настоящее время, когда стоимость разработки нового двигателя постоянно растёт, и фирмы осуществляют совместные проекты с разделением труда, что способствует снижению расходов на создание нового двигателя. На начальном этапе проектирования это сотрудничество проявляется в выборе реализации КСС двигателя.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе выполнен комплекс научных исследований и разработок, направленных на повышение эффективности проектирования авиационных ГТД в современных условиях за счет автоматизации процесса проектирования расположения опор на этапе эскизного проектирования.

Основные результаты диссертационной работы:

1. На основе проведенного анализа КСС реализованных конструктивно-схемных решений разработана и интегрирована в PDM-систему структура объектов данных для описания КСС авиационных ГТД. Полученная структура данных по КСС ГТД служит основой для использования различных программных средств (СППР, CAD/CAM/CAE/PDM-

0

систем), обеспечивающих повышение качества проектирования ГТД на основе CALS-технологии.

2. На основе ретроспективного анализа КСС существующих двигателей разработан метод автоматизированного проектирования КСС ГТД, позволяющий на этапе эскизного проектирования подобрать расположение опор. Разработанный метод является основой для автоматизации процесса проектирования КСС ГТД.

3. С помощью стандарта IDEF0 и унифицированного языка моделирования (UML) описана модель формирования КСС на этапе эскизного проектирования, позволяющая автоматизировать созданный метод.

4. Создан программный комплекс для проектирования расположения опор в КСС авиационных ГТД. позволяющий на этапе эскизного проектирования подбирать двигатель-прототип. и рассчитывать положение подшипников ТК п проектируемом двигателе.

Разработанный программный комплекс внедрён в обучающий процесс Самарского государственного аэрокосмнческого университета

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

- статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Миронов, A.C. Выбор расположения опор при проектировании двухопорных роторов ГТД [Текст] / В.А. Зрелов, A.C. Миронов, М.Е. Проданов // Изв. вузов: Авиационная техника. - Казань, 2010. № 1,- С. 20-22.

2. Миронов, A.C. Применение системы поддержки принятия решения для выбора конструктивно-силовой схемы авиационного ГТД на этапе эскизного проектирования [Текст] / И.А. Кривошеее. А.Ю. Сапожников, В.А. Зрелов. М.Е. Проданов. А.Ю. Цой, A.C. Миронов // Вестник УГАТУ. - Уфа. 2010. Т. 14, №4(39). - С. 11-20.

3. Миронов. A.C. Автоматизация процесса выбора расположения опор при формировании конструктивно-силовых схем ГТД [Текст] / В.А. Зрелов, A.C. Миронов, М.Е. Проданов, А.Ю. Цой // Самарский научный центр РАН, Известия Самарского научного центра РАН. - 2010. - №4. - С. 161 -168.

- в прочих изданиях:

4. Миронов, A.C. Метод автоматизированного выбора расположения элементов ГТД на схемном уровне [Текст] / В.А. Зрелов, A.C. Миронов, М.Е. Проданов // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: материалы докладов междунар. Науч.-техн. Конф. 24-26 июня 2009 г. -Самара: СГАУ, 2009. В 2 Ч. Ч. 1. - С. 156- 158.

5. Миронов, A.C.. Выбор схемы расположения опор в конструктивно-силовой системе ГТД [Текст] / В.А. Зрелов, A.C. Миронов // Будущее авиации за молодой Россией: Материалы Международного молодежного форума. - Рыбинск: РГАТА имени П.А. Соловьева. 2010. — С. 52-57.

6. Миронов. A.C. Конструктивно-силовые схемы турбовальных ГТД [Текст] / Белоусов А.И., Зрелов В.А., Миронов A.C. // Ракетно-космическая техника и технология 2009: труды Российской научно-технической конф. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009. - С. 12-18.

7. Миронов, A.C. Применение информационных технологий при выборе схемы расположения опор в конструктивно-силовой системе ГТД [Текст] / В.А. Зрелов, A.C. Миронов. М.Е. Проданов // Перспективные информационные технологии для авиации и космоса (ПИТ-2010). Труды Международной конференции с элементами научной школы для молодежи. - Самара, 2010. - С. 82 - 84.

Подписано в печать: 7 февраля 2012 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная.

Печать оперативная. Объем: 1 усл.печ.л. Тираж: 100 экз. Заказ №87. Отпечатано в типографии издательства СГАУ 443086. Самара Московское шоссе,34.

61 12-5/3457

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)"

На правах рукописи

Миронов Андрей Сергеевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА И СРЕДСТВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ АВИАЦИОННЫХ ГТД ПО РАСПОЛОЖЕНИЮ ОПОР

Специальность 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -докт. техн. наук, доцент Зрелов В.А.

Самара 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.............................................4

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................6

ГЛАВА 1 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В

ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИИ .............................................................12

1.1 Современные тенденции в области автоматизации разработки авиационных ГТД..........................................................................................12

1.2 Обзор программных средств, используемых в

двигателестроении....................................................................18

1.3 Анализ проблем автоматизированного конструирования авиационных ГТД..............................................................................34

1.4 Постановка задачи исследования..............................................37

ГЛАВА 2 АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ АВИАЦИОННЫХ

ГТД ДЛЯ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ НА ЭТАПЕ ЭСКИЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ..................................................39

2.1 Анализ конструктивных схем авиационных ГТД........................39

2.2 Анализ конструктивных схем элементов турбокомпрессора..........46

2.2.1 Конструктивные схемы компрессоров..................................47

2.2.2 Конструктивные схемы турбин.........................................53

2.2.3 Соединение роторов компрессора и турбины.......................59

2.3 Силовые корпусы авиационных ГТД........................................61

2.4 Выводы............................................................................65

ГЛАВА 3 ФОРМАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ КСС.........67

3.1 Разработка метода автоматизированного проектирования расположения опор при формировании КСС авиационных ГТД

на этапе эскизного проектирования..................................................67

3.1.1 Формирование списка конструктивно-схемных решений по

признакам "расположение опоры" и "схема силового

замыкания ..................................................................................73

3.1.2 Формирование таблицы применяемости..............................75

3.1.3 Выбор критериев и параметров оценки представителей найденных конструктивно-схемных решений.............................78

3.1.4 Расчет целевой функции при выборе двигателя-прототипа......82

3.1.5 Выбор двигателя-прототипа...................................................84

3.1.6 Расчет геометрических параметров расположения подшипников в проектируемом ТК..........................................85

3.2 Разработка концептуальной ШЕБО модели процесса формирования КСС.........................................................................88

3.3 Выводы.............................................................................96

ГЛАВА 4 АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ КСС......98

4.1. Формирование логического уровня описания процесса

формирования КСС..................................................................99

4.2 Описание РБМ системы......................................................109

4.2.1 Создание структуры классов базы данных БтагТеат.............109

4.2.2 Наполнение структуры базы данных БтагТеат..................112

4.2.2.1 Общее наполнение структуры БД..............................112

4.2.2.2 Наполнение БД данными необходимыми для работы программного комплекса...................................................116

4.3. Разработка программного модуля формирования КСС...............118

4.4. Апробация разработанного программного комплекса..................124

4.4.1 Внедрение разработанного метода в процесс формирования ТЗ..................................................................................124

4.4.1.1 Существующий процесс формирования ТЗ....................124

4.4.1.2 Обновленный процесс формирования ТЗ.......................131

4.4.2 Формирование семейств двигателей с использованием базового газогенератора.......................................................................133

4.5. Выводы..................................................................................................136

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..........................................................................138

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................139

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Условные обозначения

п кг

Сг - массовый расход,—;

с

Т7 - площадь проходного сечения, м.2; Т -температура, К; О -диаметр, м; И - высота лопатки, м; г — число ступеней; г| - коэффициент полезного действия;

1

п - частота вращения, —;

с

св -предел прочности, Па; Ка - коэффициент запаса прочности;

7Г* — степень повышения давления в компрессоре;

С - относительный расход;

I

Индексы

К - компрессор; Т - турбина;

охл - охлаждаемый, охлаждающий; НД - каскад низкого давления; СД - каскад среднего давления; ВД - каскад высокого давления; вх - вход; вых — выход; в - вход в компрессор; к - выход из компрессора; г - вход в турбину; т - выход из турбины;

Сокращения

БД - база данных;

ГТД - газотурбинный двигатель;

ДЛА - двигатели летательных аппаратов; ЕИП - единое информационное пространство; ЖЦ - жизненный цикл; КПД - коэффициент полезного действия; КСС - конструктивно-силовая схема;

КССРО - конструктивно-силовая схема по расположению опор; САПР - система автоматизации проектных работ; СУ — силовая установка;

СППР - система поддержки принятия решения; СТ - свободная турбина; ТВаД - турбовальный;

ТВВД — турбовинтовентидяторный двигатель; ТВД — турбовинтовой двигатель; ТК - турбокомпрессор;

ТРД(Д)- турбореактивный двигатель (двухконтурный); ТРДДФ- двухконтурный турбореактивный двигатель с форсажной камерой; ЦИАМ - центральный институт авиационного моторостроения; ЭВМ - электронно-вычислительная машина.

ВВЕДЕНИЕ

Авиационное двигателестроение является одной из наиболее наукоемких отраслей машиностроения. Разрабатывать и производить авиационные газотурбинные двигатели (ГТД) могут лишь научно и технически наиболее развитые государства, в том числе и Россия, Авиационный двигатель, аккумулируя достижения науки и техники, отражает уровень технической культуры страны.

В соответствии с концепцией развития авиационного двигателестроения в России в XXI столетии, разработанной ЦИАМ совместно с др. НИИ и ОКБ, а также с эксплуатирующими организациями, «для обеспечения стратегической и экономической безопасности страны необходимо [1]:

- оснащение военной авиации России двигателями только отечественного производства, не уступающими по своим технико-эксплуатационным показателям двигателям других стран;

- принятие мер, способствующих развитию отечественных двигателей для гражданской авиации и постоянному повышению их конкурентоспособности;

- опережающее создание для перспективных авиадвигателей научно-технического задела, конструкционных материалов».

Для реализации этой концепции на современном историческом этапе требуется разработка методов и средств повышения эффективности создания авиационных ГТД.

При этом приоритетным направлением является использование современной методологии разработки двигателей, обеспечивающей сокращение материальных и временных затрат на их создание. Одним из путей реализации этой методологии является широкое применение современных систем проектирования (САО/САМ/САЕ-системы).

Создание современных сложных технических систем, к которым относятся авиационные газотурбинные двигатели, базируется на предшествующем опыте проектирования, доводки, производства и эксплуатации этих систем.

Анализ зарубежных программ в области двигателестроения [2, 3, 4], таких как IHPTET, VAATE, ANTLE, ENGINE ЗЕ и др., показывает, что с 90-х годов наряду с разработкой революционных технологий для улучшения характеристик авиационных двигателей, зарубежные компании решают задачи сокращения времени разработки ГТД на 50%) и стоимости жизненного цикла (ЖЦ) двигателя на 30%).

Особое значение в ЖЦ двигателя имеет этап эскизного проектирования, т.к. результаты принятых на этом этапе решений определяют 70% стоимости всего проекта [5]. Предложенные к настоящему времени рядом авторов технологии автоматизации отдельных задач на стадии эскизного проекта, таких как проведение газодинамических расчетов, синтез силовой схемы, выбор подшипников качения, формирование ротора, построение отдельных элементов компоновки двигателя носят узконаправленный практический характер с использованием программного обеспечения собственной разработки, и не решают проблему в целом. Существующих решений не достаточно для того, чтобы построить интегрированные автоматизированные системы для создания двигателей VI поколения в условиях НИИ и ОКБ.

Большое значение имеет использование принципа преемственности, т.е. применение проверенных, хорошо зарекомендовавших себя проектных, расчетных, конструкторских, технологических и других решений при создании новых двигателей. Это особенно важно на этапе формирования конструктивно-силовой схемы (КСС) будущего двигателя, концентрирующей в себе новое решение и дающей возможность увидеть весь спектр его решений. В этом случае недостаток исходной информации обуславливает интерактивный характер проектирования и обязательное использование накопленного опыта

И-

Одним из важнейших факторов, определяющих эффективность авиационных ГТД, является выбор их конструктивно-силовых схем.

Анализ КСС ГТД отражен в работах В.А. Зрелова [7], А.И. Белоусова [8], И.А. Кривошеева [9], А.И. Крюкова [10], A.B. Штоды, В.А. Секистова, В.В. Кулешова [11], М.М. Жигунова [12], Д.А. Огородникова и М.М. Цховребова [13] и других [1, 15, 17]. Однако обобщенное представление КСС всех отечественных ГТД отсутствует.

В настоящее время проектирование КСС осуществляется в основном на основе опыта, навыков и знаний проектировщика, который не всегда способен увидеть все возможные варианты, поэтому актуальным является создание компьютерной информационной системы обработки, хранения и поиска информации по авиационным ГТД, включающей в себя базы данных по КСС авиационных двигателей и элементам их конструкции.

Актуальным также является создание методики автоматизированного выбора двигателя-прототипа для проектирования расположения опор в КСС ГТД и разработка модели формирования КСС ГТД на ранних этапах проектирования двигателя. Наличие таких методик и моделей позволит формализовать процесс описания структуры ГТД и создать его обобщенную КСС.

Поэтому тема диссертационной работы, направленной на повышение эффективности проектирования авиационных ГТД на основе разработки метода и средств автоматизированного проектирования их КСС по расположению опор, является актуальной, имеющей важное практическое и научное значение.

Целью работы является повышение эффективности проектирования авиационных ГТД на основе разработки метода и средств проектирования их конструктивных схем по признаку "количество и расположение опор".

Для реализации этой цели необходимо решение следующих научных задач:

- разработка метода автоматизированного проектирования КСС ГТД;

- формирование структуры объектов данных для описания КСС авиационных ГТД;

- разработка методики выбора двигателя-прототипа;

- создание модели формирования КСС на этапе эскизного проектирования;

- разработка программного комплекса для проектирования расположения опор в КСС авиационных ГТД.

Объектом исследования является процесс проектирования конструктивных схем авиационных ГТД.

К предмету исследования относится расположение опор роторов турбокомпрессоров в конструктивно-силовых системах ГТД.

Методы исследования основаны на принципах декомпозиции, теории множеств, теории графов и элементах математической логики, методах автоматизированного проектирования авиационных ГТД, а также на методологии объектно-ориентированного программирования.

Исследование базируется на фактологической основе - реальных конструкциях двигателей, КСС и их элементов.

На защиту выносятся:

- метод автоматизированного проектирования расположения опор в КСС авиационных ГТД;

- методика выбора двигателя-прототипа;

- модель формирования КСС на концептуальном и логическом уровнях;

- методика формирования структуры объектов данных для описания КСС авиационных ГТД;

- программный комплекс для проектирования расположения опор в КСС авиационных ГТД.

Научная новизна исследования состоит в следующем:

- разработан метод автоматизированного проектирования расположения опор в КСС авиационных ГТД на этапе эскизного проектирования, основанный на выборе двигателя-прототипа и использовании ретроспективного анализа КСС реализованных конструкций двигателей;

- впервые методика формирования структуры объектов данных разработана для описания КСС авиационных ГТД;

- разработан программный комплекс для проектирования расположения опор в КСС авиационных ГТД, позволяющий на этапе эскизного проектирования выбрать двигатель-прототип и рассчитать расположение опор;

- разработана модель формирования КСС с выбранным расположением опор на этапе эскизного проектирования авиационного ГТД, представленная в соответствии со стандартами ШЕБО и ГОЕР4.

Практическая значимость исследования заключается в разработке модели формирования КСС ГТД, применимой на верхнем уровне описания ГТД в среде РБМ-систем. Эта модель позволяет применять современные технологии компьютерной поддержки проектирования в конструкторских бюро и в процессе обучения в ВУЗе.

Разработанная структура объектов данных по авиационным ГТД позволяет при проектировании ГТД учитывать предшествующий опыт создания и эксплуатации авиадвигателей и подбирать расположение опор в процессе формирования КСС.

Сформированная база данных реализованных схем турбокомпрессоров ГТД позволяет выявить все возможные КСС ГТД по количеству и расположению опор и выбрать двигатель-прототип для дальнейшего проектирования.

Разработанный программный комплекс для проектирования расположения опор в КСС авиационных ГТД позволяет выбрать расположение опор в КСС на этапе эскизного проектирования.

Результаты работы нашли практическое применение в виде методических указаний при выполнении дипломного и сквозного курсового компьютерного проектирования на кафедре конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов Самарского государственного аэрокосмического университета. Также планируется внедрение в ФГБОУ ВПО "Московский

авиационный институт (национальный исследовательский университет)" и ФГБОУ ВПО "Уфимский государственный авиационный технический университет".

Базы данных по КСС используются в процессе обучения студентов СГАУ по специальности "авиационные двигатели и энергетические установки".

Результаты работы могут быть использованы при проектировании авиационных ГТД, а также наземных и судовых газотурбинных энергетических установок.

Предложенная модель формирования КСС с рассчитанным расположением опор на этапе эскизного проектирования авиационного ГТД может быть использована при проектировании и производстве конкурентоспособных современных и перспективных газотурбинных двигателей.

Результаты исследования используются в научно-исследовательской деятельности СГАУ.

Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты работы доложены и одобрены на следующих конференциях: научно -техническая конференция 24-26 июня 2009 г. "Проблемы и перспективы развития двигателестроения" (Самара, СГАУ); международный молодежный форум "Будущее авиации за молодой Россией" (Рыбинск, РГАТА, 2010); российская научно-техническая конференция "Ракетно-космическая техника и технология 2009" (Воронеж, ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009); международная конференция с элементами научной школы для молодежи "Перспективные информационные технологии для авиации и космоса (ПИТ-2010)" (Самара, 2010) и НТС СГАУ.

1 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИИ

В современном мире CAD/CAM/CAE/PDM-системы глубоко внедрены в процессы проектирования, производства, доводки авиационного двигателя. Но все-таки остаются "узкие" места, не подверженные воздействию данных систем. Анализ внедрения данных систем на различных этапах жизненного цикла авиационного двигателя позволит выявить область исследования.

1.1 Современные тенденции в области автоматизации разработки

авиационных ГТД

Значительное улучшение характеристик авиационных ГТД, которое произошло за последние три десятилетия, было достигнуто за счет усложнения конструкции двигателя и его систем. В свою очередь, это привело к увеличению сроков и стоимости разработки двигателя, а также к росту числа специалистов, участвующих в проектировании.

Попытки дальнейшего улучшения характеристик ГТД выявили ряд проблем, связанных, во-первых, с увеличением потоков информации о создаваемом двигателе, во-вторых, с недостаточным вовлечением в процесс проектирования новых достижений науки и техники, в-третьих, с уж�