1326 прочтений

Разработка подхода к проектированию, расчету и изготовлению малоразмерного газотурбинного двигателя на основе компьютерного инжиниринга и аддитивных технологий

Полное название проекта: «Разработка подхода к проектированию, расчету и изготовлению малоразмерного газотурбинного двигателя на основе методов компьютерного и суперкомпьютерного инжиниринга и аддитивных технологий производства».

Источник финансирования: Министерство образования и науки Российской Федерации (выполнение в 2017-2019 годах проекта по теме «Разработка подхода к проектированию, расчету и изготовлению малоразмерного газотурбинного двигателя на основе методов компьютерного и суперкомпьютерного инжиниринга и аддитивных технологий производства»). Приоритетное направление – Малоразмерные газотурбинные двигатели. Задание №9.4081.2017/ПЧ.

Источник софинансирования и индустриальный партнер: «ООО Политех-Инжиниринг».

Исполнитель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» (СПбПУ), Инжиниринговый центр «Центр компьютерного инжиниринга» (ИЦ «ЦКИ») СПбПУ.

Цели и задачи проекта

Целью проекта является разработка методов проектирования и создания малоразмерных газотурбинных двигателей (МГТД) для производства с применением аддитивных технологий. Для реализации проекта применяются современные методы автоматизированного проектирования на основе мультидисциплинарных подходов математического моделирования, используются компьютерные технологии на основе фундаментальных положений механики, теории и практики конструирования авиационных газотурбинных двигателей.

Целевая группа проекта включает в себя предприятия двигателестроения, в первую очередь – авиационного двигателестроения, такие как ПАО «ОДК-Сатурн», ОАО «Климов», ОАО «Пермский моторный завод», АО «НПЦ газотурбостроения «Салют» и другие.

Результаты

1 этап

  • Создана геометрическая модель МГТД на основе аналога с применением томографии и 3D-сканирования.
  • Разработаны математические модели и проведены расчеты газодинамических процессов, включающие такие части МГТД, как входное устройство компрессора, рабочее колесо компрессора, спрямляющий аппарат компрессора, рабочее колесо турбины, сопловой аппарат, сопло.

Общий вид расчетной области компрессора

Общий вид расчетной области компрессора

Поля полного давления в трех сечениях диффузора Поля полного давления в трех сечениях спрямляющего аппарата
Поля полного давления в трех сечениях диффузора Поля полного давления в трех сечениях спрямляющего аппарата
Поля полного давления в трех сечениях диффузора Поля полного давления в трех сечениях спрямляющего аппарата

Поля полного давления в трех сечениях диффузора

Поля полного давления в трех сечениях спрямляющего аппарата

Общий вид расчетной области турбины

Общий вид расчетной области турбины

Поля полного давления в трех сечениях сопловых лопаток турбины Поля полного давления в относительном движении в трех сечениях рабочих лопаток турбины

Поля полного давления в трех сечениях сопловых лопаток турбины

Поля полного давления в относительном движении в трех сечениях рабочих лопаток турбины

  • Предложены варианты модификации элементов ГТД на основе анализа результатов расчета с использованием аддитивных технологий.

Изменение конструкции диффузора компрессора – исходный «прямой» диффузор (сверху) и модифицированный «наклоненный» диффузор (снизу)

Изменение конструкции спрямляющих лопаток компрессора – исходная «прямая» лопатка (сверху) и модифицированная с удлиненной на периферии хордой (снизу)

Сопло Сопло

Сопло

  • Оценка усадки компонентов, изготовленных методом SLM.

Диффузор

Диффузор

 

Сопло Сопло Сопло
Сопло

Сопло

2 этап

  • Проведена оценка минимального запаса прочности ротора турбины с учетом моделирования теплового состояния ротора в сопряженной CHT (Conjugate Heat Transfer) постановке.

Поле распределения температуры за камерой сгорания

Поле распределения температуры за камерой сгорания

Поле распределения температуры ротора турбины

Поле распределения температуры ротора турбины

Конечно-элементная модель ротора турбины

Конечно-элементная модель ротора турбины

Поле распределения эквивалентных напряжений по Мизесу Поле распределения эквивалентных напряжений по Мизесу

Поле распределения эквивалентных напряжений по Мизесу

  • Проведена топологическая оптимизация статора лопаточного аппарата компрессора с целью снижения массы.

сегмент диффузора

а)

CAD-модель

б)

Оптимизированный по массе диффузор:

а) сегмент диффузора; б) CAD-модель

внешний вид детали

а)

внутренняя структура детали

б)

Оптимизированная конструкция диффузора (3D-визуализация):

а) внешний вид детали; б) внутренняя структура детали

  • Получена диаграмма Кэмпбелла с учетом жесткостных характеристик корпуса и опор ротора, с помощью которой были определены критические частоты вращения ротора, необходимые для проведения его балансировки в процессе сборки двигателя.

Ротор МГТД

 

Ротор МГТД

ротор и корпус двигателя, вид в разрезе

а)

конечно-элементная модель ротора и корпуса двигателя

б)

конечно-элементная модель ротора

в)

Конечно-элементная модель ротора и корпуса двигателя:

а) ротор и корпус двигателя, вид в разрезе; б) конечно-элементная модель ротора и корпуса двигателя; в) конечно-элементная модель ротора

1-я мода

а)

2-я мода

б)

3-я мода

в)

Собственные формы ротора при различных модах:

а) 1-я мода; б) 2-я мода; в) 3-я мода

  • Проведена оценка собираемости двигателя с использованием напечатанных из пластика деталей.

Диффузор, изготовленный из пластика методом АТ

Диффузор, изготовленный из пластика методом АТ

Диффузор, изготовленный из пластика методом АТ

Общий вид пластикового макета двигателя, изготовленного методом АТ Общий вид пластикового макета двигателя, изготовленного методом АТ
Общий вид пластикового макета двигателя, изготовленного методом АТ

Общий вид пластикового макета двигателя, изготовленного методом АТ

  • Разработан подход по определению долговечности и усталостной прочности элементов МГТД на примере конструкции камеры сгорания.

Конечно-элементная сетка для расчета НДС камеры сгорания

Конечно-элементная сетка для расчета НДС камеры сгорания

Контрольно-объёмная сетка для моделирования процессов течения газа и горения в камере сгорания

Контрольно-объёмная сетка для моделирования процессов течения газа и горения в камере сгорания

Результаты моделирования распределения температуры в рабочей среде камеры сгорания

Результаты моделирования распределения температуры в рабочей среде камеры сгорания

Распределение температуры, полученное в результате газодинамического расчета

Распределение температуры, полученное в результате газодинамического расчета

Поле распределения эквивалентных напряжений по Мизесу

Поле распределения эквивалентных напряжений по Мизесу

Оценка долговечности конструкции камеры сгорания, количество циклов

Оценка долговечности конструкции камеры сгорания, количество циклов

3 этап проекта – 2019 год