Цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench®
Уникальный онлайн-курс «Цифровые двойники изделий»
Список выполненных НИОКР

Цифровой двойник морского газотурбинного двигателя: итоги трех этапов (2021-2023 гг.)

Отрасли промышленности:
Период проведения 2021-2023

Государственный заказчик: Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Государственный контракт от 29.12.2020 г. № 2023020101242000000000000/20208.4470019.09.009 между предприятием «ОДК» и Минпромторгом России, идентификатор 2023020101242000000000000)

Головной исполнитель: Предприятие «ОДК»

Соисполнители: Инжиниринговый центр «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®) (ИЦ «ЦКИ») СПбПУ; Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова

Руководитель работ от СПбПУ: проректор по цифровой трансформации, руководитель Центра НТИ СПбПУ, руководитель ИЦ «ЦКИ» СПбПУ А.И. Боровков


По заказу АО «ОДК» специалисты Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®) (ИЦ «ЦКИ») СПбПУ – ключевого подразделения Центра НТИ СПбПУ – приступили к реализации масштабного проекта по разработке цифрового двойника морского газотурбинного двигателя и редуктора в составе агрегата.

В числе целей проекта, рассчитанного на 3 года, – разработка экспериментальной технологии создания цифрового двойника (ЦД) морского газотурбинного двигателя (МГТД), развитие подходов системного инжиниринга на основе моделей в обеспечение устойчивого развития корабельных газотурбинных двигателей и агрегатов, создание ЦД двигателя М90ФР на базе Цифровой платформы CML-Bench™, являющейся собственной разработкой ИЦ «ЦКИ».

ГТД М90ФР применяется в составе дизель-газотурбинного агрегата М55Р, поставляемых для новейших фрегатов проекта 22350.

В 2020 году ОДК осуществила поставку «Северной верфи» двух первых агрегатов М55Р для фрегата «Адмирал Головко». На текущий момент после успешно проведенных испытаний третий агрегат отгружен заказчику для фрегата «Адмирал Исаков», и проводятся испытания четвертого агрегата для укомплектования этого корабля.

Предполагается, что М90ФР станет основой для перспективных морских двигателей.

В частности, ОДК прорабатывает варианты создания двигателей мощностью 25–35 МВт на базе М90ФР.

По результатам реализации проекта Центр НТИ СПбПУ предоставит корпорации высокоточные верифицированные численные математические модели, модули цифровой платформы для создания ЦД морского ГТД и методику разработки морского ГТД на основе моделей и ЦД.

Александр Себелев, ответственный исполнитель проекта:

  • «Ключевая задача проекта – адаптация под нужды ОДК единой программно-технологической платформы – цифровой платформы разработки и применения цифровых двойников CML-Bench™. По сути, стоит задача взаимоувязать ключевые технологии и методики проектирования, существующие у заказчика и разработанные в процессе реализации проекта, перенести опыт разработки в цифровую среду; дать возможность и инженеру-технологу, и главному конструктору работать в прозрачном процессе подтверждения требований к изделию. Наряду с задачей формирования цифрового опыта проектирования также необходимо разработать цифровые модели двигателя, редуктора, провести широкий спектр цифровых (виртуальных) испытаний, выйдя затем на разработку модификаций установки».

Заместитель генерального директора – генеральный конструктор ОДК Юрий Шмотин:

  • «Цифровизация сокращает сроки и стоимость создания морских газотурбинных двигателей нового поколения. Кроме того, цифровой двойник позволит нам предложить заказчикам экономически выгодную услугу – контракт полного жизненного цикла, подразумевающий поставку и обслуживание двигателя на всех этапах эксплуатации».

Кирилл Пятунин, начальник конструкторского отдела систем инженерного анализа предприятия «ОДК»:

  • «В рамках государственного заказа, основным соисполнителем которого выступает СПбПУ Петра Великого, мы реализуем проект по разработке и адаптации цифровой платформы CML-Bench™  для создания и управления данными процесса создания цифровых двойников двигателей, проведения цифровых (виртуальных) испытаний ГТД, узлов и систем, диагностики и прогнозирования технического состояния двигателей.
  • Цифровая платформа CML-Bench™ будет применяться во всех последующих разработках новых изделий ПАО «ОДК-Сатурн», в частности – морского ГТД мощностью 25 МВт».

Проект реализуется в 4 этапа:

  • Этап 1 – подготовка базовых компонентов цифрового двойника, 1 очередь.
  • Этап 2 – разработка экспериментальной технологии создания цифрового двойника ГТД, 1 очередь.
  • Этап 3 – подготовка базовых компонентов цифрового двойника, 2 очередь. Разработка экспериментальной технологии создания цифрового двойника ГТД, 2 очередь. Апробация технологии цифрового двойника, 1 очередь.
  • Этап 4 – разработка экспериментальной технологии создания цифрового двойника ГТД, 3 очередь. Апробация технологии цифрового двойника, 2 очередь.

Срок окончания работ – октябрь 2023 года.

В соответствии с техническим заданием по проекту за это время будет разработано 6 программных продуктов, входящих в состав цифровой платформы CML-Bench™, более 380 численных математических и компьютерных моделей систем и узлов ГТД, проведено более 2000 цифровых (виртуальных) испытаний.

Модель редуктора морского ГТД М90ФР

Разработка опирается на терминологию и общие положения, определенные ГОСТ Р 57700.37–2021 «Компьютерные модели и моделирование. ЦИФРОВЫЕ ДВОЙНИКИ ИЗДЕЛИЙ. Общие положения».

Подобный проект реализуется в России впервые. Цифровая модель поможет сократить время проектирования МГТД нового поколения и его стоимость. «Умный» цифровой двойник позволит свести к минимуму затраты на изготовление опытных образцов силовых установок и сам испытательный процесс, а также управлять жизненным циклом изделия.

В ходе первого этапа раскрыта основная проблематика работ, собрана необходимая информация, начата проработка мероприятий по адаптации Цифровой платформы разработки и применения цифровых двойников CML-Bench™ (собственная разработка ИЦ «ЦКИ») под задачи заказчика. Разработаны модули управления требованиями и панель управления цифрового двойника изделия. Структурированы внутренние процессы предприятия заказчика – от принятия конструкторских решений до изготовления двигателя и его испытаний.

В ходе второго этапа на мощностях заказчика внедрены и проходят тестирование модуль управления требованиями и панель управления цифрового двойника изделия. Сформированы требования к ряду проводимых виртуальных испытаний и используемым численным математическим моделям, созданы шаблоны их интеграции в Цифровую платформу CML-Bench™. Успешно проведены запланированные виртуальные испытания ряда узлов и систем двигателя. Уточнены технические требования. Ведется разработка модуля управления расчетными данными.

В ходе третьего этапа флагманского проекта Центра НТИ СПбПУ разработан демонстратор функциональности «Мастер-компоновка» – инструмента, который позволяет на этапе концептуального проектирования двигателя оперативно оценить массогабаритные характеристики будущего изделия.

Александр Себелев, начальник отдела перспективных разработок в двигателестроении Инжинирингового центра (CompMechLab®) СПбПУ:

«Разработана базовая версия функциональности «Мастер-компоновка», позволяющей на основании термодинамической 1D-модели посредством комплекса проектировочных расчетов получить эскиз продольного разреза двигателя. Также по результатам апробации внедренных ранее модулей Цифровой платформы совместно с ПАО «ОДК-Сатурн» сформулирован перечень задач по их доработке».

На мощностях заказчика разработаны и внедрены новые модули Цифровой платформы: управления расчетными данными, управления данными производства, связи с системой управления конфигурацией и обработки данных испытаний. Проведены виртуальные газодинамические и прочностные испытания различных узлов двигателя, в том числе внедрена технология интеграции внешних оптимизаторов и Цифровой платформы CML-Bench™.

В рамках завершающего этапа проекта будут завершены виртуальные испытания узлов и агрегатов МорГТД, завершится апробация и промышленное внедрение новых модулей Цифровой платформы CML-Bench™, по результатам которого инженеры ПАО «ОДК-Сатурн» получат в свое распоряжение кастомизированную под бизнеспроцессы предприятия среду разработки газотурбинных двигателей.