Исследовательские работы по разработке экспериментальной технологии создания цифрового двойника морского газотурбинного двигателя и редуктора в составе агрегата (2021-2023 гг.)

Заказчик: Проект в интересах ПАО «ОДК-Сатурн» в рамках НИР «Экспериментальная технология создания цифрового двойника морского газотурбинного двигателя и редуктора в составе агрегата» по заказу Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Государственный контракт от 29.12.2020 г. №2023020101242000000000000/20208.4470019.09.009 между ПАО «ОДК-Сатурн» и Минпромторгом России, идентификатор 2023020101242000000000000)

Ответственный исполнитель: А.А. Себелев, начальник отдела перспективных разработок в двигателестроении Инжинирингового центра (CompMechLab^®) СПбПУ

---

Специалисты Инжинирингового центра (CompMechLab^®) СПбПУ успешно завершили трехлетний проект (2021–2023 гг.) «Исследовательские работы по разработке экспериментальной технологии создания цифрового двойника морского газотурбинного двигателя в интересах ПАО «ОДК-Сатурн».

Отличительной чертой проекта стал комплексный подход к решению задач: наравне с разработкой высокоадекватных компьютерных моделей и проведением соответствующих виртуальных испытаний деталей и узлов двигателя инженеры и программисты проектной команды осуществляли глубокую кастомизацию Цифровой платформы разработки и применения цифровых двойников CML-Bench^® под бизнес-процессы ПАО «ОДК-Сатурн», а также интегрировали на платформе в виде новых решателей инженерные методики и прикладное программное обеспечение собственной разработки и разработки ПАО «ОДК-Сатурн».

ПЕРВЫЙ ЭТАП РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА (04–07.2021):

• раскрыта основная проблематика работ, проанализированы бизнес-процессы заказчика, собраны необходимые исходные данные;
• начата проработка мероприятий по кастомизации Цифровой платформы CML-Bench^® под задачи заказчика;
• разработаны модули управления требованиями и панель управления цифрового двойника изделия;
• структурированы внутренние процессы заказчика – от принятия конструкторских решений до изготовления двигателя и его испытаний.

«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».

Юрий Шмотин, заместитель генерального директора – генеральный конструктор АО «ОДК»

ВТОРОЙ ЭТАП РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА (08–12.2021):

• проведено тестирование и внедрение на мощностях заказчика модуля управления требованиями и панели управления цифрового двойника изделия;
• сформированы требования к ряду проводимых виртуальных испытаний и используемым компьютерным моделям, созданы шаблоны их интеграции в Цифровую платформу CML-Bench^®;
• успешно проведены запланированные виртуальные испытания компрессоров и турбин двигателя.

«В рамках государственного заказа, соисполнителем которого выступает СПбПУ, мы запустили проект по разработке цифровой платформы для создания и управления данными цифровых двойников двигателей, проведения виртуальных испытаний ГТД, узлов и систем, диагностики и прогнозирования технического состояния двигателей. Платформа будет применяться во всех последующих разработках новых изделий ПАО «ОДК-Сатурн», в частности – морского ГТД мощностью 25 МВт».

Кирилл Пятунин, начальник конструкторского отдела систем инженерного анализа ПАО «ОДК-Сатурн»

Разработка опирается на терминологию и общие положения, определенные ГОСТ Р 57700.37–2021 «Компьютерные модели и моделирование. ЦИФРОВЫЕ ДВОЙНИКИ ИЗДЕЛИЙ. Общие положения», разработанным специалистами Центра НТИ СПбПУ и ФГУП «Российский федеральный ядерный центр – Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики» (ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ»). Национальный стандарт утвержден 16 сентября 2021 года, введен в действие с 1 января 2022 года. В 2023 году ГОСТ официально включен в перечень взаимно признаваемых стандартов в сфере авиастроения между КНР и РФ.

Подобный проект реализуется в России впервые. Цифровой двойник позволит 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.

ТРЕТИЙ ЭТАП РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА (12.2021–12.2022):

• разработаны высокоадекватные компьютерные модели систем и узлов двигателя;
• проведены запланированные виртуальные испытания по моделированию технологических процессов изготовления деталей двигателя, определению теплового, напряженно-деформированного и вибрационного состояния лопаток и дисков компрессоров и турбин;
• проведена оптимизация компрессора низкого давления и турбины высокого давления двигателя;
• разработан демонстратор функциональности «Мастер-компоновка» – инструмента, который позволяет на этапе концептуального проектирования двигателя оперативно оценить массогабаритные характеристики будущего изделия;
• на мощностях заказчика разработаны и внедрены новые модули Цифровой платформы CML-Bench^®: управления расчетными данными, управления данными производства, связи с системой управления конфигурацией и обработки данных испытаний.

Результаты компьютерного моделирования технологического процесса изготовления пусковой форсунки
Результаты компьютерного моделирования теплового состояния подкапотного пространства

28–29 июня 2022 года в СПбПУ на рабочем совещании по проекту с участием представителей АО «ОДК», ПАО «ОДК-Сатурн»и руководителя Центра цифровизации ФГУП «ВНИИ «Центр» Андрея Агеева утверждены плановые работы по этапу 3, обсуждены вопросы тиражирования Цифровой платформы CML-Bench^® на предприятиях ОДК и ее готовности к коммерческому использованию.

Представителям ПАО «ОДК-Сатурн» вручены удостоверения о повышении квалификации по программе «Использование Цифровой платформы CML-Bench^® в цифровом проектировании».

ЧЕТВЕРТЫЙ ЭТАП РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА (12.2022–10.2023):

• завершены работы первого, второго и третьего этапов в части разработки и уточнения подходов к инженерному анализу и проектированию на основе компьютерных и суперкомпьютерных технологий при создании цифрового двойника морского ГТД с использованием Цифровой платформы CML Bench^®;
• произведена адаптация и настройка общего функционала и взаимосвязей модулей Цифровой платформы, разработанных в рамках 1–3 этапов, взаимоувязка компьютерных моделей в обеспечение создания цифрового двойника двигателя;
• проведены виртуальные испытания механизмов и маслосистемы, оптимизация турбины высокого давления в рамках формирования аванпроекта форсированной версии двигателя – М90ФР-25.

Виртуальные прочностные испытания механизмов

Результаты компьютерного моделирования процессов в системе подачи масла в опору двигателя

КЛЮЧЕВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОЕКТА:

• Создана под нужды ПАО «ОДК-Сатурн» и внедрена в производственные процессы предприятия единая цифровая среда, обеспечивающая прозрачность процессов проектирования, а также автоматизацию расчетных процессов на базе Цифровой платформы разработки и применения цифровых двойников CML-Bench^®.
• Разработаны модули управления требованиями, расчетными данными, данными производства, связи с системой управления конфигурацией и обработки данных испытаний.
• Для морских газотурбинных двигателей разработаны многоуровневые матрицы требований, целевых показателей и ресурсных ограничений.
• Разработаны высокоадекватные компьютерные модели узлов и деталей компрессоров, турбин, технологических процессов механической обработки, изготовления заготовок, термической обработки деталей двигателя.
• Разработан цифровой двойник морского газотурбинного двигателя.

В рамках НИР «Исследовательские работы по разработке экспериментальной технологии создания цифрового двойника морского газотурбинного двигателя» проведена масштабная кастомизация Цифровой платформы по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench^® под нужды высокотехнологичного производства.

Лицензионный договор с ПАО «ОДК-Сатурн» на использование Цифровой платформы CML-Bench^® с расширенной техподдержкой по состоянию на август 2023 года является крупнейшей в стране продажей Цифровой платформы CML-Bench^® промышленному заказчику.

Итоги реализации головного проекта НИР «Экспериментальная технология создания цифрового двойника морского газотурбинного двигателя и редуктора в составе агрегата» были представлены ПАО «ОДК-Сатурн» в рамках демо-дня ИЦК «Двигателестроение», состоявшегося 12 октября 2023 года в Москве и приуроченного к 15-летию Объединенной двигателестроительной корпорации.

Результаты выполнения проекта получили высокую оценку среди дочерних обществ АО «ОДК» в рамках научно-технического совета АО «ОДК», состоявшегося 8 декабря 2023 года, в ходе которого было принято решение о внедрении разработанной технологии цифрового двойника в процесс выполнения опытно-конструкторских работ по перспективным двигателям М90ФР-25, МД-150, ПД-8В.

«Уникальная, масштабная и очень важная для современного двигателестроения разработка цифрового двойника морского газотурбинного двигателя и редуктора в составе агрегата в интересах ПАО «ОДК-Сатурн» фактически заложила фундаментальную основу для цифровой трансформации отрасли».

Алексей Боровков, проректор по цифровой трансформации СПбПУ, руководитель проекта