Способ создания авиационных двигателей Российский патент 2020 года по МПК G05B17/00 F02K99/00 

Изобретение относится к авиационной промышленности, а именно, к авиационному двигателестроению.

Существующие способы создания авиационных двигателей и их комплектующих систем, их проектирование, испытания и доводка на этапах опытно-конструкторских работ, обеспечение качества в процессе серийного производства, ремонте, сертификации и сервисном обслуживании характеризуются повторяемостью работ, недостаточной информативностью проводимых испытаний, отсутствием сведений по оптимизации характеристик продукта в течение всего жизненного цикла, отсутствием управления ценой и активами, и недостаточным использованием электронной поддержки проводимых работ.

Наиболее полно научно-практические основы способа создания авиационных двигателей, с учетом накопленного богатого опыта разработки уже пяти поколений авиационных газотурбинных двигателей, который являются наиболее близким к предлагаемому, известны из монографии группы авторов:

«Проектирование авиационных газотурбинных двигателей» / Под редакцией профессора A.M. Ахмедзянова, М., Машиностроение, 2000.- с. 433-446. /1/

Известный способ создания авиационных двигателей, включает проведение фундаментальных научно-экспериментальных исследований, обеспечивающих возможность прогноза развития и совершенствования схем и облика двигателей и их комплектующих узлов, топливной гидравлической и электронной автоматики, подшипников, маслосистем, материалов, диагностического оборудования, датчиков, оборудования встроенного контроля и измерений, а также отработки базовых узлов, газогенераторов, двигателей-демонстраторов, проведение опытно-конструкторских работ с выполнением прочностных, газодинамических и иных расчетов, проектирование авиационных двигателей, их электро-топливной автоматики, маслосистем, изготовление и лабораторные испытания наиболее ответственных узлов, изготовление опытных образцов двигателей, проведение прочностных, специальных стендовых и ресурсных испытаний, летных испытаний и проведение сертификационных или государственных испытаний по программе заказчика.

Приведенные известные фундаментальные разработки отечественных авиационных двигателей, несмотря на полученные высокие результаты их практического создания, не лишены приведенных выше недостатков. Практика свидетельствует о нерациональных затратах средств, при их создании, многократной повторяемости и недостаточной эффективности стендовых и специальных ресурсных испытаний, появлении в эксплуатации массовых дефектов и отказов, не проявившихся ранее при стендовых испытаниях и т.п.

Задача изобретения - совершенствование способа создания авиационных двигателей, более полно базирующегося на критерии «Эффективность - стоимость - время» и принципе обеспечения методов и результатов оценки соответствия продукции заданным требованиям.

Ожидаемый результат технический результат - снижение нерациональных затрат и средств, сокращение времени на разработку и создание двигателей, за счет исключения многократной повторяемости испытаний, повышение информативности проводимых испытаний, оптимизация рабочих характеристик продукта и широкое использование программных продуктов математического моделирования для оптимизации параметров двигателей на этапах всего их жизненного цикла.

Ожидаемый результат технический результат достигается тем, что в известном способе создания авиационных двигателей, включающем проведение фундаментальных научно - экспериментальных исследований, обеспечивающих возможность прогноза развития и совершенствования схем и облика двигателей и их комплектующих узлов, топливной гидравлической и электронной автоматики, подшипников, маслосистем, материалов, диагностического оборудования, датчиков, оборудования встроенного контроля и измерений, а также отработки базовых узлов, газогенераторов, двигателей - демонстраторов, проведение опытно-конструкторских работ с выполнением прочностных, газодинамических и иных расчетов, проектирование авиационных двигателей, их электротопливной автоматики, маслосистем, изготовление и лабораторные испытания наиболее ответственных узлов, изготовление опытных образцов двигателей, проведение прочностных, специальных стендовых и ресурсных испытаний, летных испытаний и проведение сертификационных или государственных испытаний по программе заказчика, по предложению, в соответствие с тактико-техническим заданием, создают электронные модели авиационных двигателей, их базовых газогенераторов, топливной и электронной автоматики, маслосистемы, системы диагностики, основных высоконагруженных элементов авиационного двигателя (рабочие лопатки турбины и компрессора, камеры сгорания, элементов горячей части, дисков, валов, подшипников, несущих корпусов) и экспериментальных образцов авиационных двигателей, модели предполагаемой установки на различных типах летательных аппаратов и их реальных условий эксплуатации на полный жизненный цикл, испытывают электронные модели авиационных двигателей, их летательных аппаратов, с учетом имитации реальных условий эксплуатации на полный жизненный цикл до имитации разрушения по основным высоконагруженным элементам авиационного двигателя, а достоверное подтверждение получения заданных ресурсов, показателей надежности, обеспечение соответствия и стабильности основных параметров двигателя в течение всего жизненного цикла (тяга, расход топлива, запасы газодинамической устойчивости и прочности), в том числе, соответствия высотно-скоростным характеристикам, моделирование всех возможных реальных условий эксплуатации как пилотируемых так и беспилотных летательных аппаратов на определение достоверной готовности авиационного двигателя к полноразмерной натурной доводке, проведение полноразмерной натурной доводки с опытно-конструкторскими работами, с учетом ранее полученных результатов электронных испытаний, с выполнением прочностных, газодинамических и иных расчетов, с проектированием авиационных двигателей, их электро топливной автоматики, маслосистем, с изготовлением и лабораторными испытаниями наиболее ответственных узлов, изготовлением и испытаниями опытных образцов двигателей, проведением прочностных, специальных стендовых и ресурсных испытаний, летных испытаний и ресурсных испытаний и проведением сертификационных или государственных испытаний по планируемой программе осуществляют после проведения всех испытаний на их математических моделях, при этом параллельно осуществляют освоение серийного производства, ремонта, сервисного обслуживание в реальных условиях эксплуатации с использованием информационных технологий. Для управления процессом серийного производства, ремонтом и сервисным обслуживанием в эксплуатации на полный жизненный цикл, используют информационные технологии, интегрированные в электронные системы в проектировании, в электронные системы в конструкторской и технологической документации и электронные технические руководства по эксплуатации с иллюстрированными электронными каталогами запасных частей, а на предприятиях авиационной отрасли осуществляют внедрение программных систем, реализующих основные электронные технологии по управлению проектами, управлению данными об изделии, управлению изменениями производственных структур, управлению качеством, управлению ценой, ресурсами и активами в течение всего жизненного цикла и осуществляют контроль за сохранением интеллектуальных прав.

С появлением мощной и компактной компьютерной техники практически с неограниченным объемом памяти для программирования, обработки, хранения и передачи данных, создание высокоточных программ расчета и прогнозирования реального состояния сложных инженерно-технических систем с встроенным высоким уровнем безопасности, автоматизации управления и диагностирования реальных ситуаций, требует пересмотра отношения к перспективным методам моделирования, расчетным методам проектирования и испытаниям.

В частности, предусматривается проектирование конструкторской и технологической документации в электронном виде с использованием геометрических моделей и электронных макетов, разработка методик математического моделирования (испытаний установок, газогенераторов, полноразмерных двигателей), проектирование осуществляется на заданную себестоимость, передача электронной конструкторской документации и взаимодействие с предприятиями-изготовителями осуществляется на единой информационной платформе.

Однако, несмотря на прогрессивность и практическую значимость проводимых изменений по совершенствованию методологии создания современных авиационных газотурбинных двигателей, их явно не достаточно с учетом научно-технических возможностей настоящего времени.

Необходимо реализовать на практике более совершенный способ создания авиационных двигателей, более полно базирующейся на критерии «Эффективность - стоимость - время» и принципе обеспечениянезависимости методов и результатов оценки соответствия продукции заданным требованиям.

Для обеспечения этих условий необходимо реализовать комплекс организационно-правовых, экономических и научно-технических мероприятий, включающих:

- разработку новых организационно-правовых и экономических принципов создания конкурентоспособных образцов авиационных двигателей, базирующихся на основных положениях современного технического регулирования;

- исследование зарубежного опыта по совершенствованию методологии создания авиационных двигателей и их комплектующих систем, определение направлений развития расчетных и испытательных программ и систем прогнозирования состояния авиационных двигателей.

- разработку условий для создания конкурентоспособного изделия с заданной стоимостью, с учетом полного жизненного цикла и в заданные сроки, и, при этом, должны быть сняты избыточные требования, дублирование и противоречивость требований, сокращен объем избыточных неинформативных и отдельных избыточных дорогостоящих видов летных, стендовых и лабораторных испытаний, с заменой их на достоверное моделирование, превентивную диагностику, гарантированно обеспечивающими необходимый уровень безопасности.

Вначале необходимо разработать научно-обоснованную методологию создания конкурентоспособных двигателей и их комплектующих систем на полный жизненный цикл.

Создание авиационных двигателей должно начинаться с математического моделирования, а затем должен осуществляется переход к реальному проектированию. Для этого необходимо создать: - новые подходы при проектировании, испытаниях, производстве, ремонте, эксплуатации, сертификации, контроле соответствия, с обеспечением электронной поддержки с течение всего жизненного цикла;

- систему использования интегрированных электронных систем организации и управления серийным производством, применения электронной конструкторской и технологической документации, электронных технических руководств по эксплуатации с иллюстрированными электронными каталогами запасных частей на базе IT-технологий;

- порядок внедрения основных компонентов информационной поддержки процессов жизненного цикла изделий на предприятиях авиационной отрасли, включающих, разработки и внедрение программных систем, реализующих основные IT-технологии: управление проектами, управление данными об изделии, управление конфигурацией изделия, управление изменениями производственных и государственных структур, управление информационными потоками и потоками работ, управление качеством и др.;

- порядок внедрения электронного проектирования, электронного моделирования, плавный адаптивный переход к преимущественно расчетным методам проектирования, поэтапной оптимизации соотношения расчетных, натурных и полунатурных испытательных работ, включая опережающие лидерные стендовые циклические и летные испытания и испытания электронных моделей, двигателей-демонстраторов, поузловую доводку (базовых газогенераторов, ключевых систем и узлов и т.п.);

- условия применения перспективных конструкций авиационных двигателей, материалов, покрытий, обработки, включая аддитивные технологии, уменьшения количества полноразмерных двигателей, используемых при стендовой доводке в процессе выполнения ОКР; - условия внедрения прогрессивного сервисного обслуживания в эксплуатации, соответствующего современным требованиям к срокам предполетной подготовки и уровню эксплуатационной исправности.

Основными отличительными особенностями предложенного способа создания авиационных двигателей являются:

- всеобъемлющая оптимизация продукта, управление ценой, ресурсами и активами, контроль за сохранением интеллектуальных авторских прав, взаимоотношений с потребителями и риск - разделенным партнерством, при этом должны производиться совместные расчеты затрат на обеспечение стоимости этапов жизненного цикла Генерального Заказчика и Генерального конструктора;

- правовая защита результатов интеллектуальной деятельности.

- нормы прочности для создаваемых двигателей не должны быть неизменными и перестраховочными и должны определяться Генеральными разработчиками и отраслевыми институтами с подтверждением электронным моделированием, испытаниями электронных моделей и натурными испытаниями узлов и деталей двигателей и учитывать накопленный опыт по ранее созданным двигателям.

Авторами в рамках предложения предлагается:

- пересмотреть затратные и недостаточно информативные подходы в существующей методологии создания авиационных двигателей и в проведении их опытно-конструкторских работ.

- пересмотреть использование преимущественно расчетных и информативных методов электронного прочностного, газодинамического, аэродинамического и иного моделирования, а также испытаний высокоточных электронных моделей основных деталей, узлов и экспериментальных образцов авиационных двигателей на полный жизненный цикл и ресурс до имитации разрушения, над традиционно используемыми преимущественно экспериментальными методами создания.

- создать высокоточные электронные модели реальных условий эксплуатации, а также и материальных объектов: высокоточных электронных моделей базовых генераторов, основных узлов и электронных моделей авиационных двигателей и их летательных аппаратов на полный жизненный цикл, испытаний указанных высокоточных электронных моделей на заданные ресурсы и основные технические данные.

Результативность и сроки доводки в основном сдерживают традиционно высоконагруженные основные элементы и узлы авиационных двигателей, такие как, рабочие лопатки турбины и компрессора, элементы горячей части, диски, валы, подшипники, несущие корпуса, материалы и покрытия. По данной причине сдерживается и достижение основных параметров двигателя в течение заданного жизненного цикла и ресурса (тяга, расход топлива, запасы газодинамической устойчивости и прочности), в том числе, соответствие высотно-скоростных характеристик. Попытки сочетания прочностной доводки на натурных экземплярах двигателей и достижений основных характеристик, этапами по ресурсам, без начального учета стоимости всего жизненного цикла практически всех созданных поколений двигателей, приводили к существенным затратам, недостаточной надежности и качеству двигателей, авариям и катастрофам.

В этой связи, в предложении является необходимым условием проведение совместных испытаний электронных моделей авиационных двигателей, летательных аппаратов и условий эксплуатации по подтверждению заданных ресурсов, обеспечению соответствия и стабильности основных параметров двигателя в течение заданного жизненного цикла и ресурса (тяга, расход топлива, запас газодинамической устойчивости и прочности), в том числе, соответствия высотно-скоростных характеристик.

Пример.

Способ реализован при разработке газотурбинного двигателя Типа модификации АЛ-31. При разработке использован принцип создания конкурентоспособных авиационных двигателей, выраженный критерием оценки завершенных этапов, таким как «Эффективность, стоимость, время».

При реализации способа использована система автоматического управления, которая содержит программы и алгоритмы с типовыми контурами управления, определяющими величины воздействия на регулирующие факторы двигателя и его систем, поступающих от датчиков измеряющих параметры. Система автоматического управления включала в себя встроенное программное обеспечение «виртуальный двигатель», полную термогазодинамическую математическую модель газотурбинного двигателя.

Система автоматического управления позволила на всех этапах разработки двигателя выделить сведения, обеспечивающие установление схемы и облика двигателя и его комплектующих узлов, топливной гидравлической и электронной автоматики, подшипников, маслосистем, материалов, диагностического оборудования, датчиков, оборудования встроенного контроля и измерений, а также отработки базовых узлов, газогенераторов, двигателей - демонстраторов. Программное обеспечение «виртуальный двигатель» содержало полную термогазодинамическую и прочностную математическую модель, представляющую собой комплексную имитационную модель рабочего процесса, разработанную применительно к конкретному авиационному двигателю (т.е. полная модель двигателя, виртуальный двигатель), для расчета в реальном режиме времени значений недоступных для измерения параметров - внутренних параметров рабочего процесса и эксплуатационных характеристик двигателя, таких как тяга R двигателя, температура Т*Г газа в камере сгорания, запасы газодинамической устойчивости ΔКук компрессора высокого давления (КВД), запасы ΔКув газодинамической устойчивости компрессора низкого давления (КНД), запас ΔКупс газодинамической устойчивости подпорной ступени КНД, температура газа Тг в камере сгорания, коэффициент α_ОКС избытка воздуха в основной камере сгорания, коэффициент (α_ФКС избытка воздуха в форсажной камере сгорания, температура Ti, давление Pi и расход Gi воздуха (газа) в основных сечениях двигателя.

Кроме расчета неизмеряемых параметров двигателя в реальном масштабе времени, блоки идентификации, осуществляли непрерывную идентификацию модели путем сравнения измеряемых и расчетных параметров двигателя и воздействия на исходные данные и характеристики узлов модели, системы компенсации отказов датчиков и соответствия измеряемых параметров двигателя (n_K, n_B, Tт, Рк) и внешних параметров (Твх, Рвх), на входе в двигатель. Система также позволяла выполнить прочностные, газодинамические и иные расчеты необходимые при проектировании авиационных двигателей, их электро - топливной автоматики, маслосистем. В соответствии с требованиями проводили изготовление и лабораторные испытания наиболее ответственных узлов и опытных образцов двигателей. Проводили прочностные, специальные стендовые, ресурсные и летные испытания, а также проводили сертификационные или государственные испытания по программе заказчика.

В соответствие с предложением, с учетом тактико-технического задания, создавали электронные модели авиационных двигателей, их базовых газогенераторов, топливной и электронной автоматики, маслосистемы, системы диагностики, рабочих лопаток турбины, компрессора, камеры сгорания, элементов горячей части, дисков, валов, подшипников, несущих корпусов. Изготавливали экспериментальные образцы авиационных двигателей, модели предполагаемой установки на различных типах летательных аппаратов и создавали для них реальные условия эксплуатации на полный жизненный цикл. Испытывали электронные модели авиационных двигателей, их летательных аппаратов, с учетом имитации реальных условий эксплуатации на полный жизненный цикл до имитации разрушения по основным высоконагруженным элементам авиационного двигателя. Достоверное подтверждение получения заданных ресурсов, показателей надежности, обеспечение соответствия и стабильности тяги, расхода топлива, запаса газодинамической устойчивости и других основных параметров двигателя в течение всего жизненного цикла, в том числе, соответствия высотно-скоростным характеристикам, моделировали все возможные реальные условия эксплуатации как пилотируемых так и беспилотных летательных аппаратов на определение достоверной готовности авиационного двигателя к полноразмерной натурной доводке. Проводили полноразмерную натурную доводку, с учетом ранее полученных результатов электронных испытаний на их математических моделях, с выполнением прочностных, газодинамических и иных расчетов, с проектированием авиационных двигателей, их электро-топливной автоматики, маслосистем, с изготовлением и лабораторными испытаниями наиболее ответственных узлов, с изготовлением и испытаниями опытных образцов двигателей, проведением прочностных, специальных стендовых и ресурсных испытаний, летных испытаний и ресурсных испытаний. После чего проводили сертификационные или государственные испытания по планируемой программе, при этом параллельно осуществляли освоение серийного производства, ремонта, сервисного обслуживания в реальных условиях эксплуатации с использованием информационных технологий.

На всех этапах создания авиационных двигателей сравнивали получаемые результаты по известному и предложенному способу создания с учетом критерия оценки завершенных этапов «Эффективность, стоимость, время». Полученные результаты показывают, что применение предложенного способа создания авиационных двигателей позволяет сократить сроки создания двигателей до 30-40%, уменьшить до 20-30% стоимость опытно-конструкторских работ с одновременным повышением качества создаваемых образцов, снизить до 25-35% стоимость жизненного цикла авиационных двигателей.

Изобретение относится к авиационной промышленности, а именно к авиационному двигателестроению. Разработан способ оптимизации создания авиационных двигателей с широким использованием современных IT-технологий и достоверного электронного моделирования («виртуального двигателя»), использования плавного адаптивного перехода преимущественно к расчетным методам проектирования, поэтапной оптимизации соотношения расчетных, натурных и полунатурных испытательных работ. Предложенный способ позволяет создавать авиационный двигатель с учетом критерия оценки завершенности этапов «Эффективность, стоимость, время» с сокращением сроков создания двигателей до 30-40%, уменьшением до 20-30% стоимости опытно-конструкторских работ с одновременным повышением качества создаваемых образцов, снижением до 25-35% стоимости жизненного цикла авиационных двигателей. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ по совершенствованию методологии создания авиационных двигателей, включающий проведение фундаментальных научно-экспериментальных исследований, обеспечивающих возможность прогноза развития и совершенствования схем и облика двигателей и их комплектующих узлов, топливной гидравлической и электронной автоматики, подшипников, маслосистем, материалов, диагностического оборудования, датчиков, оборудования встроенного контроля и измерений, а также отработки базовых узлов, газогенераторов, двигателей - демонстраторов, проведение опытно-конструкторских работ с выполнением прочностных, газодинамических и иных расчетов, проектирование авиационных двигателей, их электротопливной автоматики, маслосистем, изготовление и лабораторные испытания наиболее ответственных узлов, изготовление опытных образцов двигателей, проведение прочностных, стендовых и ресурсных испытаний, летных испытаний и проведение сертификационных или государственных испытаний по программе заказчика, отличающийся тем, что для совершенствования методологии создания авиационных двигателей используется плавный адаптивный переход преимущественно к расчетным методам проектирования, поэтапной оптимизации соотношения расчетных, натурных и полунатурных испытательных работ, с учетом критерия оценки завершенности этапов "Эффективность, стоимость, время", с сокращением сроков создания двигателей до 30-40%, уменьшением до 20-30% стоимости опытно-конструкторских работ с одновременным повышением качества создаваемых образцов, снижением до 25-35% стоимости жизненного цикла авиационных двигателей, достоверного электронного моделирования "виртуального двигателя" в соответствии с тактико-техническим заданием, создают достоверные электронные модели авиационных двигателей, их базовых газогенераторов, топливной и электронной автоматики, маслосистемы, системы диагностики, основных высоконагруженных элементов авиационного двигателя и экспериментальных образцов авиационных двигателей, модели предполагаемой установки на различных типах летательных аппаратов и их реальных условий эксплуатации на полный жизненный цикл, испытывают электронные модели авиационных двигателей, их летательных аппаратов, с учетом имитации реальных условий эксплуатации на полный жизненный цикл до имитации разрушения по основным высоконагруженным элементам авиационного двигателя, а достоверное подтверждение получения заданных ресурсов, показателей надежности, обеспечение соответствия и стабильности основных параметров двигателя в течение всего жизненного цикла, в том числе, соответствия высотно-скоростным характеристикам, моделирование всех возможных реальных условий эксплуатации как пилотируемых, так и беспилотных летательных аппаратов на определение достоверной готовности авиационного двигателя к полноразмерной натурной доводке, проведение полноразмерной натурной доводки с опытно-конструкторскими работами, с учетом ранее полученных результатов электронных испытаний, с выполнением прочностных, газодинамических и иных расчетов, с проектированием авиационных двигателей, их электротопливной автоматики, маслосистем, с изготовлением и лабораторными испытаниями наиболее ответственных узлов, с изготовлением и испытаниями опытных образцов двигателей, проведением прочностных, специальных стендовых и ресурсных испытаний, летных испытаний, и ресурсных испытаний, и проведением сертификационных или государственных испытаний по планируемой программе, осуществляют после проведения всех испытаний на их математических моделях.

2. Способ создания авиационных двигателей по п. 1, отличающийся тем, что для управления процессом серийного производства, ремонтом и сервисным обслуживанием в эксплуатации на полный жизненный цикл используют информационные технологии, интегрированные в электронные системы в проектировании, в электронные системы в конструкторской и технологической документации и электронные технические руководства по эксплуатации с иллюстрированными электронными каталогами запасных частей.

3. Способ создания авиационных двигателей по п. 1, отличающийся тем, что в качестве основных высоконагруженных элементов авиационного двигателя создают электронные модели рабочих лопаток турбины и компрессора, камеры сгорания, дисков, валов, подшипников и несущих корпусов.

4. Способ создания авиационных двигателей по п. 1, отличающийся тем, что в качестве основных параметров двигателя, достоверное подтверждение достижения которых в заданных ресурсах и обеспечение их соответствия и стабильность в течение всего жизненного цикла используют, по меньшей мере, тягу, расход топлива, запас газодинамической устойчивости.