Лекция№1

Лекция №1. Введение. Основные этапы развития

методологии проектирования газотурбостроения.

Под методологией проектирования понимается совокупность знаний в широкой области инженерных дисциплин, а так же математический аппарат, с помощью которого решается проектно - конструкторские работы.

Методология проектирования включает в себя следующие аспекты:

• методические,

• организационные,

• техническое обеспечение.

Методологическое обеспечение – это совокупность методик расчёта и теоретических описания предметной области.

Для ГТД оно состоит из большего количества методик термогазодинамических, прочностных расчётов как двигателя в целом, так и их элементов. КБ располагают огромным запасом таких методик и постоянно их, совершенствуют, увеличивая как их число, так и глубину описания процесса. Следует отметить, что методики отражают специфику проектируемых двигателей и они не всегда применимы к другим двигателям. Методология проектирования постоянно совершенствуется в соответствии накопленным опытом производства и эксплуатации ГТД, повышения и расширения требований к объекту проектирования.

Историю развития методологии проектирования можно разделить на три этапа:

Первый этап начинается с первых отечественных разработок ГТД в 30-е г. и заканчивается с окончанием Великой Отечественной войны. Этот этап характеризуется недостаточностью методического и технического обеспечения. Именно это время являлось становлением методологии проектирования. На этом этапе широко использовался накопленный опыт по созданию авиационных поршневых двигателей и ГТУ.

В качестве примера созданных на первом этапе разработок можно привести следующие:

1936г. - проект ТВД с Nе=1150 л.с., авторы Уваров и Востриков.

1940 г. - технический проект РД-1 с Р=500 кГ, автор А.М. Люлька.

Начало 2-го этапа развития методологии проектирования приходится на конец 40х и начало 50х г. г., когда появились 1-ые отечественные серийные ГТД РД-10 и РД-20 (МиГ-9, ИЛ-28).

В ЦИАМе и ОКБ проводятся исследования основных узлов ГТД, уточняются расчеты характеристик компрессоров и турбин появляются сначало проекты, а затем и двигатали РД-45, РД-500, АЛ-3, АМ-3.

Бурное развитие реактивных двигаталей, расширение диапазона эксплуатации как по скорости полета, так и по области применения, потребовала совершенствования математических моделей агрегатов, в том числе воздухозаборника и сопла.

До 60х г.г. математичекие модели были простыми из-за ограниченной возможности выполнения сложных расчетов. Сложные явления разделялись на более простые, а некоторые, как напремер вязкость, не рассматривались.

В результате исследования сложных явлений производились с помощью физического эксперимента, т.е. требовали больших затрат труда и материальных средств.

Третий этап развития методологии проектирования связан в основном с революционным изменением в организационном и техническом обеспечении, т.е. с широким внедрением ЭВМ и численных методов. Это качественно повлияло на методоческое обеспечение, так как появилась возможность учета влияния большого числа факторов и оптимизации самих расчетов.

Серьезные изменения произошли в организационном обеспечении. Возрастающая сложность решаемых проблем, ужесточение требований по надежности и ресурсу, стоимости разработки, потребовали специальных организационных мероприятий, чтобы обеспечить успешную разработку нового изделия в установленное время. Одно из таких мероприятий – накопление опережающего научно-технического и конструкторского задела.

Для методического обеспечения на 3-м этапе характерно «насыщение», которое появляется как по горизонтали, т.е. увеличение числа методик не дает существенного уточнения результатов, так и по вертикали, т.е. усложнение моделей 2D, 3D течения также не дает существенного уточнения результатов.

История ГТД относительно коротка, ей всего 5 десятилетий. За это время во всем мире создано не более 100 базовых ГТД, а их различных модификаций - несколько сотен. В процессе проектирования ГТД используются накопленные за последние годы знания в области фундаментальных и прикладных наук, но наука о проектировании ГТД не является простой суммой накопленных знаний. Специфика методов и приемов проектирования позволила сформироваться теории проектирования ГТД со своими исходными позициями, законами и теориями.

На первом этапе становлении теории и практики проектирования новый двигатель создавался практически на «пустом» месте, без каких-либо природных параметров.

Второй этап (50-70 г.г.) характеризуется широким использованием традиционных для всех видов техники приемов проектирования основных методах подобия и копирования, т.е. методов прототипов. За этот период создано большое количество как зарубежных, так и отечественных двигателей. Накопление опыта эксплуатации новых конструктивных узлов, научных знаний позволяло улучшать характеристики двигателя при сравнительно небольших затратах. Этот этап не смог ввести существенных сдвигов в области проектирования. Философия подражания – это научное планирование отставания.

Третий этап характеризуется бурным ростом использования методов оптимального проектирования толчком, которого послужило широкое внедрение ЭВМ и САПР.

История и современное состояние автоматизированного

проектировании авиационных двигателей

Проектирование такого сложного технического объекта, каким является газотурбинный двигатель, всегда осуществлялось с макси­мальной по возможности автоматизацией всех аспектов процесса. Исторически процесс проектирования всегда сопровождался парал­лельным созданием различных систем автоматизированного проекти­рования. Первые этапы автоматизации можно соразмерить с малой механизацией в производстве, так как они обеспечивали только ку­сочную автоматизацию, и по уровню могли быть только прообразом сегодняшних информационных технологий.

Первые попытки применения ЭВМ для проектирования лета­тельных аппаратов за рубежом были предприняты еще в пятидесятых годах. Однако из-за несовершенства технических средств и про­граммного обеспечения существенных результатов в то время дос­тичь не удалось. Возрождение интереса к разработке и использова­нию комплексных систем автоматизированного проектирования на­метилось при появлении ЭВМ второго поколения и развитых уст­ройств для ввода-вывода графической информации. В процессе создания систем автоматизированного проектирования авиационных ГТД просматриваются три основных этапа.

На первом этапе, охватывающем шестидесятые годы, ЭВМ ис­пользовались главным образом в качестве больших арифмометров для решения отдельных трудоемких задач по расчету параметров и характеристик. Во второй половине 60-х годов появились ЭВМ третьего поколения, снабженные операционными системами, которые обеспечивали работу ЭВМ не только в режиме пакетной обработки, но и в режиме разделения времени. Появились достаточно совершен­ные периферийные устройства, которые включали в себя средства ввода-вывода графической информации (графопостроители, коорди­натографы, дисплеи и т.д.). Поэтому появилась возможность даль­нейшего развития систем.

На этом этапе основная задача при разработке каждой из САПР заключалась скорее в максимальном использовании и адаптации имевшегося у каждой фирмы пакета прикладных программ инженер­ных расчетов, чем в создании системы, обладающей динамичным банком данных (БД) и гибкой операционной системой управления процессом взаимодействия отдельных модулей (составляющих про­грамм). Реализация возможности работы человека в режиме диалога с ЭВМ позволила вплотную приступить к комплексной автоматизации процесса проектирования, т. е. к разработке развитых САПР.

На втором этапе произошел переход от автоматизации решения отдельных задач к автоматизации достаточно крупных проектных процедур, в ряде случаев - этапов проектирования в целом. Получили значительное развитие такие направления, как автоматизация чер­тежно-графических работ, различных информационных процедур (хранения, поиска и обработки информации), управления ходом про­ектирования.

В процессе эксплуатации подобные системы показали хорошие возможности в смысле сокращения сроков проектирования и повы­шения качества объектов проектирования. Успех стимулировал даль­нейшее развитие процесса автоматизации проектирования и способ­ствовал появлению новых тенденций.

Отличительными чертами третьего этапа создания САПР явля­ются:

• переход к автоматизации всего процесса проектирования в це­лом;

• обеспечение взаимосвязи между САПР и другими автоматизи­рованными системами, обеспечивающими расчеты, разработку, изго­товление и т.п.;

• обеспечение возможности адаптации системы к объекту проек­тирования и развития ее в процессе эксплуатации;

• широкое использование диалоговых режимов работы, проце­дур коллективного проектирования;

• развитие новой методологии проектирования, ориентирован­ной на сквозном применении средств автоматизации в рамках интег­рированных САD/САМ/САЕ - систем.

Разработка и внедрение САПР - это сложный процесс, при ко­тором приходится решать как технические, так и организационные (в некотором смысле - даже социальные) проблемы. Как должна произ­водиться разработка САПР - специально созданными подразделе­ниями или необходимые для САПР блоки должны разрабатываться в рамках существующей организации? Какое подразделение фирмы должно взять на себя обязанности руководителя процессом создания САПР? На каком уровне административного руководства начинается разработка комплексных программ, и каково вообще отношение ад­министрации к созданию и использованию САПР? Как должен быть организован процесс принятия решений при внедрении САПР (т.е. какую часть этапа принятия решений можно автоматизировать, и ка­кие решения должен принимать человек)? Ответить на все эти вопро­сы весьма не просто. К настоящему времени САПР авиационных ГТД широко разра­батываются и используются как у нас в стране, так и за рубежом.

В качестве примера можно привести сведения о системе IPAD. Система имеет открытую для расширения модульную структуру, содержит программы оптимизации, банк данных, управляющую программу. Имеется возможность вмешательства в процесс автоматизированного проектирования на любой его стадии. По предварительным оценкам система IPAD должна на 25% уменьшить стоимость и вдвое - время проектирования самолета.

IPAD автоматизирует все этапы проектирования - от формиро­вания технического задания до рабочего проектирования.

Представляет интерес система автоматизированного проектирования LPWT (система автоматизированного проектирования двига­теля, учитывающая взаимосвязи ресурса, характеристик и массы). Система предназначена для решения задач II и III этапов программы LUCJD (программа проектирования двигателей с учетом обеспечения ресурса в реальных условиях эксплуатации). В этой системе анализи­руется четыре элемента двухвального ТРДДФ со смешением потоков: первая ступень многоступенчатого вентилятора, первая и предпо­следняя ступени компрессора, одноступенчатая турбина высокого давления, турбина низкого давления, которая имеет одну или две ступени. В результате оптимизации в системе LPWT определяются параметры процесса и размеры двигателя, Оптимизируются десять конструктивных параметров различных узлов двигателя: число сту­пеней, окружные скорости и др. Последующая оптимизация системы самолет - двигатель включает определение удельной загрузки на крыло, тяговооруженности самолета и параметров двигателя - степе­ни двухконтурности, степени повышения давления, температуры газа перед турбиной (на взлетном режиме). В системе LPWT возможен выбор 5-6 конструктивных решений замковых соединений и дисков. Параметры замкового соединения определяют условия для проектирования диска. Размеры диска определяются из условия минимальной массы при выполнении требований по ресурсу в заданных условиях эксплуатации. Критерием оптимизации является полная взлетная масса самолета. В результате оптимизации массы самолета опреде­ляются оптимальные параметры двигателя и его узлов. Целью про­граммы ВВС США LUCJD является разработка и демонстрация ме­тодологии проектирования двигателей, сбалансированных по показа­телям назначения и ресурса. Эта методология будет применена при проектировании перспективных двигателей. В настоящее время ряд результатов программы LUCJD используется фирмой Пратт-Уитни.

Эффективность использования САПР при проектировании и из­готовлении просматривается на таких примерах. Широкофюзеляж­ный транспортный самолет "Боинг-747" был создан за 3 года (вместо обычных 7-10 лет) благодаря широкому использованию САПР лета­тельного аппарата и машинно-ориентированных методов проектиро­вания, а также сетевых методов планирования и управления, автома­тизации и механизации проектно-конструкторских, технологических и других видов работ. Фирма "Локхид" с помощью САПР сократила время эскизного проектирования самолета в К) раз, а фирма "Дайна-микс" сократила длительность конструирования самолета в 4 раза. Например, применение системы AESOP на фирме "Боинг" позволило сократить сроки проектирования и отработки конструкции самолетов в 6 раз. Выпуск чертежей при этом осуществляется чертежными ав­томатами, управляемыми от ЭВМ.