Инициативные разработки ЦИАМ: программы сопряженного расчета воздушной системы и теплового состояния ГТД

Одной из самых трудоемких составляющих процесса проектирования газотурбинных двигателей (ГТД), несмотря на высокую производительность современных компьютеров, до сих пор остаются расчеты нестационарного теплового состояния основных деталей и узлов. Облегчить труд конструкторов помогают программы сопряженного расчета воздушной системы и теплового состояния ГТД, созданные в Центральном институте авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского»).

«Их разработка началась еще 40 лет назад, когда я только пришел в ЦИАМ, – говорит автор программного продукта, главный научный сотрудник отделения «Авиационные двигатели». – Не хватало простого и надежного в использовании инженерного инструмента для расчета вторичной воздушной системы и теплового состояния конструкции ГТД, особенно в условиях изменяющейся проектируемой «геометрии». Сложность была в том, что эти расчеты очень комплексные, ресурсоемкие – требуется смоделировать большой набор режимов, пока не найдется оптимальное решение».

В конце 1990-х годов в отечественной промышленности получил распространение метод А.Ф. Слитенко, основанный на математическом моделировании воздушной системы как набора элементарных гидравлических сопротивлений, где для каждого сопротивления решается одномерная задача газодинамики. Но такой метод может привести к ошибкам в расчете течений закрученного потока вдоль диска ротора ГТД при отличии окружных скоростей потока и диска. На практике это вынуждало ОКБ дополнять процесс проектирования 3D-расчетами посредством коммерческих кодов.

Предложенное решение базируется на разработанном специалистом ЦИАМ методе моделирования теплового состояния охлаждаемых турбин. Созданный на его основе программный продукт, состоящий из модулей расчета воздушной системы ГТД (HYDSAS) и сопряженного теплового состояния деталей ГТД (TEPDISK), предусматривает решение задачи течения закрученного потока в околодисковых полостях.

Предлагая комплексное решение, новый инструмент существенно ускоряет процесс: если расчет воздушной системы в трехмерной постановке коммерческими кодами занимает два месяца (подготовка модели, проведение расчетов, анализ результатов), то программа делает его в режиме реального времени.  

Проект стал одним из победителей конкурса на создание результатов интеллектуальной деятельности (РИД), проведенного ЦИАМ впервые в истории института в 2022 году. Цель конкурса – мотивировать сотрудников на создание перспективных разработок, востребованных не только ЦИАМ, но и ОКБ, предприятиями авиа- и газотурбостроения, аэрокосмической и атомной отраслей. Еще одна цель – это импортозамещение иностранных программ. В рамках конкурса РИД 2022 года 13 проектов-победителей, разработанных сотрудниками ЦИАМ в инициативном порядке, получили финансирование из бюджета инвестиций института.

За прошедший год программный продукт прошел тестовые испытания и успешно зарекомендовал себя в сравнении с методами трехмерного моделирования, применяемыми в промышленности. Он уже используется в российских авиастроительных ОКБ, позволяя с высокой производительностью и точностью рассчитывать вторичную воздушную систему и нестационарное тепловое состояние конструкции на стадии проектирования и доводки. В планах ЦИАМ – разработать учебный вариант ПО для вузов.