Малоразмерный газотурбинный двигатель
По заданию Минобрнауки России специалисты ИЦ ЦКИ разрабатывают методы проектирования и создания малоразмерных газотурбинных двигателей (МГТД) для аддитивного производства.
Для реализации проекта применяются современные методы цифрового проектирования (разработка цифровых двойников изделий и процессов, виртуальные испытания).
1 этап
- Создана геометрическая модель МГТД на основе аналога с применением томографии и 3D-сканирования.
 |
 |
 |
 |
- Разработаны математические модели и проведены расчеты газодинамических процессов, включающие такие части МГТД, как входное устройство компрессора, рабочее колесо компрессора, спрямляющий аппарат компрессора, рабочее колесо турбины, сопловой аппарат, сопло.
Общий вид расчетной области компрессора
 |
 |
 |
 |
 |
 |
|
Поля полного давления в трех сечениях диффузора |
Поля полного давления в трех сечениях спрямляющего аппарата |
 |
|
|
Общий вид расчетной области турбины |
|
 |
 |
|
Поля полного давления в трех сечениях сопловых лопаток турбины |
Поля полного давления в относительном движении в трех сечениях рабочих лопаток турбины |
- Предложены варианты модификации элементов ГТД на основе анализа результатов расчета с использованием аддитивных технологий.
 |
 |
 |
 |
|
Изменение конструкции диффузора компрессора – исходный «прямой» диффузор (сверху) и модифицированный «наклоненный» диффузор (снизу) |
Изменение конструкции спрямляющих лопаток компрессора – исходная «прямая» лопатка (сверху) и модифицированная с удлиненной на периферии хордой (снизу) |
 |
 |
|
Сопло |
|
- Оценка усадки компонентов, изготовленных методом SLM.
Диффузор
 |
 |
 |
 |
||
|
Сопло |
||
2 этап
- Проведена оценка минимального запаса прочности ротора турбины с учетом моделирования теплового состояния ротора в сопряженной CHT (Conjugate Heat Transfer) постановке.
Поле распределения температуры за камерой сгорания
Поле распределения температуры ротора турбины
Конечно-элементная модель ротора турбины
 |
 |
Поле распределения эквивалентных напряжений по Мизесу
- Проведена топологическая оптимизация статора лопаточного аппарата компрессора с целью снижения массы.
|
а) |
б) |
Оптимизированный по массе диффузор:
а) сегмент диффузора; б) CAD-модель
|
а) |
б) |
Оптимизированная конструкция диффузора (3D-визуализация):
а) внешний вид детали; б) внутренняя структура детали
- Получена диаграмма Кэмпбелла с учетом жесткостных характеристик корпуса и опор ротора, с помощью которой были определены критические частоты вращения ротора, необходимые для проведения его балансировки в процессе сборки двигателя.
Ротор МГТД
|
а) |
б) |
|
в) |
|
Конечно-элементная модель ротора и корпуса двигателя:
а) ротор и корпус двигателя, вид в разрезе; б) конечно-элементная модель ротора и корпуса двигателя; в) конечно-элементная модель ротора
|
а) |
|
б) |
|
в) |
Собственные формы ротора при различных модах:
а) 1-я мода; б) 2-я мода; в) 3-я мода
- Проведена оценка собираемости двигателя с использованием напечатанных из пластика деталей.
|
|
 |
Диффузор, изготовленный из пластика методом АТ
 |
 |
 |
|
Общий вид пластикового макета двигателя, изготовленного методом АТ
- Разработан подход по определению долговечности и усталостной прочности элементов МГТД на примере конструкции камеры сгорания.
Конечно-элементная сетка для расчета НДС камеры сгорания
Контрольно-объёмная сетка для моделирования процессов течения газа и горения в камере сгорания
Результаты моделирования распределения температуры в рабочей среде камеры сгорания
Распределение температуры, полученное в результате газодинамического расчета
Поле распределения эквивалентных напряжений по Мизесу
Оценка долговечности конструкции камеры сгорания, количество циклов
Завершающий этап
На третьем этапе проекта была подготовлена РКД для производства МГТД с применением аддитивных технологий.
Произведенный опытный образец прошел валидационные испытания. До конца 2019 года запланирован этап натурных испытаний МГТД, укомплектованного деталями, произведенными по результатам оптимизации.
Целевая группа проекта включает в себя предприятия двигателестроения, в первую очередь – авиационного двигателестроения, такие как ПАО «ОДК-Сатурн», ОАО «Климов», ОАО «Пермский моторный завод», АО «НПЦ газотурбостроения «Салют» и другие.
