Данный проект был просмотрен 147 раз

Цифровые двойники газовых турбин

Проект:
Разработка технических решений и прототипов устройств – камера сгорания, компрессор низкого давления для создания конкурентоспособных газовых турбин мощностью 25 МВт для газоперекачивающих агрегатов на основе цифровых двойников разрабатываемых устройств
Заказчик:
Минобрнауки России (ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно- технологического комплекса России на 2014-2020 годы»)
Руководитель проекта:
Боровков А.И., проректор по перспективным проектам СПбПУ, руководитель Центра НТИ СПбПУ
Руководитель проекта:
Боровков А.И., проректор по перспективным проектам СПбПУ, руководитель Центра НТИ СПбПУ

Источник финансирования: ФЦП Министерства образования и науки Российской Федерации «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы»

Программное мероприятие: 1.3 Проведение прикладных научных исследований и разработок (ПНИЭР), направленных на создание продукции и технологий

Уникальный идентификатор проекта: RFMEFI60819X0275

Соглашение о предоставлении гранта в форме субсидии № 075-15-2019-1710 от 2 декабря 2019 года (внутренний номер 05.608.21.0275)

Получатель субсидии: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» (СП6ПУ)

Исполнитель ПНИЭР: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» (СПбПУ), Инжиниринговый центр «Центр компьютерного инжиниринга» (ИЦ «ЦКИ») СПбПУ

Индустриальный партнер: ОКБ им. А. Люльки (ПАО «ОДК-УМПО»)

Инженеры Центра компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) СПбПУ «Новые производственные технологии» завершают проект по разработке глобально конкурентоспособных газовых турбин мощностью 25 МВт для газоперекачивающих агрегатов.

Задачей проекта стала разработка технических решений и прототипов устройств – камеры сгорания (КС) и компрессора низкого давления (КНД) – для создания газовых турбин со снижением выбросов СО и NOx на выходе из КС до уровня 25–30 PPM, а также повышением КПД КНД на 1–2% с сохранением запасов устойчивости. Разработка велась с применением технологии цифровых двойников (Digital Twins) объектов и процессов.

Ранее в рамках работ с АО «Казанское моторостроительное производственное объединение» (КМПО) и АО «ОДК-Климов» решались аналогичные задачи по расчетам характеристик компрессоров, разработке мероприятий по снижению эмиссии в КС и созданию цифровых двойников двигателей НК-38СТ и ТВ7-117СТ.

Схема и результаты многопараметрической оптимизации профильной части КНД

Распределение полей чисел Маха в среднем сечении исходного и оптимизированного КНД

Визуализация влияния антивибрационных полок на структуру потока в КНД

В результате реализации всего проекта:

  1. Разработан виртуальный испытательный стенд (ВИС) КНД, проведены виртуальные испытания исходной конструкции КНД с целью определения его аэродинамических характеристик, теплового и напряженно-деформированного состояний.
  2. Разработан ВИС КС, проведены виртуальные испытания исходной конструкции КС с целью определения ее газодинамического и теплового состояний с учетом процессов горения, а также эмиссии вредных веществ.
  3. Проведена валидация разработанных ВИС по экспериментальным данным, показана удовлетворительная сходимость виртуальных и натурных экспериментов.
  4. Проведена многопараметрическая оптимизация профильной части КНД с размерностью оптимизационной задачи более 100 варьируемых параметров. В результате эффективность компрессора повышена на 2,6% при сохранении параметров рабочего режима, массогабаритных и прочностных характеристик, а также запасов газодинамической устойчивости.
  5. Проведена численная доводка конструкции КС для снижения эмиссии СО и NOx до уровня 30 ppm при сохранении массогабаритных и прочностных характеристик.
  6. Разработана эскизная рабочая конструкторская документация на оптимизированные конструкции КНД и КС.

Распределение поля скоростей в среднем сечении горелочного отсека КС

Распределение поля скоростей в среднем сечении оптимизированной КС

Для проведения расчетов, связанных с виртуальными испытаниями цифровых двойников изделий, в рамках проекта использовались вычислительные ресурсы Суперкомпьютерного центра «Политехнический». Всего было проведено около 300 виртуальных испытаний, каждое из которых обрабатывалось ~12 часов на 280 ядрах СКЦ (суммарно ~1 млн ядро-часов).

Всего за 11 месяцев проекта выполнены следующие работы:

  • сопряженное моделирование аэродинамики, теплового состояния КНД в трехмерной постановке;
  • детальное моделирование характеристик компрессора с учетом радиальных зазоров, отборов, надроторных устройств и антивибрационных полок;
  • автоматическое построение характеристики компрессора на базе массива CFD-расчетов;
  • параметрическая оптимизация КНД и КС.

По результатам исследования более 500 вариантов КНД получены принципиально новые результаты, демонстрирующие положительное влияние антивибрационных полок на запас газодинамической устойчивости трансзвуковых компрессорных ступеней. Разработана программа для модификации лопаточного аппарата осевого компрессора, получено авторское свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Визуализация перебора переменных по ходу оптимизации

«Снижение потерь кинетической энергии в условиях сверхзвукового обтекания профилей лопаток КНД достигнуто за счет применения неканоничной формы профиля, с существенными отгибами входной и выходной кромки, – прокомментировал исполнитель проекта в части оптимизации КНД, ведущий инженер отдела кросс-отраслевых технологий Центра НТИ СПбПУ Михаил Живирихин. ­– В данном профиле реализуется более плавное торможение потока, изменение локации скачка уплотнения вглубь межлопаточного канала и разбиение его на систему менее интенсивных по сравнению с исходной конструкцией скачков».

Также проведены работы по валидации и доводке горелочного модуля камеры сгорания как в составе одногорелочного отсека, так и полноразмерной КС. Исследовано более 40 вариантов КС, получено расчетное снижение эмиссии вредных веществ как минимум на 35% от исходного варианта конструкции КС.

Ответственный исполнитель проекта, начальник сектора газотурбинных двигателей отдела кросс-отраслевых технологий Центра НТИ СПбПУ Алексей Тихонов: «Исходная камера сгорания разработки ОКБ им. Люльки представляет собой современную КС с достаточно низкими выбросами вредных веществ и низкой неравномерностью температуры газа на выходе. Путем непринципиальных доработок конструкции горелочного модуля сотрудниками отдела кросс-отраслевых технологий Центра НТИ СПбПУ были получены результаты, удовлетворяющие всем требованиям технического задания в части снижения эмиссии СО и NOx. С учетом результатов оптимизации КНД нами были достигнуты все ключевые цели проекта».