Разработка критических технологий создания силовых установок для малой и региональной авиации, а также беспилотных авиационных систем

Объектами исследования в данном проекте являются малоразмерные газотурбинные (мГТД) и поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), которые могут применяться в качестве силовых установок летательных аппаратов малой и региональной авиации, а также в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА). Цель работы является разработка научно-методического базиса для оптимального проектирования высокоэффективных и экологичных авиационных силовых установок, а также повышение уровня готовности критических технологий проектирования и производства двигателей внутреннего сгорания и малоразмерных газотурбинных двигателей малой и региональной авиации, а также беспилотных авиационных систем. Методы и методология проведения работы. В работе использовались как теоретические, так и экспериментальные методы исследования. Теоретические методы представлены анализом данных, а также имитационным и 3D моделированием. А экспериментальные методы представлены исследованиями, проведенными в условиях моторных испытаний и на специальных экспериментальных установках. Методология работы заключается в том, что исследования данного проекта носят комплексный характер и охватывают различные аспекты двигателестроения: проводятся не только исследования, касающиеся оптимизации рабочего процесса и конструкции двигателей, но также исследования в области материалов и покрытий, позволяющие повысить ресурс двигателей и их экологичность, а также исследования с привлечением искусственного интеллекта, позволяющие более качественно организовывать ремонтное обслуживание двигателей, прогнозировать ресурс двигателей и вероятность их отказов. Таким образом методология исследований охватывает все основные этапы жизненного цикла двигателей, включая их проектирование, изготовление и эксплуатацию. Результаты работы и их новизна. В ходе выполнения 1-го этапа НИР получены следующие результаты: 1. По результатам анализа современной научно-технической литературы в качестве перспективного направления дальнейших исследований выбраны мГТД, ГТД с регенерацией тепла, а также гибридные силовые установки на их основе позволяющие создавать силовые установки малой и региональной авиации, и беспилотных авиационных систем. 2. Разработана тепло-гидравлическая модель, предназначенная для исследования рабочего процесса в теплообменном аппарате, а также методы и алгоритмы для ее калибровки и оптимизации. 3. На основе поисковых исследований и анализа различных архитектур рекуператоров мГТДр для легкого БПЛА типа Иркут DA-42 предложена оригинальная архитектура интегрального модуля петлевидного пластинчатого рекуператора и камеры сгорания. 4. Подтверждена возможность воспламенения авиационного керосина в ДВС от единичного искрового разряда, генерируемого системой зажигания, используемой в бензиновых ДВС. 5. Установлена возможность бездетонационного сгорания авиационного керосина в ДВС при степени сжатия 13,5 и минимальном коэффициенте избытка воздуха приблизительно равном 1,4, то есть на режимах, на которых обычно наблюдается активная детонация. 6. При испытаниях лабораторного четырехтактного двигателя, работающего на авиационном керосине экспериментально показано, что при подаче воды в количестве 15% от массы топлива имеется возможность повышения мощности двигателя на 10% без увеличения интенсивности детонации. 7. Усовершенствована система имитационного моделирования ALLBEA, а именно: доработаны и протестированы модели органов газообмена и алгоритмы расчета нестационарного течения в них; сформирован подход к получению адекватных подмоделей сопротивления и теплоотдачи в канале при существенной разнице температур стенки и рабочего тела с учётом шероховатости стенок; разработаны и интегрированы в пакет ALLBEA несколько новых расчетных моделей. 8. На основе расчетов показателей ДВС, выполненных в ALLBEA для двигателя РМЗ-551i, были разработаны и отработаны приемы переноса данных из 3D геометрических моделей проточных частей газовоздушных трактов в 1D модели, а также средства оптимизации параметров ДВС с применением акустических моделей. 9. Исследованы механические свойства, жаропрочность и микроструктура поршневого сплава АЛ30 (АК12ММгН), заготовка которого была получена методом непрерывного литья в электромагнитный кристаллизатор (ЭМК). 10. Установлено, что микроструктура сплава АЛ30, формируемая при литье в ЭМК с последующей термообработкой по режиму Т6, повышает механические свойства сплава, значения которых (0.2  330 МПа, В  390 МПа и δ5  2.5%, соответственно) заметно превышают уровень аналогичных сплавов российского и зарубежного производства, полученных традиционным литьем. 11. Установлено, что литье в ЭМК с термообработкой по режиму Т6 позволяет получить у сплава АЛ30 такую структуру, которая обеспечивает механические свойства, жаропрочность и износостойкость, не уступающие традиционным деформируемым поршневым сплавам после аналогичной термической обработки. 12. Результаты 3D моделирования показали, что керамическое покрытие, сформированное методом микродугового оксидирования (МДО) на днище поршня, выполненного из алюминиевого сплава, в 8,6 раза снижает напряжение и в 15,8 раз уменьшает деформацию в материале поршня, а именно в наиболее напряженных точках, расположенных в центре головки. 13. Установлено, что керамическое покрытие можно рассматривать не только как тепловую защиту, но и как способ повышения прочности поршней ДВС, при этом толщина покрытия не оказывает значительного влияния на величины снижения деформации и напряжения в материале поршня. Это означает, что для повышения прочности и надежности поршней достаточно МДО-покрытия толщиной 50 мм. 14. Разработана и верифицирована математическая модель влияния МДО-покрытия на токсичность отработавших газов ДВС, учитывающая влияние структуры МДО-покрытий, конструкцию и режимы работы двигателя внутреннего сгорания. 15. Разработан метод формирования программного аналитического комплекса для организации учета заданных норм времени ремонтных работ, которые позволят как отслеживать, так и оптимизировать план график проведения планово-предупредительных работ (ППР) технических устройств. 16. Разработана импульсная нейронная сеть и модифицированный метод обучения искусственного интеллекта, основанный на методе обратного распространения ошибки, для фильтрации сетевого трафика в автоматическом режиме с возможностью поддержки принятия решений. Новизна полученных результатов заключается в следующем: 1. В результате выполнения НИР впервые разработана мультидисциплинарная тепло-гидравлическая модель для исследования рабочего процесса в теплообменном аппарате, изготовленном с применением аддитивных технологий, а также методы и алгоритмы для ее калибровки и оптимизации. 2. Предложено новое техническое решение: оригинальная архитектура интегрального модуля петлевидного пластинчатого рекуператора и камеры сгорания ГТД. 3. Впервые разработан рабочий процесс, обеспечивающий бездетонационное сгорание авиационного керосина на двигателе с искровым воспламенением при степени сжатия 13,5 и коэффициенте избытка воздуха 1,4. 4. Впервые установлено, что при подаче воды в камеру сгорания ДВС с предложенным рабочим процессом, в количестве 15% от массы топлива, мощность двигателя повышается на 10% без увеличения интенсивности детонации. 3. За счет разработки новых моделей была усовершенствована система имитационного моделирования ДВС – ALLBEA, являющаяся оригинальной разработкой сотрудников кафедры двигателей внутреннего сгорания УУНиТ. Этот отечественный программный продукт позволяет существенно ускорить процесс проектирования ДВС и повышает уровень импортозамещения в системе проектирования двигателей. 5. Впервые исследованы структура и механические свойства алюминиевого сплава АЛ30, полученного методом непрерывного литья в ЭМК после стандартной упрочняющей термической обработки. 6. Установлено, что микроструктура, сформированная в результате литья в ЭМК с последующей термообработкой по режиму Т6, обеспечивает в сплаве АЛ30 высокие механические свойства (0.2, В и δ5 не менее 330 МПа, 390 МПа и 2.5% соответственно), заметно превышающие уровень аналогов российского и зарубежного производства, полученных традиционным литьем и идентичные деформируемым поршневым сплавам после аналогичной ТО. 7. Установлено, что прочность и долговечность поршней ДВС из алюминиевых сплавов можно значительно повысить за счет покрытия его днища керамическим покрытием. 8. Разработана новая физико-математическая модель, позволяющая оценить возможность снижения количества токсичных компонентов в отработавших газах ДВС. Эта модель учитывает не только условия работы ДВС, но также геометрические параметры камеры сгорания двигателя, свойства отработавших газов, а также свойства МДО-покрытия. 9. Разработана импульсная нейронная сеть для фильтрации сетевого трафика в автоматическом режиме с возможностью поддержки принятия решений. 10. Разработан метод формирования программного аналитического комплекса для организации учет заданных норм времени для ремонтных работ, которые позволят не просто отслеживать план график проведения ППР, но и оптимизировать его. Область применения результатов. Полученные результаты могут быть использованы в авиационном и поршневом двигателестроении, как на этапе проектирования двигателей, так и на этапах их производства и эксплуатации. На этапе проектирования двигателей, результаты исследований и полученные на их основе технические решения и будут способствовать проектированию мГТД и ДВС с более оптимальной конструкцией, позволяющей более эффективно использовать тепловую энергию авиационного керосина. Разрабатываемая система моделирования ALLBEA с усовершенствованной моделью процессов в ДВС сократит сроки и повысит качество проектных решений. На этапе производства, полученные на 1 этапе НИР результаты, помогут исследователям и двигателестроителям на только в выборе подходящего алюминиевого сплава для деталей двигателей, но также позволят определиться с технологией нанесения покрытий и их толщиной с целью повышения надёжности деталей. Кроме этого предлагаемые покрытия позволят повысить экологичность ДВС, а физико-математическая модель может быть использована для прогнозирования влияния различных факторов (толщины, площади и пористости покрытия, температуры поверхности деталей и других эксплуатационных показателей ДВС), на содержание токсичных компонентов в ОГ. На этапе эксплуатации двигателей применение разработанного аналитического комплекса позволит отслеживать и оптимизировать график проведения планово-предупредительного ремонта двигателей, а применение нейронной сети снизит загруженность используемых процессоров. Рекомендации по внедрению или итоги внедрения результатов НИР. Полученные на 1 этапе НИР результаты могут быть внедрены на предприятиях, занимающиеся разработкой и производством мГТД и ДВС для авиационной техники. Например, такие предприятия, как: – ПАО «Корпорация «Иркут», производящие одноименные БПЛА, конструкция которых была использована в исследования данного проекта (раздел 1); – ООО «Двигатели для авиации», которое занимается проектированием авиационных ДВС, конструкция одного из таких двигателей также использовалась в исследованиях (раздел 2); – АО «Русская механика», изготавливающее двигатели марки РМЗ-551i, на базе конструкции и рабочих параметров которого проведена доработка системы ALLBEA (раздел 4), конструкция поршня этого двигателя использовалась в качестве 3D модели для исследования влияния МДО-покрытия на напряженно-деформированное состояние поршня, также на основе результатов моторного эксперимента, проведенного на этом двигателе, проведена верификация физико-математической модели снижения токсичности отработавших газов (раздел 5). Потенциальный и стабильный интерес к полученным результатам существует и у других предприятий, ориентированный на выпуск авиационных энергетических систем и БПЛА, а также занимающихся их эксплуатацией. Экономическая эффективность или значимость работы. Разработанная мультидисциплинарная тепло-гидравлическая модель для исследования рабочего процесса в теплообменном аппарате, изготовленном с применением аддитивных технологий, а также методы и алгоритмы для ее калибровки и оптимизации позволяют более эффектно организовать использование тепловой энергии при проектировании ГТД, что обладает очевидной экономической эффективностью. Рабочий процесс организации бездетонационного сгорания авиационного керосина в поршневых ДВС с искровой системой зажигания имеет существенную экономическую эффективность. Она заключается в том, что использование авиационного керосина в авиационных поршневых ДВС позволит использовать существующую систему хранения горюче-смазочных материалов, уже применяемую для заправки ГТД, исключив необходимость разработки и модернизации заправочных систем и организации особых мер по обеспечению пожарной безопасности, которая требуется при использовании бензина. Усовершенствование пакета имитационного моделирования ALLBEA позволит заменить импортные аналоги: прикладные расчетные пакеты GT-SUITE, Ricardo WAVE и AVL BOOST в проектных работах. Применение этого пакета ускорит проектно-конструкторские работы на промышленных предприятиях и организациях, специализирующихся на разработке тепловых двигателей и энергоустановок. Повышение надежности и долговечности деталей двигателей за счет использования новых видов литья алюминиевых сплавов и керамических покрытий позволит повысить механические свойства деталей авиационных двигателей, а значит увеличит долговечность и надежность авиационных энергетических установок. Кроме этого, использование кармических покрытий, формируемых микродуговым оксидированием (технологией с высокой экономической эффективностью) позволит улучшить экологичность авиационных двигателей, что также является важным критерием конкурентоспособности авиационной техники на международном рынке. Разработанный программный аналитический комплекс, позволяющий организовать и оптимизировать ремонтные работы, а также отслеживать план график проведения планово-предупредительного ремонта, обладает очевидной экономической эффектностью и значимостью. Этот аналитический комплекс не только повышает экономическую эффективность при эксплуатации авиационных двигателей и энергетических установок, но и снижает загрузку процессоров используемой для этих работ компьютерной техники. Прогнозные предположения о развитии объекта исследования. Научные исследования, проведенные на 1 этапе проекта, сформировали первоначальный научно-технический задел для дальнейших поисковых исследований в области методов организации рабочего процесса и конструирования авиационных двигателей (мГТД и ДВС), а также поисковых исследований в области разработки новых материалов и методов их обработки, обеспечивающие реализацию этих рабочих процессов и повышения надежности двигателей. Кроме этого, проведены исследования и выполнено ряд разработок в области развития и оптимизации методов управления, контроля и диагностики двигателей на этапе их эксплуатации, а также в области оптимизации и сокращения сроков проектирования двигателей внутреннего сгорания. Следующими направлениями исследований станут: - исследования по повышению степени увеличения давления в компрессорах и температуры газа за камерой сгорания, а также показателей технического совершенства основных узлов мГТД различной мощности; - исследования способов утилизации тепла рабочего тела в ГТД, а также исследования, связанные с разработкой авиационных теплообменных аппаратов с экстремальным уровнем теплогидравлических характеристик и повышенным коэффициентом компактности; - исследования методов организации процессов смесеобразования в поршневых ДВС, позволяющие осуществлять искровое воспламенение топлив различных по испаряемости, а также обеспечивать бездетонационного сгорания топлив, с различным октановым числом; - усовершенствование системы имитационного моделирования ALLBEA, что позволит ее использовать не только для расчета газодинамических процессов в двигателях внутреннего сгорания, но и оценивать акустические, триботехнические характеристики, тепловое состояние и эффективность силовых установок в переходных процессах функционирования авиатехники в эксплуатации; - изучение эффектов влияния МДО-покрытий на экологические показатели ДВС - токсичность отработавших газов. Такое направление обусловлено положительными эффектами, обнаруженными на ряде режимах ДВС при проведении моторных испытаний; - исследования, направленные на решение задач интеллектуальной диагностики, прогнозирования технического состояния, развития отклонений, отказов, неисправностей авиационных поршневых двигателей, малоразмерных газотурбинных двигателей, гибридных силовых установок.