РАЗРАБОТКА КРИТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ СОЗДАНИЯ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ МАЛОЙ И РЕГИОНАЛЬНОЙ АВИАЦИИ, А ТАКЖЕ БЕСПИЛОТНЫХ АВИАЦИОННЫХ СИСТЕМ (промежуточный, этап 2)

Отчет 281 с., 1 кн., 120 рис., 35 табл., 306 источн., 3 прил. Объектами исследования данного проекта являются газотурбинные двигатели (ГТД), а также поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), предназначенные к использованию в качестве силовых установок летательных аппаратов (ЛА) малой и региональной авиации, а также для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Целью работы является разработка научно-методического базиса для оптимального проектирования высокоэффективных и экологичных авиационных силовых установок, а также повышение уровня готовности критических технологий двигателей внутреннего сгорания и малоразмерных газотурбинных двигателей для 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 имитационным моделированием, 3D моделированием, а также математическими методами: анализом больших данных, методом прогнозирования временных рядов, структурного анализа, анализа главных компонент и методом кластеризации c-средних. Экспериментальные методы представлены исследованиями эксплуатационных показателей двигателей, выполненных в условиях моторных испытаний на специальных моторных стендах, а также методами исследований свойств, состава и структуры материалов и покрытий: рентгенофазовым анализом (РФА), рентгеноструктурным анализом (РСА), просвечивающей электронной микроскопией (ПЭМ), оптической микроскопией (ОМ), испытаниями на износостойкость. Методология работы заключается в том, что исследования данного проекта носят комплексный характер и охватывают различные аспекты двигателестроения. Проведены исследования, связанные с улучшением качества рабочего процесса, направленные на повышение мощности и снижение вероятности возникновения детонации. Разработаны модели и методические подходы, позволяющие оптимизировать конструкцию двигателей. Проведены исследования в области материалов и покрытий, направленные на увеличение ресурса двигателей и их экологичность. Кроме этого проведены исследования с привлечением искусственного интеллекта, позволяющие более качественно организовать эксплуатацию летательных аппаратов (ЛА) и ремонтное обслуживание двигателей, прогнозировать их ресурс и вероятность их отказов. Таким образом методология исследований данной работы охватывает все основные этапы жизненного цикла двигателей и беспилотных систем, для которых эти двигатели предназначены, включая этапы проектирования, изготовления и эксплуатации. Результаты работы и их новизна. В ходе выполнения 2-го этапа НИР получены следующие результаты: 1. Разработана математическая модель твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) учитывающая внутренние электрохимические реакции, на основе которой создан расчетный модуль, интегрированный в программный комплекс DVIGwT, предназначенный для расчетов ГТД. Модуль был зарегистрирован в Федеральной службе по интеллектуальной собственности (Роспатент). 2. Разработана математическая модель камеры сгорания с детонационным сжиганием топлива при действительном термодинамическом процессе ГТД. На основе этой модели создан расчетный модуль детонационной камеры сгорания, который также интегрирован в программный комплекс DVIGwT. 3. Исследованы возможности расширения мощностного диапазона бездетонационной работы ДВС при длительной эксплуатации под высокими нагрузками, которые показали, что подача воды с помощью разработанной системы впрыска позволяет поднять мощность двигателя без увеличения температуры и изменения характеристик горения. 4. Экспериментально установлены характеристики распыливания авиационного керосина, формируемые разработанной системой пневматического впрыска высокого давления, позволяющие сформировать воспламеняемую смесь в районе искрового промежутка и реализовать поздние углы опережения впрыска для организации бездетонационного сгорания керосина в условиях двухтактных и четырехтактных двигателей. 5. Разработана, реализована и интегрирована в систему имитационного моделирования двигателей внутреннего сгорания ALLBEA четырехкомпонентная модель термодинамических и теплофизических свойств рабочих тел авиационно-поршневых двигателей (АПД). 6. Разработана, реализована и интегрирована в систему имитационного моделирования ALLBEA модель обратного пластинчатого (лепесткового) клапана в нестационарном потоке, учитывающая динамику клапана, что позволяет повысить точность расчетов процессов газообмена и способствует оптимизации параметров ДВС. 7. Исследована структура и свойства перспективного поршневого алюминиевого сплава АЛ30, с микроструктурой, сформированной по технологии ElmaCast, реализуемой литьем в электромагнитный кристаллизатор (ЭМК). Результаты показали, что достигнутые по этой технологии механические свойства алюминиевого сплава заметно превышают свойства известных аналогов российского и зарубежного производства, произведенных традиционными методами литья. 8. Исследовано влияние электрохимически осажденной на алюминиевый сплав Al-0,4Zr меди, в сочетании с последующим отжигом при температуре 300 °С на механические свойства. Установлено, что осаждение меди увеличивает механическую прочность, пластичность, электропроводность и теплопроводность полученного слоистого композитного материала. 9. Исследованы свойства TWIP-стали после деформационной обработки методом равноканального углового прессования (РКУП). Установлено, что РКУП в диапазоне температур 700–900 °C приводит к формированию микроструктуры стали с оптимальным сочетанием свойств «прочность-пластичность» (В ~ 1000…1250 МПа, δ ~ 25-50 %), что значительно превышает показатели исходного крупнозернистого материала. Такая обработка обеспечивает повышенную прочность стали в сочетании с высокой трещиностойкостью и ударной вязкостью. 10. Методом численного моделирования в программе SolidWorks Simulation проведено исследование эффективности тепловой защиты поршней посредством керамического покрытия, формируемого методом микродугового оксидирования (МДО) на поверхности днища поршня. Установлено, что покрытие на днище поршня снижает тепловую напряженность детали не зависимо от химического состава алюминиевого сплава, а эффективность теплозащиты поршня повышается при увеличении толщины керамического покрытия и при уменьшении его коэффициента теплопроводности. 11. Исследовано влияние наноструктурного покрытия, сформированного методом МДО на поршнях ДВС на токсичность отработавших газов (ОГ). Установлено, что МДО-покрытия снижают токсичность ОГ, а их каталитический эффект зависит от структуры покрытия, представленной наноразмерной пористостью. 12. Разработана многоуровневая структура управления, позволяющая формировать требуемые параметры траектории и точности полета беспилотного воздушного судна (БВС), строящая траекторию полета программой управления и состоящая из нескольких отдельных блоков: система датчиков, управление на отрезке маршрута, коррекция маршрута. 13. Разработана методика создания моделей ГТД на основе рекуррентных нейронных сетей для применения на стендах полунатурного моделирования. 14. Исследованы алгоритмы линейной и экспоненциальной деградации для оценки остаточного ресурса ГТД. Работа алгоритмов проверена на прогнозировании остаточного ресурса роторного подшипника. Новизна полученных результатов заключается в следующем: 1. В результате выполнения НИР разработаны новые математические модели твердооксидного топливного элемента и детонационной камеры сгорания, которые позволяют выполнять термогазодинамические расчеты малоразмерных ГТД сложных термодинамических циклов. Эти модели позволили усовершенствовать систему имитационного моделирования ГТД – DVIGwT, которая представляет собой оригинальную расчетную систему, разработанную на кафедре авиационных двигателей УУНиТ. Усовершенствование этого отечественного программного продукта значительно ускоряет процесс проектирования ГТД и повышает уровень импортозамещения в системе проектирования авиационных двигателей. 2. Впервые получены экспериментальные характеристики распыливания авиационного керосина, формируемые разработанной системой пневматического впрыска высокого давления, что позволяет улучшить процесс смесеобразования, снизить вероятность возникновения детонации и в итоге использовать керосин в качестве топлив для ДВС с искровым зажиганием, расширив ассортимент применяемых топлив. 3. Впервые показана возможность расширения мощностного диапазона бездетонационной работы ДВС при длительной работе двигателя на высоких нагрузках за счет подачи воды во впускной трубопровод при помощи экспериментальной системы впрыска. 4. Впервые разработаны, протестированы и включены в библиотеки пакета прикладных программ четырехкомпонентная модель термодинамических и теплофизических свойств рабочих тел авиационно-поршневых двигателей (АПД) и модель обратного пластинчатого (лепесткового) клапана в нестационарном потоке, учитывающая динамику запорного органа под действием перепада давлений на клапане. Этими моделями усовершенствована система имитационного моделирования двигателей внутреннего сгорания – ALLBEA, которая является оригинальным отечественным программным продуктом – разработкой сотрудников кафедры двигателей внутреннего сгорания УУНиТ. 5. Впервые установлено, что технология ElmaCast, формирует такую микроструктуру алюминиевого поршневого сплава АЛ30, которая обеспечивает механические свойства, заметно превышающие свойства известных аналогов российского и зарубежного производства, полученных традиционными методами литья. Это позволяет использовать прутки, полученные по технологии ElmaCast, в исходном литом состоянии без применения дополнительной упрочняющей термической обработки, которая обязательна для алюминиевых сплавов, полученных традиционными литейными технологиями. 6. Впервые установлено, что электрохимическое осаждение меди на термостойкий алюминиевый сплав Al-0,4Zr, в сочетании с последующим специальным отжигом при температуре 300 °С увеличивает механическую прочность до В ≥ 170 МПа, пластичность δ ≥ 6%, электропроводность (≥ 62,5% IACS), и теплопроводность слоистого композитного материала. 7. Впервые установлено, что равноканальное угловое прессование (РКУП) выполненное для TWIP-стали в диапазоне температур 700–900 °C приводит к формированию микроструктуры обеспечивающей высокую прочность (В ~ 1000…1250 МПа) и пластичность материала - δ ~ 25-50 %, что значительно выше аналогичных показателей исходного материала в крупнозернистом состоянии. 8. Впервые установлено, что применение в двигателях поршней с МДО-покрытием, наноразмерная пористость которого составляет 16,9±4,6%, приводит к снижению токсичности ОГ по монооксиду углерода СО максимально на 17,1%, а в среднем (с учетом всех режимов двигателя) на 3,1%. Применение в двигателях поршней с МДО-покрытием, наноразмерная пористость у которого составляет 6,4±3,5%, снижение токсичности ОГ не вызывает. 9. Установлено, что МДО-покрытие на днище поршня ДВС является эффективным способом снижения тепловой напряжённости поршней из алюминиевых сплавов. Благодаря покрытию днища температура поршня снижается как под керамическим покрытием, так и под днищем поршня со стороны картера, а также в области поршневых канавок и на юбке поршня. Повышение толщины МДО-покрытия увеличивает эффективность тепловой защиты поршней. Наибольший теплозащитный эффект наблюдается на поршне из эвтектического сплава (типа АК12 или АЛ30). 10. Впервые разработана многоуровневая структура системы управления БВС, состоящая из внешнего контура управления, формирующего параметры желаемой траектории и точности полета, интегрированного контура управления, строящего траекторию полета программой управления полетом БВС и внутреннего контура управления, состоящего из нескольких отдельных блоков: система датчиков, управление на отрезке маршрута, коррекция маршрута. Нейронные сети обеспечивают перемещение по базовым шаблонам траекторий, отвечают за коррекцию алгоритма полета путем анализа внешних факторов окружающей среды. Данная архитектура обеспечивает стабилизацию БВС за счет способности динамически перестраиваться в зависимости от режимов полета БВС и характера внешнего возмущения, позволяет осуществлять формирование программы управления полетом БВС. 11. Впервые разработаны алгоритмы линейной и экспоненциальной деградации, позволяющие оценить остаточный ресурс как отдельных деталей и узлов, так и двигателя в целом. Область применения результатов. Полученные результаты могут быть использованы практически на всех этапах жизненного цикла авиационных двигателей, и применимы как ГТД, так и к ДВС. На этапе проектирования, могут быть использованы следующие результаты исследований и технические решения на их основе: - дополненная моделями твердооксидного топливного элемента и детонационной камеры сгорания система расчета DVIGwT, позволит повысить качество получаемых проектных решений для авиационных двигателей и сократить сроки проектной разработки ГТД; - результаты исследования влияния впрыска воды в ДВС, позволят поднять мощность двигателя без увеличения теплонапряженности его деталей; - разработанная система пневматического впрыска и результаты исследования характеристик распыливания керосина позволят организовать сгорание авиационного керосина в ДВС с искровым зажиганием, расширив ассортимент топлив, используемых для ДВС; - дополнение системы имитационного моделирования двигателей внутреннего сгорания ALLBEA четырехкомпонентной моделью термодинамических и теплофизических свойств рабочих тел позволит сократит сроки и повысит качество проектирования авиационных ДВС. На этапе изготовления, могут быть использованы следующие результаты исследований, полученные на 2-м этапе проекта, которые позволят существенно повысить мощность, долговечность, надежность и экологичность ДВС: - использование литейной технологии ElmaCast для изготовления поршней ДВС из алюминиевого сплава АЛ30, позволяет получить детали с более высоким запасом прочности, что будет способствовать увеличению давления в камере сгорания и, соответственно, росту мощности двигателей внутреннего сгорания; - внедрение в двигателестроение технологии электрохимически осажденной меди на алюминиевые сплавы, а также технологии РКУП для TWIP-сталей, позволит существенно повысить механические свойства материалов, что позволит увеличить нагрузки на детали двигателей и повысить их мощность; - использование керамических покрытий, формируемых методом МДО на днищах поршней, позволит снизить тепловую нагрузку на поршни, тем самым увеличить надежность и долговечность ДВС; - использование МДО-покрытий на деталях камеры сгорания ДВС позволит снизить токсичность отработавших газов поршневых ДВС, что является актуальным направлением развития двигателестроения в настоящее время. На этапе эксплуатации ГТД и ДВС, могут быть использованы следующие результаты исследований: - формируемая при помощи искусственного интеллекта программа управления полетом БПЛА позволит снизить влияние внешних воздействий на полет ЛА и его траекторию; - разработанные алгоритмы позволяют проводить комплексную оценку остаточного ресурса деталей и узлов двигателей, и, соответственно, летательных аппаратов, основываясь на измеряемых параметрах. Рекомендации по внедрению или итоги внедрения результатов НИР. Полученные на 2 этапе НИР результаты могут быть внедрены на предприятиях, занимающиеся разработкой и производством ГТД и ДВС для авиационной техники. Например, таких как: – ПАО «ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение», АО «ОДК-Авиадвигатель», АО «ОДК-Климов», ПАО «ОДК-Сатурн» - предприятиях, занимающихся как проектированием, так и производством ГТД и ДВС; – ООО «Двигатели для авиации», которое занимается проектированием авиационных ДВС, конструкция одного из таких двигателей использовалась в исследованиях, представленных в разделе 2 настоящего отчета; – АО «Русская механика», которое изготавливает двигатели (марки РМЗ-551i), конструкция поршня и параметры этого двигателя использовалась при исследовании влияния МДО-покрытия на тепловое состояние поршня, также на основе результатов моторного эксперимента, проведенного на этом двигателе, установлено влияние структуры МДО-покрытий на токсичности отработавших газов (раздел 5). Потенциальный и стабильный интерес к полученным результатам существует и у других предприятий, ориентированных на выпуск авиационных энергетических систем и БПЛА, а также занимающихся их эксплуатацией. Экономическая эффективность или значимость работы. 1. Разработанная модели твердооксидного топливного элемента и детонационной камеры сгорания позволят повысить тягово-экономические характеристики малоразмерных ГТД, что имеет очевидный экономический эффект. 2. Экономическая эффективность рабочего процесса организации бездетонационного сгорания авиационного керосина в поршневых ДВС с искровой системой зажигания заключается в том, что использование авиационного керосина в авиационных поршневых ДВС позволит использовать единую с ГТД систему хранения горюче-смазочных материалов, исключив необходимость разработки и модернизации заправочных систем и организации особых мер по обеспечению пожарной безопасности, которая требуется при использовании бензина. 3. Использование системы впрыска воды в ДВС имеет очевидную экономическую эффективность, так как позволяет поднять мощность двигателя более чем на 9 %, без негативного влияния на надежность конструкции двигателя даже при длительной работе (более 3500 моточасов) на высоких нагрузках. 4. Усовершенствование пакета имитационного моделирования ALLBEA позволяет уменьшить сроки проведения проектно-конструкторских работ на предприятиях, занимающихся разработкой тепловых двигателей и энергоустановок, а также перейти на более дешевое и не менее качественное отечественное программное обеспечение при выполнении проектных работ. 5. Внедрение новых технологии, а именно литья методом ElmaCast, формирования слоистого композитного материала на основе термостойкого сплава Al-0,4Zr с оболочкой из чистой меди, технологии РКУП для TWIP-сталей, позволяет получить детали ДВС и ГТД с высокими механическими свойствами, что способствует повышению надежности и долговечности двигателей, а также снижению их межремонтного интервала, что обладает очевидной экономической эффективностью. 6. Использование керамических покрытий, формируемых методом МДО на поршнях ДВС позволит снизить теплонапряженность поршней, уменьшив тем самым вероятность возникновения прогара, что повысит надежности и долговечности деталей ДВС, а значит, и энергетических установок для БПЛА. Кроме этого, технология МДО позволит снизить токсичность ОГ двигателей, что также является существенным показателем конкурентоспособности производимых двигателей. 7. Разработанные на основе искусственного интеллекта технологии управления полетом БПЛА, а также алгоритмы диагностики и прогнозирования поломок деталей и узлов двигателей позволяют оптимизировать как процесс эксплуатации двигателей в составе БПЛА и энергетических установок, так и их техническое обслуживание, что имеет очевидную экономическую эффективность и значимость. Прогнозные предположения о развитии объекта исследования. Научные исследования, выполненные на 2 этапе проекта, сформировали научно-технический задел для дальнейших поисковых исследований как в области методов организации рабочего процесса и подходов к конструированию авиационных двигателей (мГТД и ДВС), так и в области разработки новых материалов и методов их обработки, обеспечивающие реализацию этих рабочих процессов и повышение надежности двигателей. Кроме этого, проведены исследования и выполнен ряд разработок по оптимизации методов управления, контроля и диагностики двигателей на этапе их эксплуатации. Следующими направлениями исследований по проекту станут: - разработка экспертной системы поддержки принятия решений при выборе материалов для основных деталей и узлов авиационных двигателей, а также ее интеграция в систему имитационного моделирования ГТД, что будет способствовать повышению скорости и качества проведения конструкторско-технологических работ; - численное трехмерное исследование рабочих процессов ДВС с искровым воспламенением и пневматическим распыливанием авиационного керосина; - 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; - на примере алюминиевого сплава АЛ30, полученного по технологии ElmaCast, будут проведены исследования ударной вязкости при различных температурах, что важно для поршней ДВС, также будет проведено исследование особенностей разрушения сплава под действием ударной нагрузки; - проведен подбор новых методов получения и режимов обработки композитных материалов на основе алюминия с целью повышения механических и эксплуатационных свойств деталей ДВС; - изучение влияния МДО-покрытий на долговечность ДВС, а именно на снижение коррозии и износа деталей двигателей за счет применения таких покрытий и разработка на этой основе математических моделей влияния параметров МДО-покрытий на износостойкость и коррозионную стойкость деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) ДВС; - построение интеллектуальной информационной системы управления БПЛА, на основе полученных теоретических исследований с проверкой на реальном датасете, а также исследование поведения объекта на основе рекуррентных нейронных сетей для решения задач анализа и синтеза объекта, его оптимизации и повышения надежности.