Разработка метода сквозного проектирования охлаждаемых турбин перспективных газотурбинных двигателей с использованием технологии цифровых двойников и элементов машинного обучения

Для реализации стратегии импортозамещения и успешной конкуренции с зарубежными производителями требуется разработка отечественных газотурбинных двигателей, которые будут обладать параметрами не хуже, чем у иностранных конкурентов. Основными направлениями совершенствования газотурбинных двигателей для гражданской авиации являются повышение топливной экономичности и ресурса, снижение их массы и стоимости жизненного цикла. Повышение топливной экономичности двигателей достигается за счет постоянного увеличения параметров цикла. В перспективных проектах рассматривается суммарная степень повышения давления более 70, температура газа на входе в сопловой аппарат турбины высокого давления выше 2000 К, а степень двухконтурности выше 15. При этом условия работы турбин существенно ужесточаются из-за роста температуры и окружных скоростей. Для обеспечения требуемых параметров охлаждаемых турбин в тяжелых условиях эксплуатации необходимо рассматривать множество взаимосвязанных процессов разных физических дисциплин, которые оказывают сильное влияние друг на друга. Необходимо решать конструкционные задачи, задачи газодинамического, прочностного и теплового проектирования, учитывать тепловые деформации и изменения зазоров между роторными и статорными деталями, обеспечивать работоспособность пневмосхемы. Для решения данных задач применяются различные математические и компьютерные модели, которые отражают различные характеристики и свойства проектируемой турбины. Объединяя различные математические и компьютерные модели в единую систему с использованием технологии цифровых двойников можно всесторонне описать проектируемую турбину и системно подойти к ее разработке. Кроме того, можно добиться значительного снижения времени и уровня технического риска проектирования за счет применения технологий машинного обучения для обобщения и формализации существующего опыта в области проектирования охлаждаемых турбин, а также опыта, получаемого непосредственно в процессе проектирования. Актуальность работы обусловлена необходимостью снижения себестоимости и сроков разработки, количества испытаний, оценкой научной обоснованности применяемых технических решений при проектировании охлаждаемых турбин перспективных газотурбинных двигателей за счет разработки и внедрения метода сквозного проектирования охлаждаемых турбин с использованием технологии цифровых двойников и элементов машинного обучения. Научная новизна результатов работы будет состоять в следующем: 1. Будет разработан новый метод сквозного проектирования охлаждаемых турбин перспективных газотурбинных двигателей с использованием технологии цифровых двойников и элементов машинного обучения. 2. Будут формализованы требования для оценки турбины по комплексу параметров разных дисциплин на каждом уровне проектирования в виде многоуровневой матрицы требований, которая может уточняться и дополняться в процессе проектирования. 3. На каждом уровне проектирования будет определен перечень необходимых компьютерных моделей, их иерархия, взаимосвязи и области применения. Установлены информационные связи моделей между собой и матрицей требований. 4. Будут разработаны программы для помощи выбора основных параметров турбин на этапах определения начального облика и повышения точности отдельных моделей с использованием машинного обучения. 5. Будет разработан набор методик многодисциплинарного проектирования охлаждаемых турбин с использованием компьютерных моделей разного уровня сложности, их взаимной комбинации и уточнения. 6. Будут сформированы научно и технически обоснованные принципы и рекомендации по рациональному использованию цифровых двойников охлаждаемых турбин на этапах разработки для повышения скорости, снижения себестоимости и уровня технических рисков проектирования.