CC BY
23
Лилия Губич Сергей Кламбоцкий Александр Крот Владимир Махнач Сергей Медведев
заведующая лабораторией ОИПИ НАН Беларуси, кандидат технических наук
главный конструктор Борисовского завода агрегатов Министерства промышленности Республики Беларусь
заведующий лабораторией ОИПИ НАН Беларуси, доктор технических наук, профессор
заместитель генерального директора по научной работе ОИПИ НАН Беларуси, доктор технических наук, профессор
заведующий лабораторией ОИПИ НАН Беларуси, доктор технических наук
Суперкомпьютерные технологии проектирования и моделирования турбокомпрессоров дизельных двигателей
Сегодня конкурентоспособное производство в принципе невозможно без использования высоких информационных технологий. К ним относятся технологии, реализующие полномасштабное компьютерное моделирование функций наукоемкой продукции в процессе ее проектирования и подготовки производства с информационной поддержкой жизненного цикла. Техническая подготовка выпуска продукции в виде чертежей достаточно трудоемкая и неизбежно сопровождается ошибками, временными и материальными затратами. Это не позволяет отечественным предприятиям, производящим наукоемкую продукцию, достичь уровня ведущих зарубежных фирм, что еще более усугубляет отставание от мировых лидеров. Альтернативой чертежной технологии являются высокие суперкомпьютерные технологии, характеризующиеся применением методов и средств математического моделирования процессов функционирования механизмов, проведением полномасштабного вычислительного эксперимента (взамен натурного моделирования) с оптимизацией параметров конструкции на высокопроизводительных кластерных вычислительных системах. В первую очередь это относится к моделированию функций наукоемких объектов, таких как двигатели внутреннего сгорания, гидротрансмиссионные системы многоцелевых транспортных средств, механизмы сельхозмашин и др. С другой стороны, такого класса науко- и ресурсоемкие задачи решаются численными методами с помощью конечно-элементного анализа на кластерных высокопроизводительных вычислительных системах с параллельной архитектурой [1]. Наша республика является одной из немногих стран мира, которая располагает подобной техникой. В НАН Беларуси в рамках программы Союзного государства «СКИФ» создан и
функционирует Республиканский суперкомпьютерный центр коллективного пользования, предоставляющий услуги предприятиям и организациям для решения наукоемких задач промышленности, транспорта, связи, метеорологии, геологоразведки и других отраслей, требующих значительных вычислительных ресурсов. Создана телекоммуникационная инфраструктура, обеспечивающая белорусским потребителям режим удаленного доступа к ресурсам этого центра [1].
Среди параметров, определяющих технический уровень и экологические показатели дизельных двигателей, характеристики турбокомпрессора (ТКР) специалисты относят к важнейшим. Ужесточение требований национальных и международных стандартов, предъявляемых к эксплуатационным характеристикам моторов, экологической безопасности побуждают разработчиков искать пути их усовершенствования, в том числе за счет применения регулируемого турбонаддува. Ведущие мировые производители турбокомпрессоров за рубежом, включая фирмы GARRET, KKK, HOLSET и другие, предлагают потребителям разнообразные конструкции регулируемых ТКР с изменяемой геометрией соплового аппарата. Такой турбокомпрессор позволяет повысить удельную мощность, улучшить топливную экономичность, обеспечить высокую динамичность, снизить уровень выбросов токсичных компонентов в атмосферу, уменьшить дымность выхлопных газов, получить требуемые эксплутационные характеристики. Изменяемая геометрия соплового аппарата ТКР с микропроцессорным управлением обеспечивает при эксплуатации двигателя еще более качественные показатели удельной мощности и экологической безопасности.
Промышленностью Республики Беларусь и Российской Федерации турбокомпрессоры с изменяемой геометрией соплового аппарата серийно не выпускаются. Импорт такого типа турбокомпрессоров и установка на отечественные двигатели увеличивают их стоимость. Если цена зарубежного турбокомпрессора составляет 600—850 долл. США, то отечественного при организации производства на Борисовском заводе агрегатов (БЗА) по плановым расчетам не превысит 400 долл.
Модернизация турбокомпрессора ТКР 6
по результатам компьютерного моделирования
с использованием суперЭВМ «СКИФ»
Специалистами БЗА, ОИПИ НАН Беларуси, БНТУ выполнен проект «Разработать и освоить в производстве импортозамещающий базовый турбокомпрессор для двигателей трактора «Беларусь» по государственной научно-технической программе «Импортоза-мещение». Проведен комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию сквозной компьютерной технологии проектирования, технологической подготовки производства и испытаний турбокомпрессоров для наддува дизельных двигателей Минского моторного завода [2]. Одна из первоочередных задач — разработка электронной модели турбокомпрессора [3—5], электронных моделей деталей и сборочных единиц, а также электронной структуры изделия. Электронная модель представляет собой набор данных, которые определяют геометрию ТКР и другие свойства, необходимые для изготовления, контроля, приемки, сборки, эксплуатации, ремонта и утилизации изделия. Она строится на основе электронных геометрических моделей деталей, описывающих форму, размеры и иные свойства, а также электронных моделей сборочных единиц. К основным деталям и сборочным единицам ТКР, для которых разработаны алгоритмы формирования электронных моделей, определяющие конструктивное исполнение изделия в целом, относятся:
• корпус турбины из высокопрочного чугуна;
• колесо турбины из специального жаропрочного сплава;
• корпус компрессора из легкого алюминиевого сплава;
• колесо компрессора;
• регулируемый сопловый аппарат с поворотными лопатками из специального жаропрочного сплава;
• подшипниковые узлы;
• корпус подшипникового узла.
Вычислительные эксперименты проводились на электронных моделях деталей и сборочных единиц турбокомпрессора. Выполнялся прямой и обратный информационный обмен через общепринятые международные форматы с системами газодинамического анализа, прочностных и теплофизических инженерных расчетов, оптимизации конструкции. По результатам вычислительного эксперимента осуществлялась обратная связь для корректировки электронных моделей конструкции. При разработке электронных моделей деталей и сборочных единиц учитывалась технологичность их изготовления, уклоны, ребра жесткости, радиуса закруглений, расположение базовых поверхностей, требования стан-
дартов. Конструкторская документация (КД) разрабатывалась на основе электронных моделей деталей и сборок, которые являются неотъемлемой частью КД и обладают информационным приоритетом. Ассоциативные чертежи оформлялись по стандартам ЕСКД с учетом особенностей электронной КД. Все изменения в конструкции вносились в электронную модель, а ассоциативные чертежи корректировались по моделям автоматически. Корректировка производилась по результатам инженерного анализа самой конструкции, прогнозирования прочностных свойств, газодинамического анализа ее проточных частей, оценки совместного влияния тепло-физических, вибрационных и акустических характеристик.
Проточные части ТКР представляют собой геометрически сложные пространственные твердотельные конструкции [3—7]. Их доводка без разработки специальных математических моделей и измерительной техники весьма трудоемка и требует значительных временных и материальных ресурсов. Получение информации о результатах испытаний натурных образцов на испытательных стендах, сравнение с требуемыми параметрами, оперативное внесение изменений в конструкцию позволяют значительно ускорить ее доработку до требований технического задания.
Методы компьютерного проектирования отрабатывались на базе конструкции турбокомпрессора ТКР 6.1, который серийно выпускается БЗА свыше десяти лет, но в настоящее время не отвечает требованиям потребителей.
Разработаны электронные модели ТКР 6.1, построенные в среде CAD-систем различного уровня. Проведен конечно-элементный анализ конструкции, отработаны параметры проточных частей корпусов турбины и компрессора. Освоена технология проведения вычислительного эксперимента на основе аэрогазодинамического моделирования и анализа [6], построены конечно-элементные расчетные сетки для проведения численного моделирования аэрогазодинамических процессов в проточных частях ТКР 6.1 [7, 8]. Синтезирована расчетная сетка для моделирования газодинамических процессов вокруг вращающейся турбины внутри рабочей камеры турбокомпрессора [7], получены поля скоростей и давлений
внутри проточных частей турбокомпрессора [8 — 10]. Выявлены слабые места в конструкции, даны рекомендации о внесении необходимых изменений в проточную часть корпуса турбины. Установлено, что при работе ТКР 6.1 возникают зоны, в которых наблюдается трансзвуковое течение газовых потоков и ударные волны [6—10]. Это приводит к поломкам лопаток турбины. В кратчайшие сроки удалось модернизировать серийную конструкцию ТКР 6.1 (рис. 1), получить на двигателях Д-245.7 и Д-245.9 результаты, соответствующие требованиям «Евро-2», отказаться от ввоза турбокомпрессоров этого типа из-за границы. Объем замещаемого импорта турбокомпрессоров фирмы TURBO (Чехия) составляет 2500 шт./месяц.
Суперкомпьютерная технология при проектировании
и подготовке производства турбокомпрессора
с регулируемым сопловым аппаратом
На основании приобретенного опыта построены алгоритмы моделирования деталей и сборок турбокомпрессора с регулируемым сопловым аппаратом ТКР-9. Разработаны конструкторские и технологические модели, ассоциативные чертежи, электронные модели поверхностей воздуховодов, библиотека электронных моделей деталей, отливок, сборочных единиц.
Рис. 2. Картина рапределения давления в рабочей камере турбокомпрессора ТКР-9
Задача аэрогазодинамического моделирования ТКР-9 решена с помощью комплекса программных средств пакета STAR-CD. Исследованы аэрогазодинамические процессы в рабочих камерах турбокомпрессора [9, 10]. Проведен анализ газовых и воздушных потоков в проточных частях ТКР-9, синтезированы алгоритмы анализа аэрогазодинамических потоков в рабочих камерах турбокомпрессора [11]. Построены расчетные сеточные структуры [7, 10], созданные на основе электронных моделей с помощью сеточного генератора Pro*am пакета STAR-CD, выполнены вычислительные эксперименты [9, 10] на основе инструментальных средств STAR-CD.
Рис. 3. Результаты вычислительных экспериментов по исследованию прочности деталей и сборочных единиц турбокомпрессоров
Для моделирования процесса вращения использовалась расчетная сетка, построенная в цилиндрической системе координат. В исходной сетке модулем PROSTAR было обнаружено около 2000 ошибок. Из их полного списка ошибки типа 71 — Cells overlap — 40 (в конечной сетке их осталось лишь 5) позволили произвести моделирование. В результате численного моделирования выявлены упорядоченные пространственные структуры, расположенные вокруг лопаток турбины, характеризующие распределение скоростей и давлений в камере корпуса турбины ТКР.9 (рис. 2), а в камере компрессора обнаружена аэродинамическая особенность воздушного потока в виде плоского диполя.
В процессе моделирования (рис. 2) производилось согласование граничных условий (скорости потока и давления на входе и частоты вращения турбины).
Проведены верификационные механические и термомеханические расчеты ротора, колес турбины и компрессора, подшипникового узла (рис. 3) для ТКР 6.1. Вычислительные эксперименты направлены на исследование прочностных характеристик узлов турбокомпрессора ТКР-9 (рис. 4), предназначенного для установки на дизельные двигатели мощностью 300 л.с. Найдена максимальная частота вращения ротора по условиям прочности обоих колес. Для различной толщины лопаток профили колес проверены на прочность. На основе модального анализа ТКР-6.1 и ТКР-9 получены спектры собственных частот системы «ротор — подшипниковый узел» с различными вариантами закрепления подшипников [12]. У ТКР-9 спектр собственных частот не содержит компонентов в рабочем диапазоне вращения ротора. Изучено влияние на значения собственных частот конструктивных параметров подшипника и вала, а также масляной пленки. Получен критерий определения оптимальных размеров подшипника исходя из минимального количества собственных частот, попадающих в рабочий диапазон вращения ротора. Установлены собственные частоты отдельных лопаток колес турбины и компрессора, показано, что при импульсном возмущении возбуждаемые колебания быстро затухают. Показано, что при периодическом импульсном возмущении лопатки возможны резонансные явления. Определены величины вибраций лопаток колес турбины и компрессора на больших скоростях,
произведена оценка влияния дисбаланса колес на напряженное состояние колес и вала. Исследована динамика распространения тепла по валу ротора от колеса турбины [13]. Показано, что для пускового режима область уплотнительного кольца прогревается, что может приводить к коксованию масла. Для колес турбины и ротора проведен связанный температурно-прочностной анализ. Возникающие в колесах термонапряжения не превосходят 5% механических напряжений, они имеют характерные пики на кончиках лопаток и границе диска колес. Отработана технология информационного взаимодействия процессов компьютерной технологии проектирования и удаленного доступа к кластерным конфигурациям «СКИФ» для моделирования процессов газодинамики, прочности, теплофизики с помощью средств конечно-элементного анализа LS-DYNA, визуализации результатов. Созданы методы обеспечения информационного взаимодействия компьютерной технологии проектирования и удаленной работы с пакетом на суперкомпьютерной системе, а также получения в командном режиме видеофайлов (avi и mpeg) из программы пре- постпроцессора LS-PREPOST. Разработаны командные файлы, позволяющие автоматизировать процессы запуска задачи на кластере и получать результаты при удаленном доступе на каналах с высокой и низкой пропускной способностью.
Разработка и использование компьютерных методов проектирования, моделирования и технологической подготовки производства турбокомпрессоров позволяет:
• сократить время на разработку и освоение серийного производства новых конкурентоспособных моделей турбокомпрессоров;
• повысить конкурентоспособность предприятия;
• сократить сроки разработки проектной документации;
• уменьшить сроки выхода новой продукции на рынок;
• снизить количество ошибок при проектировании;
• сократить количество натурных экспериментов при подготовке производства новой продукции;
• снизить затраты на проведение изменений и переработку технической документации;
• увеличить эффективность работы персонала;
• повысить производительность и качество труда сотрудников;
• внедрить на предприятии систему электронного документооборота.
Значительно расширены возможности конструкторско-техно-логической и опытно-экспериментальной базы БЗА по изготовлению макетных, экспериментальных, опытных образцов, установочных партий турбокомпрессоров, проведению испытаний, технологической подготовке производства, изготовлению оснастки, проведению предварительных, приемочных и квалификационных испытаний.
Литература
1. Суперкомпьютерные конфигурации СКИФ / С.В. Абламейко [и др.]. ОИПИ НАН Беларуси, 2005.
2. Губич Л.В. Сквозные компьютерные технологии проектирования и управления качеством продукции // Информатика, 2004, № 1. С. 148—155.
3. Ефименко А.О. Проблемы моделирования корпуса турбины турбокомпрессора // Информатика, 2004, № 1. С. 157—162.
4. Васильев Д.Л. Методы создания 3D-моделей корпусных деталей в системе PRO/ENGINEER // Информатика, № 3, 2005. С.107—115.
5. Прохорова А.А. Возможности средств реинжиниринга в современных системах автоматизации проектирования // Информатика, 2006, № 1. С. 130—135.
6. Крот А.М. Разработка и исследование моделей сложных динамических систем на основе методов вход-выходных представлений и пространства состояний // Информатика, 2004, № 4. С. 95—108.
7. Ткачева П.П. Компьютерная технология синтеза расчетных сеток в программном комплексе STAR-CD для моделирования аэродинамических потоков в рабочей камере турбокомпрессора // Информатика, 2005, № 2 (6). С. 5—14.
8. Минервина Е.Б. Компьютерное моделирование аэродинамических потоков в рабочей камере турбокомпрессора с использованием программного комплекса STAR-CD // Информатика, 2005, № 2 (6). С. 15—24.
9. Крот А.М., Минервина Е.Б., Ткачева П.П., Балдин В.А. Численное моделирование на основе программного пакета STAR-CD аэродинамических потоков с целью выявления ударных волн в турбокомпрессоре // II международная научно-техн. конференция «Авиадвигатели XXI века», Москва, ЦИАМ, 6—9 декабря 2005 г. Т.1. С. 339—340.
10. Балдин В.А., Крот А.М., Минервина Е.Б., Ткачева П.П. Исследование плоских ударных волн в турбокомпрессоре на основе аэродинамического компьютерного моделирования в программном пакете STAR-CD // Информатика, 2005, № 4 (8). С. 5—12.
11. Baldin V.A., Krot A.M. and Minervina H.B. The development of model for boundary layers past a concave wall with usage of nonlinear dynamics methods, Advances in Space Research, Vol. 37, No 3, pp. 501—506, 2006 (Published by Elsevier Ltd.).
12. Ignatkov V., Klambozki S., Medvedev S., Petrushina M. Modal properties of the turbocompressor elements // 9th International LS-DYNAR Users Conference, June 4—6, 2006 (принята в печать).
13. Petrushina M., Klambozki S., Tchij O. Thermomechanical analysis of the turbo-compressor sliding bearing mount units// 9th International LS-DYNAR Users Conference, June 4—6, 2006 (принята в печать).
