АС ГРЭТ

- Автоматизированная Система Газодинамические Расчеты Энергетических Турбомашин - CAE cистема математического моделирования термодинамических процессов энергетических машин.

Позволяет выполнять большинство термо- и газодинамических расчетов, связанных с проточной частью газотурбинных, комбинированных двигателей и установок и двигателей с изменяемым рабочим процессом на всех этапах жизненного цикла, включая проектирование, испытания, доводку, серийное производство и эксплуатацию.

Cистема открытая, допускающая подключение модулей любых нужных узлов и модулей реализующих новые задачи. Наполнена моделями узлов 1, 2 и 3 уровней (в том числе с детализацией по ступеням и с двумерными газодинамическими моделями). Обеспечивает моделирование двигателей, в которых имеется до 5 валов и до 5 контуров с возможностью увеличения их числа при необходимости. Позволяет рассчитывать различные характеристики (дроссельные, высотно-скоростные, климатические, ходовые и пр.) на установившихся режимах; различные характеристики на переходных режимах работы (включая приемистость, встречную приемистость, сброс и встречный сброс оборотов), а также запуск двигателя (характеристики стартера либо задаются, либо могут быть определены).

Позволяет формировать облик двигателя, т.е. выбирать параметры и основные размеры проточной части, обеспечивающие создание двигателя, с заданными техническими условиями, производить оптимизацию параметров двигателя, обеспечивающую максимум или минимум заданной функции цели, скалярной или векторной. При этом могут варьироваться любые параметры из входных данных, а на выходные данные могут накладываться любые ограничения. Используются различные алгоритмы оптимизации с их автоматическим выбором в процессе поиска.

Кроме того, возможна идентификация математической модели двигателя по результатам его испытаний на стенде или в полете, т.е. производится уточнение малодостоверной информации во входных данных, выбираемой пользователем. При этом обеспечивается идентификация на установившихся режимах по измеренным параметрам и на переходных режимах - по параметрам, снимаемых с осциллограмм.

Позволяет производить техническую диагностику двигателя по измеряемым термогазодинамическим параметрам с выявлением одного, двух или трех дефектов, имеющихся в проточной части двигателя.

Позволяет проводить моделирование испытательных стендов ГТД и его узлов с последующей аттестацией еще не выполненного в металле проектируемого стенда, используя специальную задачу "стохастическая модель ГТД и его узлов".

Позволяет получать так называемые "передаточные" модели ГТД, испытательных стендов ГТД, и его узлов для проектирования отладки САУ и ПНК (пилотажно-навигационных комплексов).

Позволяет интегрировать математические модели ГТУ и САУ и проводить расчеты с целью выбора оптимального управления ГТУ и отладки закладываемой САУ (определение значений настроек коэффициентов обратных связей и т.п.).

Решаемые задачи

Дроссельные характеристики.

Модуль предназначен для расчета любых дроссельных или нагрузочных характеристик при любых внешних условиях, на различных высотах и скоростях полета, если это авиационный двигатель. Для каждой расчетной точки должны быть заданы режим работы двигателя, высота и число Маха полета в этой точке. Используются параметры стандартной атмосферы. Число точек расчета не ограничено. В принципе по этому модулю можно рассчитывать и высотно-скоростные и климатические характеристики ГТД, но это нецелесообразно из-за повышенного объема ввода исходных данных.

Высотно-скоростные характеристики.

Модуль предназначен для расчета высотно-скоростных характеристик на любых режимах работы двигателя с уменьшенным объемом ввода исходных данных. Для расчета должны быть заданы максимальное, минимальное числа Маха и шаг по нему, максимальное, минимальное значения высот полета и шаг между точками по высоте, а также все расчетные режимы. Задается программа управления, которая может включать несколько законов.

Климатические характеристики.

Модуль предназначен для расчета дроссельных или нагрузочных характеристик при изменении внешних условий, т.е. температуры и давления наружного воздуха. Они должны быть заданы. Стандартная атмосфера в этом модуле не используется. Задается также число Маха полета и программа управления. Может быть задан шаг изменения по температуре и давлению, а также пределы их изменения.

Аппроксимация характеристик.

Модуль имеет вспомогательное назначение. В случае необходимости по нему производится аппроксимация характеристик любого из узлов. Предусмотрены различные алгоритмы аппроксимации и варианты представления исходных данных для нее. Наиболее сложной является аппроксимация или табулирование характеристик компрессора из-за наличия вертикальных веток и помпажной кривой. Для нее был разработан отдельный вариант модуля, в котором производится замена переменных. После нее характеристики компрессора получаются очень пологими, поэтому после табулирования данные выбираются из таблиц с минимальными погрешностями. Их несложно аппроксимировать. Однако вместо двух исходных графиков получается четыре.

Характеристики с одномерной оптимизацией.

Модуль предназначен для расчета дроссельной характеристики двигателя с автоматическим подбором значения одного из параметров, обеспечивающего минимальное или максимальное значение заданной функции цели (критерия оптимизации). Например, может быть рассчитана максимальная мощность на выводном валу силовой турбины при различных значениях частот вращения турбокомпрессора или может быть рассчитана высота полета, на которой расход топлива будет минимальным.

Характеристики в нечетких числах.

Модуль предназначен для расчета разброса параметров дроссельной характеристики (откликов), вызванного одновременным разбросом нескольких входных параметров двигателя (факторов). Это могут быть внешние условия или погрешности геометрических размеров. Для них задаются пределы изменения в процентах от номинального значения. Используется алгоритм полного факторного эксперимента.

Стохастические характеристики.

Модуль тоже предназначен для расчета разброса параметров дроссельной характеристики, но задаются не пределы изменения факторов, а параметры их закона распределения. В результате расчета для откликов тоже получаются параметры законов их распределения. Обычно используются равномерный, нормальный (закон Гаусса) или нормальный усеченный законы.

Динамические характеристики.

Модуль предназначен для расчета переходных процессов. Он обеспечивает расчет всех параметров по времени при переходе двигателя с одного заданного режима на другой. Режимы работы двигателя и законы управления могут быть любыми.

Коэффициенты влияния.

В этом модуле производится линеаризация зависимостей, и рассчитываются таблицы, каждый элемент которых показывает на сколько процентов изменится отклик при изменении фактора на один процент. Набор откликов и факторов задается. В качестве факторов может быть использован любой параметр, входящий в исходные данные, а в качестве откликов любой параметр из рабочего массива результатов.

Формирование облика ГТД.

Математическая модель, описанная выше, обеспечивает только поверочный расчет ГТД, поэтому все основные размеры его и характеристики должны быть заданы. Это очень удобно при доводке или модернизации, т.е. наиболее массовых расчетах в промышленности, но не применимо при закладке нового ГТД, когда требуемые данные просто не откуда взять. В этом случае необходимо начинать с формирования облика ГТД. В нем применен необычный искусственный закон управления, который имеет разные варианты. Вместо характеристик узлов задаются постоянные значения параметров. Обычно бывают заданными тяга двигателя (или мощность, если это турбовальный двигатель) и максимальная температура газа перед турбиной. В этом случае организуется невязка по тяге (или по мощности на выводном валу), а варьируется расход воздуха через двигатель. Возможны и другие варианты. Такое формирование облика является простейшим и применяется в основном при предварительном выборе вариантов проточной части и в студенческих проектах. В более сложных случаях, когда возможно изготовление спроектированного двигателя и необходимо получение наилучших параметров, рекомендуется использовать модуль многомерной оптимизации.

Многомерная оптимизация.

Модуль предназначен для поиска оптимального варианта проточной части двигателя. Его использование начинается с выбора функции цели (критерия оптимизации), по которой можно судить о степени совершенства двигателя. Разработаны подробные рекомендации по ее выбору для разных типов летательных аппаратов и наземных транспортных средств. Составляется перечень параметров, которые могут изменяться в процессе поиска. Они определяют размерность задачи.. Задаются ограничения первого и второго рода, которые определяют область поиска. Для поиска используется специально разработанный алгоритм, но могут применяться и любые другие алгоритмы, описанные в литературе. В любом случае на каждом шаге поиска производится обращение к математической модели. Лучшие результаты были получены в процессе доводки проточной части, когда большинство размеров уже нельзя изменять, и поэтому снижается размерность задачи, а точность математической модели уже можно повысить за счет идентификации.

Диагностика.

Модуль предназначен для диагностирования проточной части ГТД по термогазодинамическим параметрам в процессе эксплуатации. Алгоритм базируется на разработанной библиотеке возможных дефектов. В случае отличия измеренных параметров от эталонных перебираются все дефекты, имеющиеся в библиотеке для данного двигателя или данного экземпляра, и среди них выявляется наиболее вероятный дефект. Он обеспечивает минимальное значение суммы квадратов невязок между параметрами исследуемого и эталонного двигателя. В процессе поиска варьируется и величина исследуемого дефекта.

Идентификация.

Модуль предназначен для повышения точности математических моделей, а также в целях диагностики конкретных ГТУ. Он может использоваться, когда уже имеются результаты измерений параметров двигателя или его отдельных узлов при эксплуатации или испытаниях. Работа алгоритма начинается с того, что по математической модели рассчитываются значения тех же самых параметров, которые были измерены, и на тех же самых режимах. Расхождения между рассчитанными и измеренными значениями параметров образуют массив невязок. Взвешенная сумма их квадратов минимизируется за счет изменения значений наименее достоверных параметров математической модели. Алгоритм минимизации эвристический. Получающаяся в результате идентификации апостериорная модель имеет большую точность, чем исходная априорная. Ее можно успешно использовать при выполнении любых расчетов с использованием перечисленных выше модулей задач. Этот модуль получил наиболее широкое распространение, так как он оказался очень эффективным при доводке и модернизации двигателей.

Расчет параметров газовой турбины.

Производится по математической модели третьего уровня сложности, которая описывает рабочий процесс в проточной части турбины, геометрические размеры которой заданы. Все параметры считаются осредненными по сечению, и все формулы записываются для среднего диаметра (средней линии тока). Пространственность потока может учитываться только поправками. Этот модуль вводится в объем поставки только по специальному заказу. В базовой поставке используются модели второго уровня сложности.

Расчет параметров осевого компрессора.

Производится по математической модели третьего уровня сложности, которая описывает рабочий процесс в проточной части компрессора, геометрические размеры которого заданы. Все параметры считаются осредненными по сечению, и все формулы записываются для среднего диаметра (средней линии тока). Этот модуль вводится в объем поставки только по специальному заказу.

Расчет проточной части осевого компрессора.

Производится по математической модели четвертого уровня сложности, которая описывает рабочий процесс в проточной части компрессора, геометрические размеры которого заданы на нескольких радиусах. Все параметры считаются на этих радиусах. Этот модуль вводится в объем поставки только по специальному заказу.

Оптимизация собственных моделей.

Модуль предназначен для поиска оптимального варианта любых математических моделей, не входящих в систему, поэтому он всегда поставляется отдельно. Он может использоваться, когда у заказчика имеется своя адекватная математическая модель. Оптимизация начинается с выбора функции цели (критерия оптимизации), по которой можно судить о степени совершенства изделия. Данный модуль был популярен в прошлые годы, но в настоящее время на рынке появилось большое число пакетов оптимизации, некоторые из которых являются более быстрыми.

Идентификация собственных моделей.

Модуль предназначен для повышения точности любых математических моделей, не входящих систему, поэтому он всегда поставляется отдельно. Он может использоваться, когда у заказчика имеется своя математическая модель и уже имеются результаты испытаний изделия, которое описывает данная модель.