Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка активных комбинированных подшипниковых узлов роторных агрегатов летательных аппаратов

Докладчик: Поляков Роман Николаевич

Должность: Доцент, доцент

Цель проекта:
Разработка теоретических основ расчета и проектирования активных комбинированных опор роторов (АКОР), которые представляют собой гибридный опорный узел из подшипника качения, подшипника скольжения и электромагнитных или пьезоактуаторов. Создание экспериментальных образцов активных комбинированных опор роторов, обладающих повышенными эксплуатационными характеристиками для машин и агрегатов вращательного движения, которые используются в авиационной, ракетно-космической, автомобильной и др. техники.

Основные планируемые результаты проекта:
Достижение поставленной цели предполагает разработку комплекса научно-технических решений,
направленных на создание качественно нового типа опор роторов агрегатов летательных аппаратов,
отличающихся наличием интегрированных систем автоматизированной диагностики и активного
управления параметрами работы роторной системы, что позволит радикально повысить надежность,
ресурс, энергоэффективность и динамические характеристики изделий. Выполнение проекта предполагает
решение ряда теоретических и экспериментальных задач.
1. Проведение комплексного анализа российской и зарубежной научно-технической, нормативной,
методической литературы, затрагивающей тему теоретических и экспериментальных исследований
подшипниковых узлов, мехатронных систем управления, а также математических методов моделирования
в рассматриваемой области.
2. Обобщение опыта наиболее конкурентоспособных российских и зарубежных производителей
двигателей и агрегатов авиационной и ракетно-космической техники; анализ показателей
функционирования опорных узлов роторных машин;
анализ мировых тенденций и перспективных направлений совершенствования двигательных установок и
вспомогательных систем летательных аппаратов.
3. Проведение патентных исследований и аналитический обзор перспективных технических решений в
области мехатронных технологий и комбинированных опор роторов.
4. Формирование концептуальной модели новых типов комбинированных подшипниковых узлов,
обладающих функциями автоматизированной диагностики и активного управления параметрами работы
роторной машины на основе принципов структурной адаптации, интеграции традиционных и
современных решений в области разработки подшипниковых узлов, систем управления и диагностики в
единый программно-аппаратный комплекс.
5. Разработка комплекса новых технических решений комбинированных опор роторов, реализующих
принципы структурно-функциональной адаптации с автоматическим управлением на различных режимах
работы роторной машины. Это позволяет создать подшипниковые узлы, отличающиеся способностью
работать в более широком диапазоне условий, чем опоры традиционной конструкции, не оснащенные
системами активного управления. Кроме того, это позволяет разработать множество конфигураций
активных комбинированных опор роторов (АКОР) под конкретные практические задачи с возможностью
обеспечения их правовой охраны.
6. Формирование базовых принципов реализации интеллектуального управления движением роторов с
позиций обеспечения повышенной виброустойчивости, ресурса роторно-опорной системы и минимальных
потерь на трение.
7. Формирование теоретических основ расчета АКОР на основе реализации синергетического эффекта при
совместном решении задач гидромеханики, теории колебаний, термодинамики и теории автоматического
управления как основополагающего компонента активных опор. Это в значительной степени отличает
исследование от традиционного подхода к проектированию подшипниковых узлов, а также требует
разработки новых подходов к решению соответствующих математических и вычислительных задач. Для
решения связанных задач, основанных ра совместном решении дифференциальных уравнений в частных
производных высокого порядка требуется применение современных вычислительных методов и
привлечения значительных вычислительных ресурсов. Это может быть обеспечено использованием
мощного вычислительного оборудования центров коллективного пользования.
8. Разработка комплекса математических моделей процессов в АКОР, связанных с расчетом сил,
перемещений, деформаций, полей давления, температур; алгоритмические модели систем автоматического
управления.
9. Выбор рациональных вычислительных методов для реализации сформированных математических
моделей и разработка прикладных программ для расчета динамических характеристик роторов и
интегральных характеристик опор, включая несущую способность, потери мощности на трение и прокачку
10. Проведение мероприятий по верификации, валидации и апробации концептуальной и математической
модели АКОР с использованием аналитических методов.
11. Проектирование и создание экспериментального стенда, включающего роторно-опорную установку с
турбинным приводом, пневматическую систему питания, смазочную систему, а также
автоматизированную информационно-измерительную систему с функциями управления параметрами
работы роторно-опорной системой.
12. Разработка и изготовление экспериментальных образцов АКОР для проведения модельных и натурных
экспериментальных исследований.
13. Проведение комплекса модельных и натурных экспериментальных исследований с использованием
разработанных программ с целью проверки адекватности разработанных теоретических положений,
математических и программных моделей, а также выявления новых закономерностей функционирования
АКОР.
14. Разработка методологии и инструментария расчета проектирования АКОР с использованием
современных вычислительных средств, позволяющих унифицировать процесс проектирования АКОР, а
также решать отдельные задачи проектирования с использованием разработанного программного
обеспечения, являющегося объектом правовой охраны.
15. Разработка концептуальной модели автоматизированной системы научных исследований (АСНИ)
комбинированных опор роторов с функциями автоматизированной диагностики и активного управления
параметрами, предполагающих проведение теоретических и экспериментальных исследований с
использованием пакета прикладных программ, автоматизированных информационно-измерительных
систем, математико-статистических методов планирования и обработки результатов
16. Разработка совместно с индустриальным партнером и соисполнителями проекта комплекса
мероприятий по внедрению результатов научного исследования в виде законченных конструкторских
решений АКОР в опытные образцы роторных агрегатов ракетно-космической техники новых поколений.
Ввиду наличия преимуществ перед опорами традиционной конструкции, не оснащенными системами
автоматизированной диагностики и активного управления параметрами, ожидается вытеснение таких опор
активными комбинированными опорами в современных образцах роторных машин, а также в
разработанных ранее, но подлежащих модернизации. К числу таких преимуществ относятся: повышенная
надежность АКОР, обусловленная возможностью с высокой точностью адаптироваться к изменяющимся
условиям работы роторных систем за счет интегрированных средств диагностики и активного управления;
повышение ресурса роторных агрегатов за счет обеспечения их работы в оптимальных режимах, главным
образом за счет активного контроля переходных режимов работы, связанных с пуском и остановкой, в ходе
которых наблюдается повышенный износ опорных узлов.
Обозначенные преимущества АКОР имеют важное значение как для повышения эффективности решения
уже имеющихся научно-технических задач, связанных с разработкой и применением авиационной и
ракетно-космической техники, созданием эффективных многоразовых летательных аппаратов, так и для
решения принципиально новых задач, связанных, например, с освоением новых пространств и сред
(водная среда, ближнее и дальнее космическое пространство). Решение задач подобного рода связано со
значительным научно-техническим прогрессом и позволяет достичь существенного социально-
экономического эффекта.
Принципиальная новизна разрабатываемых в проекте научно-технических решений (конструктивные
схемы, алгоритмы работы, программное обеспечение для математического моделирования) обусловливает
их патентоспособность, а потребность в современных технологиях в сфере авиационной, ракетно-
космической и машиностроительной промышленности является основанием для оценки их лицензионных
возможностей в высокой степени.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Основной сферой применения активных комбинированных опор роторов являются роторные агрегаты
существующих и перспективных летательных аппаратов и ракетно-космической техники. АКОР могут
применяться во всех роторных машинах, в которых на настоящий момент используются комбинированные
опоры традиционной конструкции (двигатели, турбокомпрессоры, турбодетандеры). Производителями
такой техники являются многие крупные предприятия авиационной и ракетно-космической
промышленности как в России (ОАО «Конструкторское бюро химической автоматики», ОАО «НПО
Энергомаш им. акад. В.П. Глушко», ОАО «Турбонасос», ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева», ОАО
«Машиностроительное конструкторское бюро «Факел» им. академика П.Д. Грушина» и другие), так и за
рубежом ( NASA, Orbital Sciences Corporation в США, EADS в Евросоюзе, CNSA в Китае и аналогичные
предприятия в других государствах). Кроме того, ввиду имеющейся тенденции повышения
энергоэффективности современных роторных агрегатов за счет повышения частот вращения, актуальным
является вопрос применения в составе таких агрегатов наиболее современных типов опор, имеющих
повышенную надежность и ресурс благодаря встроенным системам автоматической диагностики и
активного управления параметрами. Кроме того, актуальным является использование комбинированных
опор роторов в роторных машинах, применяемых в иных отраслях промышленности (нефтегазовая,
химическая, металлургическая промышленность), отличительной особенностью которых является работа в
условиях частых пусков и остановок, высокие частоты вращения, а также повышенная
вибронагруженность и непостоянство условий внешней среды. Таким образом, сфера применения АКОР
затрагивает практически весь спектр выпускаемой продукции авиационной и ракетно-космической
техники, многие образцы других видов роторных машин, и продолжает активно расширяться.

Текущие результаты проекта:
1. Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и патенты за период 1970 – 2013 гг.
2. Выполнены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96. 3. Разработана концептуальная модель АКОР, отражающая основные принципы построения, особенности конструкции и функционирования АКОР.
4 Проведены теоретические исследования возможных вариантов построения АКОР, в ходе которых получены закономерности функционирования АКОР и выявлены особенности влияния геометрических и рабочих параметров АКОР на эксплуатационные характеристики опорного узла.
5. Разработаны математически модели двух вариантов АКОР.
6. Проведены теоретические исследования рабочих характеристик АКОР, в том числе: грузоподъемности, расхода смазочного материла, жесткости и демпфирования для оценки влияния системы управления на процессы, протекающие в роторных системах с АКОР.
7. Разработана рабочая конструкторская и эксплуатационная документация на испытательный стенд с турбинным приводом.
8. Разработано программное обеспечение информационно-измерительной системы испытательного стенда в составе: 1) модуль управления силовыми агрегатами испытательного стенда; 2) модуль сбора экспериментальных данных; 3) модуль обработки экспериментальных данных.
9. Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальные образцы АКОР.
10. Разработано программное обеспечение систем управления экспериментальных образцов АКОР в составе: 1) модуль управления актуаторами АКОР; 2) модуль сбора данных о положении ротора; 3) модуль обработки и регулирования характеристик АКОР.