Предлагаем рассмотреть цикл проектирования («Design System»), построенный на базе ПО Concepts NREC® (Системы «Agile Engineering Design System»)

Процесс проектирования турбомашины может быть описан в виде круговой диаграммы, представляющей собой последовательность операций, образующих  замкнутый цикл проектирования.

Начало процесса проектирования. Проект начинается с эскизного проектирования проточной части (одномерный расчет по средней линии). На диаграмме Meanline analysis. Красным цветом указаны названия одномерных кодов, которые используются на данном  шаге: AXIAL, COMPAL, PUMPAL, FANPAL, RITAL. Определяется основные геометрические параметры машины: контура проточной части, количество ступеней, параметры закрутки потока, скелетные углы лопаток, количество лопаток.

Проработка пространственной геометрии поточной части (3D Geometry generation), профилирование, при этом начальная твердотельная трехмерная геометрия проточной части создается автоматически по данным одномерного анализа. На этом шаге в программном модуле AXCENT профилируются лопатки, редактируются обводу проточной части. При профилировании, для получения распределения нагрузки по лопатке и обводом проточной части, используются решатели основанные на анализе кривизны струек тока: Rapid Loading (анализ по одной струйке тока), MST (Multi STream – анализ по многим струйкам тока). Для получения распределения параметров потока по высоте канала и расчета интегральных параметров используется реватель: TroughFlow Analyses (квазитрехмерный анализ) основанный на решении уравнений Эйлера и привлечением моделей потерь (для учета вязких эффектов и пр.). Стрелка, указывающая обратный переход к Meanline analysis обозначает возможность коррекции одномерной модели по результатам профилирования.

После первичной проработки пространственной геометрии, для получения полной  картины течения в проточной части используется упрощенный CFD решатель - PUSHBUTTON CFD.  Решение осредненных по Фавру пространственных уравнений Наве-Стокса. Основным преимуществом PUSHBUTTON CFD является скорость получения решения, и параметрическая связь с геометрией проточной части. Дискретная модель (сетка) Н, О и О-Н типов может создаваться автоматически. 

По результатам CFD расчетов может быть выполнена коррекция эмпирических коэффициентов моделей потерь в одномерных кодах, что позволит сделать более реалистичными результаты одномерной модели турбомашины. Как правило характеристики турбомашины в широком диапазоне изменения параметров строятся на основе одномерного анализа. Поэтому желательно после получения результатов для приемлемого по прочности и по показателям эффективности варианта геометрии проточной части выполнить коррекцию одномерной модели. Для этого предусмотрен двунаправленный интерфейс обмена данными  между AXCENT и всей линейкой одномерных кодов. В радиальных кодах присутствует режим DATA REDUCTION. В этом режиме формируются таблицы параметров, которые получены либо на лаборатоном стенде, либо из 3D анализа вязкого течения. По этим данным автоматически происходит коррекция коэффициентов в моделях потерь. После этого можно построить заново характеристику турбомашины и оценить, насколько она изменилась относительно первичного эскизного проекта.

Формирование расчетной модели для структурного анализа (FEA). Из AXCENT вызываются модули STRESSPREP (для радиальных турбомашин) и AXISTRESS (для осевых турбомашин) для создания конечно-элементных моделей структурного анализа. Здесь же прорабатываются дополнительные элементы конструкции (форма и геометрия обратной стороны диска центробежного колеса, форма и размер галтельных переходов, размеры покрывного диска, форма ступицы, геометрия хвостовика осевой лопатки, бандажной полки, и т. д.). Все элементы задаются параметрически на основе стандартных эскизов. Из CFD анализа может быть передано распределения температур и давлений по поверхностям лопатки и выполнено автоматическое преобразование из горячей геометрии в холодную и обратно. Для решения задач НДС (Напряженно-Деформированного Состояния) STRESSPREP или AXISTRESS используют сторонние коммерческие коды, (ANSYS, ABAQUS, NASTRAN, COSMOS, и т. д.) которые запускаются в фоновом режиме. После выполнения расчетов STRESSPREP и AXISTRESS могут быть использованы как постпроцессор для FEA анализа. Для этого реализованы специальные (удобные для турбомашиностроения) средства (визуализация напряжений, построение кэмпбелл, гудман диаграмм и т. д.)

Результаты структурного анализа могут быть использованы для оценки ресурса всей установки (Life Evaluation)

После проработки геометрии проточной части формируется эскиз ротора турбомашины в программных модулях ROTORLAB или DyRoBeS., где учитываются тип, расположение и геометрические характеристики подшипников и уплотнений и т. д.. Также в DyRoBeS проектируются подшипники скольжения как масляные, так и газодинамические. На эскизе задаются плоскости балансировки и размещения балансировочных грузов. После изготовления ротора в процессе его балансировки количество пробных пусков может быть значительно сокращено, если после первых пусков данные по реакциям опор передаются в ROTORLAB или DyRoBeS для получения рекомендаций по изменению веса и размещения балансировочных грузов.

После того, как геометрия проточной части была создана и модифицирована, проект передается для конструктивной проработки в CAD системе. Шаг CAD and Solid Modeling. В этом месте в цикле проектирования образуется разрыв, заполненный конструктивной проработкой элементов турбомашины и выпуском чертежей, для чего используются CAD системы сторонних производителей. Из AXCENT осуществляется экспорт геометрии в нейтральных форматах iges, Parasolid. Могут быть экспортированы только сечения, сечения с поверхностями, твердотельные модели. Результаты CFD анализа на этом этапе могут быть использованы для корректировки гидравлических схем (схема охлаждения элементов проточной части газовой турбины), корректировки тепловых балансов установки и т.д. в случае наличия отборов из проточной части.

Параллельно с выпуском чертежей и конструктивной проработкой элементов и деталей турбомашины начинается генерация управляющих программ для обрабатывающих комплексов. Шаг Rapid Prototyping, Numerical Machining. Для этого предназначены программные модули MAX-5™ (обработка поверхностей лопаток, полученных методом протягивания вдоль образующих), MAX-AB™ (обработка поверхностей лопаток произвольной формы), MAX-SI™ для обработки неразъемных лопаточных колес интегрированных с покрывным диском.

Laboratory Testing for Components, Product development system, Virtual Laboratory означает переход к натурным или модельным испытаниям. В компании Concepts NREC имеется большой опыт, как собственной разработки измерительных комплексов, так и проведения испытаний. На этом этапе осуществляется комплекс мероприятий по подготовке и проведению эксперимента. При необходимости проводится альтернативный CFD анализ выбранных режимов с использованием CFD кода высокого уровня.

Следующим шагом является синтез полученных экспериментальных и численных результатов (Synthesis). Сравниваются результаты 3D CFD анализа с результатами испытаний. После этого цикл проектирования замыкается переходом на Meanline analysis, где при необходимости осуществляется коррекция одномерной модели для уточнения прогнозируемых характеристик турбомашины в широком диапазоне изменения параметров.

Следует отметить, что все «колесо дизайна» расположено на накопленной базе знаний (Operational Database). По завершении проекта проточной части турбомашины результаты могут быть добавлены в базу знаний для последующего использования как начальной точки приближения. Особенно это удобно на этапе разработки эскизного проекта, когда можно выбрать эмпирические коэффициенты моделей потерь не из общих теоретических предпосылок, а основываясь на результатах испытаний или 3D CFD расчетов конструкций аналогичного типоразмера. Можно начать проект с одномерного проектирования «по осевой линии» или взять за основу существующую конструкцию уже на этапе пространственного проектирования элементов проточной части (3D Geometry generation).

Все шаги процесса проектирования могут быть использованы в процессе многопараметрической, многодисциплинарной оптимизации. Поэтому в центр «колеса дизайна», отражающего процесс проектирования помещен модуль оптимизации. Оптимизация может быть проведена исключительно по газо- гидродинамическим показателям эффективности проточной части, при этом в качестве налагаемых ограничений могут быть наложены прочностные параметры конструкции. Или, к примеру, может быть проведена оптимизация массогабаритных параметров исключительно за счет варьирования геометрии ступицы и обратной поверхности диска радиального колеса. В этом случае CFD расчет на каждой итерации не проводится. Вся геометрия описывается параметризованными эскизами, что позволяет программе оптимизации автоматически перестраивать геометрию и создавать расчетную конечноэлементную сетку. Система проектирования CNREC имеет прямую связь и может быть дополнена Программным Комплексом Многокритериальной Оптимизации IOSO NM.