俄羅斯燃氣渦輪發動機數字孿生進展

高靜軒

（中國航發貴陽發動機設計研究所，貴陽 550081）

0 引言

數字孿生定義萌芽于2002 年密歇根大學Michael Grieves 在產品全生命周期管理課程上提出的“與物理產品等價的虛擬數字化表達”[1]。隨著對數字孿生的研究與認識的不斷深化，美國、俄羅斯等國家紛紛提出數字孿生的定義。如2020 年，美國航空航天學會和美國航空航天工業協會[2]發布《數字孿生：定義與價值》報告中提出：數字孿生是1套模擬單個/唯一的實物資產或1組實物資產的結構、環境和行為的虛擬信息架構，利用其全壽命周期內的物理孿生數據來進行動態更新，并給出有助于實現價值的決策；2021 年，俄羅斯聯邦國家標準（ГОСТ Р）[3]在產品數字孿生總則中提出：產品數字孿生是由產品數字模型和與產品（有產品時）和（或）其構成部分的雙向信息鏈組成的系統?？傮w來看，目前數字孿生的定義數量龐大但還未統一；2022 年，孫明霞等[4]采用文獻統計研究與內容聚類研究的方法，對64 個典型數字孿生定義進行了歸納研究：采用先進的數據技術、網絡技術和綜合技術對物理實體進行多學科、多物理場、多尺度、多概率、高保真度的仿真，并建立物理實體與虛擬實體的數據映射與鏡像，通過虛擬實體反映物理實體全生命周期過程，以此來支撐決策、提高效能；2023 年，為了在航空發動機研制中準確運用數字孿生技術，劉超等[5]提出面向航空發動機研制的數字孿生定義核心要素是發動機實體、孿生模型、數據和交互，數字孿生以航空發動機實體為實現載體，以孿生模型為實現功能的核心，以數據和交互作為媒介和推動手段，最終達到提高航空發動機質量、保障航空發動機運行的目的。

美國、英國、俄羅斯等國家大力推動數字孿生技術在燃氣渦輪發動機領域的研究和應用，實現了對過去知識和經驗的傳承與重用、對當前狀態的評估與診斷、對未來發展的特性預估與趨勢預測，有助于達到縮短周期與降低成本的目的，數字孿生將成為越來越重要的發動機輔助研制技術體系和工作模式[6-7]。

根據自身發展特點，俄羅斯政府、聯合發動機制造集團、大學及研究機構共同開發燃氣渦輪發動機數字孿生技術，從2014 年開始，政府通過組織開發數字平臺、發布規劃、標準及舉辦數字孿生論壇等，為燃氣渦輪發動機數字孿生技術發展建立了良性的產業生態。聯合發動機制造集團主導并統籌大學、研究機構、企業等優勢力量，開展數字孿生技術在型號中的應用研究，目前已取得一定進展，但公開文獻較少，綜述更少。本文基于此，從政府和聯合發動機制造集團2 個層面歸納了俄羅斯燃氣渦輪發動機數字孿生技術的發展歷程，總結了其發展特點，以為燃氣渦輪發動機技術研究和產品研制引入數字孿生提供參考和借鑒。

1 政府

為牽引數字孿生技術在包括燃氣渦輪發動機在內的工業領域的應用，俄羅斯政府從國家戰略層面給予高度重視，通過組織開發數字平臺、發布規劃、標準及舉辦數字孿生論壇等，為燃氣渦輪發動機數字孿生的成熟和落地提供人力、物力和財力支持。

2014 年，俄羅斯開始打造統一的數字平臺CMLBench?[8]，涵蓋高科技工業產品/產品及其制造工藝/生產流程的數字孿生和智能數字孿生的開發、應用平臺，以及系統數字工程管理系統，如圖1 所示。CMLBench?平臺自2014 年開發以來，不斷進行定期改進和擴展，以滿足不同高科技行業的要求。主要開發機構：圣彼得堡彼得大帝理工大學中央計算機工程中心、圣彼得堡彼得大帝理工大學國家工藝創新中心、計算力學實驗室等。

圖1 CML-Bench?平臺

2017年10 月，俄羅斯政府正式批準了《聯邦數字經濟規劃》[9]，并于2018年開始實施，數字化技術隨之在各行業掀起發展熱潮。2019 年10 月10 日，俄羅斯數字發展、通信與大眾傳媒部公布了“數字技術”計劃7 大領域的技術路線圖[10]?！皵底只夹g”國家計劃是《聯邦數字經濟規劃》的進一步落實，在計劃框架下共包含了區塊鏈系統、量子技術、新制造技術、神經技術與人工智能、機器人和傳感器組件、無線技術、虛擬和增強現實技術、大數據、工業物聯網等9 大數字化技術領域，此次公布的是前7大領域的2019～2024年技術路線圖。而在眾多先進技術中，數字孿生技術幾乎是所有“端到端”數字化技術的集成。

2020 年，俄羅斯國防部舉辦軍艦領域數字孿生論壇，討論海軍武器研制的新技術方向，重點討論數字孿生技術在研制、制造和測試等環節的應用[11]。

經過多年成熟發展，在CML-Bench?順利通過官方審查后，2021年2月，俄羅斯數字發展、通信與大眾傳媒部簽 署2021 年2 月16 日№84 命令，將CMLBench?引入俄羅斯電子計算機程序和數據庫統一登記冊。

2021 年9 月16 日，俄羅斯公布了國家標準700-GOST R 57700.37-2021“計算機模型和建模.數字孿生.一般規定”[3]。這是世界上首次出臺的數字孿生相關的國家標準，聚焦的是數字孿生創造產品，定義了術語以及產品數字孿生的一般規定。該文件還首次引入了“產品數字模型”的定義，并對“數字（虛擬）測試”、“數字（虛擬）測試臺”和“數字（虛擬）測試場”等概念進行了統一，進一步推動數字孿生技術的發展。

2 聯合發動機制造集團

俄羅斯將數字孿生技術視為加速燃氣渦輪發動機發展的1個重要推動力，計劃在2024年完成數字孿生技術的引入工作，作為燃氣渦輪發動機行業的領軍企業，聯合發動機制造集團是整個項目的組織者和協調員，其組織涉及的數十家大學、行業研究機構和企業開展數字孿生研究工作，如其與中央航空發動機研究院聯合研究數字孿生技術，已應用于發動機產品的全生命周期研制管理；與圣彼得堡彼得大帝理工大學簽署名為“TechnetNTI-ODK”的合作路線圖，旨在合作攻關和優化發動機的數字孿生技術，并于2020 年討論了TV7-117ST-01 發動機數字孿生等項目的中期成果和發展前景；與Zyfra 集團合作開發工業物聯網平臺ZlloT，將人工智能引入發動機制造，以創建未來產品的數字孿生，將用于AI-222-25渦扇發動機的生產[12]；與薩洛夫工程中心合作將虛擬現實技術集成到發動機數字孿生中，解決了使用數字孿生技術獲得的數據可視化問題[13]。

目前，聯合發動機制造集團下屬土星科研生產聯合體（土星公司）、克里莫夫公司和禮炮燃氣渦輪科研生產中心（禮炮公司）等已將數字孿生技術應用到了TV7-117 渦槳發動機和AI-222-25、SaM146、PD-14、PD-35 等渦扇發動機，以及蘇-57 戰斗機發動機的研制中，并將數字孿生技術拓展至艦用燃氣輪機。受文獻所限，主要對AI-222-25 渦扇發動機、TV7-117 渦槳發動機及M90FR艦用燃氣輪機開展分析。

2.1 禮炮公司的AI-222-25渦扇發動機

AI-222-25 發動機主要為雅克-130 飛機提供動力。禮炮公司在完全掌握AI-222-25 發動機批量生產后，于2019 年啟動了該發動機組件的數字化工作。2019 年底，禮炮公司開始打造統一的數字孿生平臺（如圖2 所示），整合所有產品和數學模擬過程中產生的數據、文件和專業化軟件程序。該技術將有助于對設計的航空發動機進行型號認證和狀態測試，有望將整個產品研制周期縮短15%~20%，同時還能提供數值模擬的準確度，降低產品的設計成本[14]。

圖2 禮炮公司開發的數字孿生工作平臺

2021 年初，禮炮公司與中央航空發動機研究院、莫斯科航空航天大學、圣彼得堡彼得大帝理工大學和“高級工程”公司合作，啟動了AI-222-25發動機數字孿生項目。

2022 年7 月，專家們開發了AI-222-25 發動機的數學模型，并對其進行了驗證，并集成到了數字平臺中。AI-222-25發動機壓氣機部件數字模型如圖3所示。AI-222-25 發動機數字孿生是集成到單個數字平臺中的1 組數學計算模型，允許工程師們在發動機整個生命周期中計算和預測發動機性能。工程師們模擬了批產AI-222-25發動機的整體特征，包括組件和部件細節，并將獲得的結果與多級需求矩陣聯系起來。在項目框架內，項目組還分析了AI-222-25發動機需要進行的所有認證試驗，并將其過程數字化，這些相應的認證試驗數學模型可以用來驗證發動機的數學模型，從而減少真實發動機所需的試驗量，并預測發動機強度、參數、可靠性等關鍵性能的變化，從而縮短發動機研制和認證時間[15]。

圖3 AI-222-25發動機壓氣機部件數字模型

2.2 克里莫夫公司的TV7-117渦槳發動機

TV7-117 渦槳發動機可為俄羅斯最新的米-38直升機以及伊爾-112V 和伊爾-114-300 飛機提供動力。早在2019 年，圣彼得堡彼得大帝理工大學根據克里莫夫公司要求就完成了基于數字孿生技術的TV7-117ST-01 發動機減重項目研究，目標是減少發動機靜子部件的質量，任務是將克里莫夫公司在該級別發動機研制方面的所有經驗數字化，分析所有計算依據、設計文件、試驗結果等，并在CML-Bench?數字平臺的新設計范式中對其進行解釋。研發中心的專家還開發了一系列虛擬試驗臺和虛擬試驗站點的結構，以及1 個材料數學模型和一系列發動機虛擬試驗方法。結果在保證滿足壽命、葉片保持構型等要求的情況下，使單個靜子零件質量降低達50%，發動機減速器機匣質量優化過程如圖4 所示。根據虛擬試驗結果提出的所有設計變更都沒有影響發動機運行的安全性，目前正在進行設計工作，并計劃在2022 年后進行推廣[16]。

圖4 發動機減速器機匣質量優化過程

2020 年10 月，克里莫夫公司開發出了TV7-117的第1 級數字孿生模型，即根據圖紙的參考參數創建了虛擬發動機模型。并已與圣彼得堡彼得大帝理工大學合作創建TV7-117 的第2 級數字孿生模型，計劃于2022 年完成。第2 級數字孿生模型是集成到生產中的虛擬數學模型。存儲并顯示制造相關的每個發動機的創建、現有參數和操作的詳細信息?，F已確定了TV7-117 發動機軸流壓氣機的13 個主要元素，將為其創建虛擬算法，從而完全重復大規模生產的技術過程。第2 級數字孿生模型是“智能工廠”概念的前提，意味著不僅要針對單個產品，而且要作為整個生產系統的一部分來形成和使用數字孿生模型[17]。

開發的TV7-117ST-01 發動機數字孿生體（如圖5 所示）將生產和工藝流程集成到產品的數字模型中，實現了零件制造工藝過程的端到端建模，其中包括對每個單獨工藝的建模，并確保得到的結果之間的信息轉換。在發動機制造中使用數字孿生將有助于確定可能導致事故的隨機參數、缺陷和偏差，消除這些缺陷和偏差將使發動機更高效、更安全[18]。TV7-117ST-01發動機數字孿生主要工作內容見表1。

表1 TV7-117ST-01發動機數字孿生主要工作內容

圖5 TV7-117ST-01發動機數字孿生體

2.3 土星公司的M90FR艦用燃氣輪機

M90FR 燃氣輪機是為22350 型最新護衛艦提供動力的M55R 柴油燃氣輪機機組，將成為未來海軍發動機的基礎。土星公司早在2018 年就建立了采用數字孿生的生產車間，來開展燃氣渦輪發動機及其組件制造生產鏈的數字化工作，并應用物聯網技術，將數據感應、采集與生產控制系統及車間數字孿生關聯在一起，以實現實物和孿生體的互聯共生[19]。

2021 年，根據俄羅斯工業和貿易部要求，土星公司聯合圣彼得堡彼得大帝理工大學中央計算機工程中心、中央航空發動機研究院等機構，開展了M90FR艦用燃氣輪機及其附件減速器數字孿生試驗技術的研究工作（如圖6 所示）[20]。該項目為期3 年，目標包括開發艦用燃氣輪機數字孿生的試驗技術和基于模型的系統工程方法以確保艦用燃氣輪機及其附件的可持續發展，在CML-Bench?數字平臺上創建M90FR發動機的數字孿生體。根據項目規劃，將開發6 個軟件、380 多個發動機部件和系統的數學模型，進行約2000次虛擬測試，分4個階段實施。

圖6 M90FR艦用燃氣輪機及其附件減速器

2023 年10 月，土星公司已完成該項目。該項目在CML-Bench?平臺上實施，使用了1 個發動機技術狀況預測系統，采用數字孿生技術將工程計算的執行時間縮短30%~40%。為艦用燃氣輪機開發了多層次的需求矩陣、目標矩陣和壽命限制矩陣以及1 套計算機模型，可以在運行階段監測和預測發動機的技術狀況。通過研究獲得的軟、硬件將用于研制先進的艦用燃氣輪機[21]。這是俄羅斯首次實施該類項目。該項目將允許對艦用推進系統進行全壽命周期管理，并提高俄羅斯艦用燃氣輪機的可靠性和商業吸引力。

3 俄羅斯燃氣渦輪發動機數字孿生技術發展歷程

綜上所述，俄羅斯試圖通過大力發展數字孿生技術，達到縮短燃氣渦輪發動機產品研制周期、降低研制成本的目的，俄羅斯政府、聯合發動機制造集團、大學及研究機構采取多項措施促進數字孿生技術在燃氣渦輪發動機領域的應用，其燃氣渦輪發動機數字孿生技術發展歷程如圖7所示。

圖7 俄羅斯燃氣渦輪發動機數字孿生技術發展歷程

4 結論

俄羅斯燃氣渦輪發動機數字孿生技術發展具有以下特點：

（1）政府、聯合發動機制造集團、大學及研究機構集中力量協同攻關。

政府從國家戰略層面科學布局數字孿生技術發展，通過組織開發數字平臺，出臺多項規劃，制定數字孿生標準及舉辦數字孿生論壇等，為燃氣渦輪發動機數字孿生技術發展建立了良性的產業生態。關鍵核心技術攻關過程中各主體的角色定位清晰，由行業領軍企業聯合發動機制造集團主導并統籌大學、研究機構、企業等優勢力量，開展關鍵核心技術攻關，以專業化分工、行業大協作加快攻關。

（2）技術基礎研究與型號應用結合。

聯合發動機制造集團正在通過整合虛擬現實、基于物聯網的傳感器系統、云計算、人工智能等來改進燃氣渦輪發動機數字孿生技術。面向AI-222-25 渦扇發動機、TV7-117ST-01 渦槳發動機和M90FR 艦用燃氣輪機等重點型號需求，快速啟動試點項目，開展數字孿生技術在型號中的應用研究，目前已取得一定進展。