4 - 2016

ANSYS помогает создавать инновации в турбомашиностроении

Кирилл Пестов
Инженер технической поддержки ГК «ПЛМ Урал».
Геннадий Новаковский
Руководитель отдела инженерного анализа ГК «ПЛМ Урал».

В настоящее время все больше инженеров используют численное моделирование в своей повседневной практике, тем самым ускоряя процесс проектирования изделия и его вывод на рынок. Компании Gilkes удалось повысить скорость и качество выпускаемой продукции благодаря правильно подобранной стратегии по внедрению инжинирингового программного обеспечения ANSYS. Стратегия, о которой речь пойдет ниже, может с успехом применяться на российских предприятиях, желающих выйти на качественно новый уровень ведения бизнеса и составлять конкуренцию не только внутри страны, но и за рубежом.

Компания Gilkes, мировой лидер по производству оборудования для малых ГЭС и охлаждающих насосов, имеет долгую и успешную историю, в основе которой лежит создание надежных изделий. В 2013 году руководство компании пришло к решению, что для сохранения лидирующих позиций на рынке необходимо внедрять инновационные продукты. Создав собственный отдел для инженерного моделирования, компания быстро и экономически эффективно обновила свою продуктовую линейку. Успешная компания, основанная 162 года назад, готова поделиться своей историей достижений с предприятиями, которые ориентированы на инновации.

CFD-моделирование ковшовой гидротурбины

CFD-моделирование ковшовой гидротурбины

Ужесточение экологических норм вместе с правительственными программами, стимулирующими производство экологически чистых продуктов и систем, привели к серьезным изменениям в инженерных кругах и во многих отраслях промышленности. Например, в энергетической промышленности большинство заводов строится с применением технологий, ориентированных на использование энергии ветра, воды и солнца, что создало быстрорастущий рынок и привело к новым требованиям клиента. Разработчики двигателей и их комплектующих сталкиваются с более строгими стандартами по выбросу вредных веществ, а также с ограничениями по весу, которые обеспечивают более эффективное применение топлива.

Ковшовая гидротурбина в цехе компании Gilkes

Ковшовая гидротурбина в цехе компании Gilkes

Gilbert Gilkes & Gordon Ltd (далее — Gilkes) является ведущим производителем гидроагрегатов и насосного оборудования. Входящая в ее состав Gilkes Hydro — мировой лидер в области производства гидроагрегатов, установившая более чем 6700 турбин в 80 странах. Gilkes Pumping Systems, также входящая в состав Gilbert Gilkes & Gordon Ltd, производит и поставляет высокотехнологичные насосы охлаждения для многих ведущих компаний по производству дизельных двигателей высокой мощности. Основанная в Великобритании в регионе Озерный Край в 1853 году, компания Gilkes продолжает следовать многолетним традициям. Основное производство располагается в одном и том же месте с 1856 года, а название компании остается неизменным с 1881­го. С постоянной клиентской базой и зарекомендовавшими себя конструкциями изделий компания Gilkes сохраняла лидирующие позиции на мировом рынке малых гидроэнергетических систем и охлаждающих насосов в течение многих лет.

Gilkes имеет долгую успешную историю Gilkes имеет долгую успешную историю

Gilkes имеет долгую успешную историю

«Традиционный подход Gilkes заключался в создании высокопроизводительных изделий за счет проведения тестовых испытаний и цикла оптимизационных расчетов, после чего происходила доработка конструкции в течение многих лет, — отмечает Линдси Ентвистл, инженер­конструктор охлаждающих насосов компании Gilkes. — Клиенты были очень довольны качеством нашей продукции, и такая стратегия работала на протяжении многих лет».

Тем не менее в последнее десятилетие наблюдаются изменения в энергетической отрасли, в которой работает компания Gilkes. В связи с предоставлением государственных субсидий для компаний, занимающихся возобновляемыми источниками энергии, рынок гидротурбин начал быстро развиваться во многих регионах мира, что привело к появлению конкурентов, и, чтобы сохранить свою долю на рынке, Gilkes должна была гарантировать высокую производительность турбин.

Кроме того, повышение экологических требований означало создание дизельных двигателей нового класса. Существующий охлаждающий насос компании Gilkes должен был соответствовать более высоким требованиям производительности, чтобы обеспечить сокращение вредных выбросов и снижение затраты на производство. Впервые за многие годы требования к продукции Gilkes резко изменились.

Конкурентное преимущество численного моделирования

В обоих рыночных сегментах исторические конкуренты компании Gilkes быстро двигались в сторону развития инновационных конструкций. Конкуренты в значительной степени полагались на инженерные инструменты вычислительной гидрогазодинамики (CFD), которые позволяют ускорить процесс разработки отвечающих заданным требованиям изделий и их вывод на рынок.

Численное моделирование не является новинкой для компании Gilkes. При необходимости анализа конструкции Gilkes заказывала расчеты у опытных специалистов в области CFD. Компания выделяла средства для научной работы студента из соседнего университета Lancaster University. За основу научной работы была взята одна из актуальных инженерных задач Gilkes.

«Раньше мы иногда занимались численным моделированием, но на самом деле не связывали его с основной стратегией поддержки развития инновационных продуктов, — поясняет Алан Робинсон, руководитель отдела разработок и исследований гидротурбин компании Gilkes. — Мы выполняли все данные обещания и производили работы раньше срока, гарантируя эффективность изделий. Но мы осознавали необходимость повышения производительности наших продуктов. Мы были вынуждены внедрять инновации, для того чтобы гарантировать высокое качество продукции и сохранить лицо нашей компании. Инженеры выступили с предложением создать собственную расчетную группу в области численного моделирования, так как стало понятно, что компьютерное моделирование — это ключевое конкурентное преимущество, которого нам не хватало».

«Мы показали Совету директоров возможности программного обеспечения, а также объяснили, насколько быстро оно сможет обновить нашу продуктовую линейку, — продолжает г­н Робинсон. — Совет директоров согласился вложить инвестиции не только в программное обеспечение, но и в новый инженерный состав, владеющий навыками компьютерного моделирования».

Обретение новой технологии

В 2013 году Джо Скотт был принят в компанию Gilkes как опытный CFD­инженер по направлению гидротурбин. Так как Скотт использовал программное обеспечение в течение 20 лет на предыдущем месте работы, он был назначен ведущим специалистом в области моделирования обоих направлений деятельности компании Gilkes.

«Первоочередной задачей был подбор необходимого программного обеспечения, — отмечает г­н Скотт. — Даже после того, как мы приняли решение о приобретении программного обеспечения, нам нужно было выделить конкретный круг решаемых задач. Мы поняли, что CFD­моделирование требуется для обоих направлений производства, но также была необходимость в проведении прочностных расчетов с использованием конечно­элементного анализа (FEA). Из большого числа предложенных инструментов нам было необходимо выбрать программный продукт, отвечающий нашим повседневным запросам».

Охлаждающие насосы Gilkes (слева) и прочностной анализ конструкции двухконтурного судового насоса в ANSYS Охлаждающие насосы Gilkes (слева) и прочностной анализ конструкции двухконтурного судового насоса в ANSYS

Охлаждающие насосы Gilkes (слева) и прочностной анализ конструкции двухконтурного судового насоса в ANSYS

Пытаясь обучить некоторых коллег основам моделирования, Скотт быстро понял, что для освоения программного продукта лучше пройти обучение у экспертов ANSYS. «Несмотря на то что я был знаком с программным обеспечением для CFD­расчетов достаточно хорошо, проведение мною обучений было бы экономически неэффективным с точки зрения потраченного времени и усилий. Кроме того, у меня было мало опыта использования FEA­продуктов, — говорит Джо Скотт. — Таким образом, у нас собралась группа людей, посещающих курсы обучения. Впоследствии именно из них удалось сформировать костяк пользователей и начать применять программное обеспечение».

На сегодняшний день к Скотту присоединились три специалиста, работающих в программном обеспечении ANSYS по направлению гидротурбин. В направлении, которое занимается охлаждающими насосами, Gilkes имеет четырех инженеров, использующих CFD, и трех специалистов, которые занимаются проведением прочностных расчетов с применением конечно­элементного анализа.

Компания Gilkes использовала все возможности технической поддержки, включая поддержку онлайн на портале пользователя и телефонную — для получения ответов на технические вопросы. «Поставщики программного обеспечения осуществляют техническую поддержку пользователей через сайт и по телефону, — отмечает г­н Скотт. — От них можно получить большое количество информации по программным продуктам, поэтому не надо стесняться пользоваться этими возможностями».

Gilkes начала с покупки одного рабочего места, арендуя дополнительные места. В 2015 году руководство компании решило, что необходимы долгосрочные приобретения. «После того как мы оценили возможность реального использования программного обеспечения, мы поняли, что будет целесообразнее приобрести лицензию, чем арендовать ее, — заявляет Джо Скотт. — Это было финансово обоснованное решение, базирующееся на частоте использования моделирования нашей командой в 2015 году».

Сложности внедрения

Внедрение численного моделирования было положительно воспринято многими работниками Gilkes, которые стремились освоить передовые технологии. «Наши инженеры выполняли множество сложных вычислений и проектировали изделия, преимущественно используя традиционные методы, поэтому они были рады появлению нового программного обеспечения и возможности работать в нем, — говорит г­н Робинсон. — Они хотели как можно быстрее освоить новую методику».

Использование компьютерного моделирования является также привлекательным фактором для выпускников, готовых применять навыки, полученные в университете. «Традиционно существовало различие между подходами, которые использовали в своей работе инженеры компании Gilkes, и подходами, которым обучали новых инженеров в университетах, — заявляет Линдси Ентвистл, присоединившийся к Gilkse в 2014 году. — Но различие исчезло к тому времени, как я пришел в компанию. На сегодняшний день Gilkes действительно является передовой инжиниринговой компанией».

Хотя изменения были восприняты оптимистично, Робинсон отметил, что возникали сложности с точки зрения организации работы. «Ранее инженеры занимались всеми направлениями при выполнении проектов, — поясняет Алан Робинсон. — В настоящее время мы перешли к модульной системе, в которой инженеры выполняют определенные операции в различных областях моделирования. У нас имеются специалисты, которые отвечают за конкретный этап в моделировании, включая CFD­ и FEA­экспертов. Мы должны были изменить наш подход к работе и перераспределить обязанности специалистов. Это необходимо было сделать для того, чтобы моделирование окончательно интегрировалось в процесс проектирования изделия как основной этап».

«Было приятно видеть, что каждый осознавал необходимость изменений в работе компании, — добавляет Робинсон. — Мы понимали, что необходимо повышать нашу эффективность, и отсутствие упорядоченности действий помогло каждому осознать, что мы должны менять стратегию бизнеса. Я бы рекомендовал другим компаниям наладить диалог руководства с инженерным составом, так как именно это помогло преодолеть непонимание в Gilkes».

Охлаждающие насосы Gilkes

Охлаждающие насосы Gilkes

Начало новой эры

Только за три года Gilkes превратилась из компании, не имеющей внутренних инструментов моделирования, в компанию, где работают десять инженеров, регулярно использующих ANSYS. Gilkes инвестировала приблизительно £150 000 на приобретение программного обеспечения, «железа» и проведение обучения сотрудников. В настоящий момент компания рассматривает возможность покупки высокопроизводительного кластера, который позволит осуществлять расчет больших задач, и благодаря этому повысится эффективность численного моделирования.

«На сегодняшний день моделирование является основной стратегией при проведении инженерных расчетов, развивая системный и творческий подход при проектировании изделий, — говорит г­н Робинсон. — Сложно оценить коммерческий эффект от наших инвестиций в моделирование. Но я могу вам сказать, что сейчас мы видим окупаемость наших инвестиций, заключая большее число контрактов благодаря тому, что можем производить инновационные изделия быстрее и с меньшими затратами».

***

Инновационные технологии успешно внедряются в российской промышленности. Такие компании, как ОАО «Авиадвигатель», АО «НПЦ газотурбостроения «САЛЮТ» и другие предприятия, входящие в «Объединенную двигателестроительную корпорацию», с успехом применяют программное обеспечение ANSYS, тем самым повышая эффективность инженерной подготовки производства.

Помощь по внедрению инжинирингового программного обеспечения данным предприятиям оказывала компания «ПЛМ Урал», которая является поставщиком комплексных решений и предлагает весь спектр услуг, включая поставку программного обеспечения, проведение обучения и решение сложных технических задач.

На сайте www.cae­expert.ru вы можете найти примеры выполненных компанией «ПЛМ Урал» проектов, а также описание возможностей программного обеспечения и другую полезную информацию. 

Статья подготовлена по материалам журнала DIMENSIO

САПР и графика 4`2016