CFD моделювання багатофазних течій в масляних порожнинах опор ротора газотурбінних двигунів

Автор(и)

  • Douaissia Omar Hadj Aissa Університет Наук і Технологій Оран-Мохамеда Будиаф вул. Эль Мнауар БП 1505, Бір Эль Джир 31000, Оран, Алжир, Алжир https://orcid.org/0000-0002-5342-7361
  • Oleksii Lysytsia Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" вул. Чкалова 17, м. Харків, Україна, 61070, Україна https://orcid.org/0000-0002-5679-8459
  • Taras Mykhailenko Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" вул. Чкалова 17, м. Харків, Україна, 61070, Україна https://orcid.org/0000-0003-4708-673X
  • Ilya Petukhov Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" вул. Чкалова 17, м. Харків, Україна, 61070, Україна https://orcid.org/0000-0002-0645-7912

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.198328

Ключові слова:

чисельне моделювання, багатофазні потоки, масляна порожнина, масло-повітряна суміш, коефіцієнт тепловіддачі

Анотація

Обґрунтовано вибір структури математичної моделі теплогідравлічних процесів в масляних порожнинах опор ротора ГТД. Сформована тривимірна CFD-модель для розрахунку багатофазних течій з використанням інформації про потокорозподіл і теплообмін, що представлені в науковій літературі. Розглянуті підходи і окремі моделі, що використовуються для даних цілей. Отримані рішення узгоджуються з результатами експерименту на модельній опорі і загальноприйнятими уявленнями про процеси в пристроях цьому класу. Приведені розподіл масла в камері, лінії течії фаз, поля температури і швидкості, а також вектори швидкості для різних CFD-моделей (VOF, Euler, Inhomogeneous) і типів вирішувача (стаціонарний і нестаціонарний). На основі аналізу отриманих результатів встановлено, що модель Euler з використанням нестаціонарного вирішувача дає найменшу розбіжність з експериментальними значеннями коефіцієнта тепловіддачі. В усіх випадках при врахуванні сили тяжіння має місце асиметричний розподіл масляної плівки. В результаті змінюється термічний опір пограничного шару і, отже, коефіцієнт тепловіддачі по окружності камери підшипника. Це в значній мірі визначає тепловий потік через стінку камери. Запропонований метод моделювання робочого процесу в масляній порожнині опори базується на математичному описанні гетерогенного монодисперсного масляно-повітряного потоку з умовою інверсії структури двофазного потоку в пристінній області з краплинної у бульбашкову. Це дозволяє більш точно розраховувати температурний стан елементів опори ротора ГТД і системи забезпечення працездатності підшипника шляхом коректного визначення коефіцієнта тепловіддачі з боку масляно-повітряної суміші. Розроблена модель дає можливість чисельно досліджувати дієздатність відомих і отримати нові кореляційні залежності для середнього значення коефіцієнта тепловіддачі в масляній порожнині опори ротора, використовуваного при інженерних розрахунках. Також дозволяє чисельно досліджувати вплив геометрії, частоти обертання ротора і витрат фаз на тепловіддачу в масляній порожнини

Біографії авторів

Douaissia Omar Hadj Aissa, Університет Наук і Технологій Оран-Мохамеда Будиаф вул. Эль Мнауар БП 1505, Бір Эль Джир 31000, Оран, Алжир

Кандидат технічних наук, доцент

Лабораторія аеронавтики і рухових систем

Oleksii Lysytsia, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" вул. Чкалова 17, м. Харків, Україна, 61070

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра аерокосмічної теплотехніки

Taras Mykhailenko, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" вул. Чкалова 17, м. Харків, Україна, 61070

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра аерокосмічної теплотехніки

Ilya Petukhov, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" вул. Чкалова 17, м. Харків, Україна, 61070

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра аерокосмічної теплотехніки

Посилання

  1. Wang, Y., Eastwick, C. N., Simmons, K., Hibberd, S., Care, I. (2001). Numerical study of the turbulent air flow field and droplet trajectories in a geometrically simplified bearing chamber with the presence of an oil-air separator. International Journal of Rotating Machinery, 112, 521–532.
  2. Wang, Y., Hibberd, S., Simmons, K., Eastwick, C. et. al. (2001). Application of CFD to Modelling Two-Phase Flow in a High-Speed Aero-Engine Transmission Chamber. Proc. of ASME FEDSM'01: ASME 2001 Fluids Engineering Division Summer Meeting. New Orleans, Louisiana. Available at: https://www.researchgate.net/profile/Ian_Care/publication/268215106_Application_of_CFD_to_modelling_two-phase_flow_in_a_high-speed_aero-engine_transmission_chamber/links/5464f8c10cf2052b509f296c/Application-of-CFD-to-modelling-two-phase-flow-in-a-high-speed-aero-engine-transmission-chamber.pdf
  3. Simmons, K., Hibberd, S., Wang, Y., Care, I. (2002). Numerical Study of the Two-Phase Air/Oil Flow Within an Aero-Engine Bearing Chamber Model Using a Coupled Lagrangian Droplet Tracking Method. Computational Technologies for Fluid/Thermal/Structural/Chemical Systems With Industrial Applications, Volume 1. doi: https://doi.org/10.1115/pvp2002-1568
  4. Adeniyi, A., Morvan, H., Simmons, K. (2013). Droplet-Film Impact Modelling Using a Coupled DPM-VoF Approach. Air Breathing Engines: 21st Intern. symp. Vol. 2. Busan, 1021–1029.
  5. Adeniyi, A. A., Morvan, H. P., Simmons, K. A. (2014). A Transient CFD Simulation of the Flow in a Test Rig of an Aeroengine Bearing Chamber. Volume 5C: Heat Transfer. doi: https://doi.org/10.1115/gt2014-26399
  6. Hirt, C. W., Nichols, B. D. (1981). Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of Computational Physics, 39 (1), 201–225. doi: https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90145-5
  7. Kakimpa, B., Morvan, H. P., Hibberd, S. (2017). A Coupled 1D Film Hydrodynamics and Core Gas Flow Model for Air-Oil Flows in Aero-Engine Bearing Chambers. Volume 2B: Turbomachinery. doi: https://doi.org/10.1115/gt2017-64693
  8. Kakimpa, B., Morvan, H. P., Hibberd, S. (2015). Solution Strategies for Thin Film Rimming Flow Modelling. Volume 5C: Heat Transfer. doi: https://doi.org/10.1115/gt2015-43503
  9. Kay, E. D., Hibberd, S., Power, H. (2014). A depth-averaged model for non-isothermal thin-film rimming flow. International Journal of Heat and Mass Transfer, 70, 1003–1015. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.11.040
  10. Gorse, P., Busam, S., Dullenkopf, K. (2004). Influence of Operating Condition and Geometry on the Oil Film Thickness in Aeroengine Bearing Chambers. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 128 (1), 103–110. doi: https://doi.org/10.1115/1.1924485
  11. Lisitcin, A. N., Badernikov, A. V., Pechenik, E. V. (2014). Results of numerical modeling of two-phase liquid / gas flow on the basis of a simplifield model of oil chamber. VESTNIK of the Samara State Aerospace University, 5-2 (47), 135–142. doi: https://doi.org/10.18287/1998-6629-2014-0-5-2(47)-135-142
  12. Peyton-Bruhl, A., Belton, D., Walker, A. D., Snowsill, G., Young, C. (2019). Development of a CFD Based Methodology for Predicting Oil Auto-Ignition in Gas Turbine Bearing Chambers. Volume 5B: Heat Transfer. doi: https://doi.org/10.1115/gt2019-92050
  13. Bristot, A., Morvan, H. P., Simmons, K. A. (2016). Evaluation of a Volume of Fluid CFD Methodology for the Oil Film Thickness Estimation in an Aero-Engine Bearing Chamber. Volume 2C: Turbomachinery. doi: https://doi.org/10.1115/gt2016-56237
  14. Von Plehwe, F. C., Krug, M. B., Höfler, C., Bauer, H.-J. (2016). Experimental and Numerical Investigations on Oil Leakage Across Labyrinth Seals in Aero Engine Bearing Chambers. Volume 1: Aircraft Engine; Fans and Blowers; Marine. doi: https://doi.org/10.1115/gt2016-56297
  15. Kakimpa, B., Morvan, H. P., Hibberd, S. (2016). The Numerical Simulation of Multi-Scale Oil Films Using Coupled VOF and Eulerian Thin-Film Models. Volume 1: Aircraft Engine; Fans and Blowers; Marine. doi: https://doi.org/10.1115/gt2016-56747
  16. Glahn, A., Busam, S., Wittig, S. (1997). Local and Mean Heat Transfer Coefficients Along the Internal Housing Walls of Aero Engine Bearing Chambers. Volume 3: Heat Transfer; Electric Power; Industrial and Cogeneration. doi: https://doi.org/10.1115/97-gt-261
  17. Busam, S., Glahn, A., Wittig, S. (2000). Internal Bearing Chamber Wall Heat Transfer as a Function of Operating Conditions and Chamber Geometry. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 122 (2), 314–320. doi: https://doi.org/10.1115/1.483209
  18. Berthold, M., Morvan, H., Jefferson-Loveday, R., Rothwell, B. C., Young, C. (2018). Multiphase CFD Modeling of External Oil Flow From a Journal Bearing. Volume 1: Aircraft Engine; Fans and Blowers; Marine. doi: https://doi.org/10.1115/gt2018-77130
  19. Tatar, V., Piskin, A. (2018). Numerical Investigation on Bearing Chamber Wall Heat Transfer. Volume 1: Aircraft Engine; Fans and Blowers; Marine. doi: https://doi.org/10.1115/gt2018-75721
  20. Prabhakar, A., Ambrose, S., Morvan, H. (2019). Numerical Investigation of Two Phase Flow in a Dual Drive Booster (DDB). Volume 1: Aircraft Engine; Fans and Blowers; Marine; Honors and Awards. doi: https://doi.org/10.1115/gt2019-90347
  21. Douaissia Omar Hadj Aissa, Mykhailenko, T. P., Nemchenko, D. A., Petukhov, I. I. (2017). Fluid flows simulation in the bearing chamber of GTE. Vestnik dvigatelestroeniya, 2, 59–65.
  22. Douaissia Omar Hadj Aissa, Mykhailenko, T. P., Lysytsia, O. Y., Petukhov, I. I. (2018). Numerical investigation of thermal and hydraulic processes in the GTE bearing chamber. Vestnik dvigatelestroeniya, 2, 70–76.
  23. Douaissia Omar Hadj Aissa (2018). Numerical Investigation of Heat Transfer in the GTE bearing chamber. Open Information and Computer Integrated Technologies, 81, 92–103. doi: https://doi.org/10.32620/oikit.2018.81.10
  24. Douaissia Omar Hadj Aissa, Petrovich, M. T. (2018). Features of heat transfer in the gas turbine engine bearing chamber. Aerospace technic and technology, 6 (150), 19–28. doi: https://doi.org/10.32620/aktt.2018.6.03
  25. ANSYS Fluent Theory Guide. Release 2019 R2. Canonsburg, PA.
  26. Kurz, W., Dullenkopf, K., Bauer, H.-J. (2012). Influences on the Oil Split Between the Offtakes of an Aero-Engine Bearing Chamber. Volume 4: Heat Transfer, Parts A and B. doi: https://doi.org/10.1115/gt2012-69412

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-04-30

Як цитувати

Aissa, D. O. H., Lysytsia, O., Mykhailenko, T., & Petukhov, I. (2020). CFD моделювання багатофазних течій в масляних порожнинах опор ротора газотурбінних двигунів. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(5 (104), 12–20. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.198328

Номер

Том 2 № 5 (104) (2020): Прикладна фізика

Розділ

Прикладна фізика

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Douaissia Omar Hadj Aissa, Oleksii Lysytsia, Taras Mykhailenko, Ilya Petukhov

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.