Числовий аналіз робочих процесів в міжлопаткових каналах високонавантаженої турбіни суднового газотурбінного двигуна з використанням уточненої скінченноелементної моделі
Ключові слова:
судновий газотурбінний двигун, тривимірні скінченні елементи, проточна частина турбіни, кореневий та периферійний перерізи, поля чисел Маха, швидкостей та тиску.Анотація
Розглянуто питання проектування одноступінчатої високонавантаженої турбіни суднового газотурбінного двигуна. Об'єктом дослідження є аеродинамічні характеристики в'язкої тривимірної турбулентної течії газового потоку в проточній частині розглянутої турбіни. Проведено числовий аналіз робочих процесів в міжлопатковому каналі турбінного ступеня. Під час проектування слід враховувати той факт, що можливості удосконалення форми проточної частини за допомогою оптимізації форм лопаткових каналів в плоских перерізах не відповідають вимогам, що ставляться до високонавантажених турбін. Альтернативою такому підходу є застосування методів обчислювальної газової динаміки в тривимірній постановці. Тому в цій роботі викладена методика побудови уточненої скінченноелементної моделі течії робочого тіла в проточній частині одноступінчатої турбіни високого тиску суднового газотурбінного двигуна. Для розв’язання поставленої задачі побудована скінченноелементна сітка гексагонального типу з використанням тривимірних рівнянь Нав'є-Стокса для випадку в'язкої течії робочого тіла. Наведена тривимірна модель проточної частини турбіни складається з двох секцій статора і чотирьох секцій ротора. Секція включає в себе перо лопатки з верхнім і нижнім обводами, що спрощено моделюють кореневу і бандажну полиці. У процесі розрахунків використовувалися такі типи граничних умов, як «вхід», «вихід» і «стінка». На вході було задано повний тиск потоку і температура потоку. Оскільки турбіна є одноступеневою, то на вході в розрахункову область потік спрямований в осьовому напрямку. На виході з розрахункової області задано статичний тиск. Також на стінці використовувалися граничні умови непротікання і прилипання. З використанням розробленої математичної моделі визначено поля чисел Маха, швидкостей потоку і статичного тиску в кореневому і периферійному перерізах проточної частини турбіни. Розрахунок проводився в нестаціонарній постановці з часовим кроком 1,5974·10-6 с, що відповідає куту повороту ротора щодо статора на 0,09 градусів. Сумарна кількість тимчасових ітерацій становила 200. Отримані результати можуть бути застосовані під час подальшого дослідження міцності лопаткового апарата високонавантажених суднових газотурбінних двигунів.Посилання
Kholshchevikov, K. V., Yemin, O. N., & Mitrokhin V. T. (1986). Teoriya i raschet aviatsionnykh lopatochnykh mashin [Theory and calculation of aircraft blade machines].Moscow: Mashinostroyeniye, 432 p. (in Russian).
Rizk N. K. & Mongia, H. C. (1990). Three-dimensional combustor performance validation with high-density fuels. Journal of Propulsion and Power, vol. 6, no. 5, pp. 660−667. https://doi.org/10.2514/3.23268
Menter F. R. (1994). Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, vol. 32, no. 8, pp. 1598−1605. https://doi.org/10.2514/3.12149
Takemilsu, N. (1990). An analytical study of the standard k-e model. Journal of Fluid Engineering, vol. 112, iss. 2, pp. 192–198. https://doi.org/10.1115/1.2909387
Ivanov, M. Ya. & Krupa, V. G. (1993). Computation of 3D viscous cascade flow. Fluid Dynamics, vol. 28, iss. 4, pp. 476–484. https://doi.org/10.1007/BF01342682
Shang, T. & Epstein, A. H. (1997). Analysis of hot streak effects on turbine rotor heat load. ASME Journal of Turbomachinery, vol. 119, iss. 3, pp. 544−553. https://doi.org/10.1115/1.2841156
Samarskiy, A. A. & Vabitsiyevich, P. N. (2009). Vychislitelnaya teploperedacha [Computational heat transfer]. Moscow: Editorial, 784 p. (in Russian).
Sosunov, V. A. & Chepkin, V. M. (2003). Teoriya, raschet i proyektirovaniye aviatsionnykh dvigateley i energeticheskikh ustanovok [Theory, calculation and design of aircraft engines and power plants]. Moscow: Moscow Power Engineering University Publ., 677 p. (in Russian).
Lecheler, S. (2014). Numerische stromungsberechnung [Numerical current calculations]. Munich: Springer Fachmedien Wiesbaden, 199 p. https://doi.org/10.1007/978-3-658-05201-0 (in German).
Launder, B .E. & Spalding, D. B. (1994). The numerical computation of turbulent flows. Computational Methods of Applied Mechanics Engineering, vol. 3, iss. 2, pp. 269−289. https://doi.org/10.1016/0045-7825(74)90029-2
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2019 Serhii O. Morhun
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NoDerivatives 4.0 International License.
Автори, які публікуються в цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи і передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензійного договору (угоди).
- Автори мають право самостійно укладати додаткові договори (угоди) з неексклюзивного поширення роботи в тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати в складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи в цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установи або на персональних веб-сайтах) рукопису роботи як до подачі цього рукопису в редакцію, так і під час її редакційної обробки, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії і позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
