Розробка неявного методу чисельного моделювання термопружних коливань лопаток турбомашин
DOI:
https://doi.org/10.15587/2312-8372.2019.184169Ключові слова:
чисельні методи, теорія пружності, динаміка лопаток турбомашин, аеротермопружність, газотурбінний двигунАнотація
В останні десятиліття спостерігається тенденція до підвищення температури згоряння палива в газотурбінних двигунах (ГТД). Це дозволяє підняти як ефективність роботи двигуна, так і вихідну потужність. У сучасних двигунах температури відпрацьованих газів вже істотно перевищують температуру плавлення матеріалу лопаток. У зв'язку з цим при проектуванні турбін ГТД виникає необхідність в застосуванні чисельних методів, які дозволяють найбільш достовірно моделювати нестаціонарні аеротермопружні ефекти. Однією із складових частин задачі аеротермопружності є інтегрування нестаціонарних рівнянь термопружності спільно з рівняннями аеродинаміки. Оскільки ці рівняння повинні вирішуватися спільно з єдиним кроком за часом, необхідно віддавати перевагу неявним чисельним методам інтегрування. Об’єктом дослідження є нестаціонарна взаємодія термопружних коливань лопаток турбіни та потоку газу.
У даній роботі представлений неявний чисельний метод моделювання термопружних коливань елементів конструкції турбіни ГТД, в тому числі лопаток турбіни, обладнаних каналами охолодження. В основі методу покладено рівняння лінійної термопружності, які інтегруються методом кінцевих елементів. Досліджувана область розбивається на комірки, що утворюють розрахункову сітку з гексаедрами з додатковими вузлами. Розрахункові вузли вибираються таким чином, щоб на один елемент припадало 20 вузлів. Апроксимація параметрів в елементі виконується за допомогою поліномів третього ступеня. Інтегрування за часом проводиться також з третім порядком точності.
Показані результати тестування методу на модельних задачах, а також порівняння результатів моделювання коливань лопатки стандартної конфігурації з результатами інших авторів. Розбіжність результатів не перевищує 0,4 % для модельної задачі і 0,7 % для коливань лопатки. Отримані результати свідчать про те, що представлений метод можна використовувати для чисельного моделювання нестаціонарних термопружних коливань елементів конструкції газотурбінного двигуна.
Посилання
- Vorobev, Iu. S., Diakonenko, K. Iu., Kulishov, S. B., Skrickii, A. N. (2009). Vliianie temperaturnoi neodnorodnosti na kolebaniia okhlazhdaemykh monokristallicheskikh lopatok gazovykh turbin. Vestnik dvigatelestroeniia, 3, 140–143.
- Miroshnichenko, S. T., Pukhlii, V. A. (2009). K raschetu centrobezhnykh nasosov v iadernoi energetike. Sbornik nauchnykh trudov SNUIAEtaP, 3, 31–40.
- Grinberg, S. M. (1969). K raschetu chastot kolebanii lopatok kompressora metodami teorii obolochek. Prochnost i dinamika aviacionnykh dvigatelei, 5, 242–255.
- Bendiksen, O. O. (1998). Nonlinear Blade Vibration and Flutter in Transonic Rotors. Proc. of ISROMAC-7, 664–673.
- Moyroud, F., Jacquet-Richardet, G., Fransson, T. H. (2000). Aeroelasticity in Turbomachines: Some Aspects of the Effect of Coupling Modeling and Blade Material Changes. International Journal of Rotating Machinery, 6 (4), 265–273. doi: http://doi.org/10.1155/s1023621x00000257
- Gnesin, V. I., Kolodiazhnaia, L. V. (2009). Chislennii analiz vliianiia sootnosheniia chisel lopatok statora i rotora na nestacionarnye nagruzki i rezhimy kolebanii lopatok. Vestnik NTU «KHPI». Seriia: Energeticheskie i teplotekhnicheskie processy i oborudovanie, 3, 23–32.
- Vorobev, Iu. S., Chernobryvko, M. V., Chugai, M. A., Romanenko, V. N. (2010). Problemy chislennogo analiza dinamiki elementov sovremennykh konstrukcii. Vestnik SevNTU, 110, 20–25.
- Gnesin, V. I., Kolodiazhnaia, L. V., Zhandkovski, R. (2009). Aerouprugoe povedenie poslednei stupeni turbomashiny na nominalnom i chastichnom rezhimakh v trekhmernom potoke viazkogo gaza. Problemy mashinostroeniia, 12 (6), 8–18.
- Koltunov, M. A., Kravchuk, A. S., Maiboroda, V. P. (1983). Prikladnaia mekhanika deformiruemogo tverdogo tela. Moscow: Vysshaia shkola, 349.
- Pobedria, B. E. (1995). Chislennye metody v teorii uprugosti i plastichnosti. Moscow: Izd-vo MGU, 366.
- Kupradze, V. D. (1976). Trekhmernye zadachi matematicheskoi teorii uprugosti i termouprugosti. Moscow: Nauka, 664.
- Kovalenko, A. D. (1975). Termouprugost. Kyiv: Vischa shkola, 216.
- Novackii, V. (1970). Dinamicheskie zadachi termouprugosti. Moscow: Mir, 256.
- Bykov, Iu. A. (2009). Chislennoe modelirovanie techeniia v reshetke kolebliuschikhsia profilei s uchetom teploobmena. Problemy mashinostroeniia, 12 (5), 36–41.
- Bykov, Iu. A., Gnesin, V. I. (2011). Numerical simulation of elastic vibrations of turbomachinery blades. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (7 (51)), 62–65. Available at: http://journals.uran.ua/eejet/article/view/1631
- Babakov, I. M. (1968). Teoriia kolebanii. Moscow: Nauka, 560.
- Bykov, Iu. A., Gnesin, V. I. (2011). Chislennoe modelirovanie termouprugikh kolebanii lopatok turbomashin. Vestnik NTU "KHPI", 33, 43–47.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2019 Yuri Bykov
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.
