Числовий аналіз робочих процесів в міжлопаткових каналах високонавантаженої турбіни суднового газотурбінного двигуна з використанням уточненої скінченноелементної моделі

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2019.03.014
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 0131-2928 (print), 2411-0779 (online)
Випуск Том 22, № 3, 2019 (вересень)
Сторінки 14-20

 

Автор

С. О. Моргун, Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова (54025, Україна, м. Миколаїв, пр. Героїв України, 9), e-mail: serhii.morhun@nuos.edu.ua, ORCID: 0000-0003-2881-7541

 

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.

 

Ключові слова: судновий газотурбінний двигун, тривимірні скінченні елементи, проточна частина турбіни, кореневий та периферійний перерізи, поля чисел Маха, швидкостей та тиску.

 

Література

  1. Холщевиков К. В., Емин О. Н., Митрохин В. Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. М.: Машиностроение, 1986. 432 с.
  2. Rizk N. K., Mongia H. C. Three-dimensional combustor performance validation with high-density fuels. J. Propulsion and Power. 1990. Vol. 6. No. 5. P. 660−667. https://doi.org/10.2514/3.23268
  3. Menter F. R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA J. 1994. Vol. 32. No. 8. P. 1598−1605. https://doi.org/10.2514/3.12149
  4. Takemilsu N. An analytical study of the standard k-e model. J. Fluid Eng. 1990. Vol. 112. Iss. 2. P. 192–198. https://doi.org/10.1115/1.2909387
  5. Иванов М. Я., Крупа В. Г. Расчет трехмерного течения вязкого газа в прямых решетках профилей. Изв. РАН. Механика жидкостей и газа. 1993. № 4. С. 58−68.
  6. Shang T., Epstein A. H. Analysis of hot streak effects on turbine rotor heat load. ASME J. Turbomachinery. 1997. Vol. 119. Iss. 3. P. 544−553. https://doi.org/10.1115/1.2841156
  7. Самарский А. А., Вабициевич П. Н. Вычислительная теплопередача. М.: «Эдиториал», 2009. 784 с.
  8. Сосунов В. А., Чепкин В. М. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. М.: Моск. энерг. ун-т, 2003. 677 с.
  9. Lecheler S. Numerische stromungsberechnung. Munich: Springer Fachmedien Wiesbaden, 2014. 199 p. https://doi.org/10.1007/978-3-658-05201-0
  10. Launder B. E., Spalding D. B. The numerical computation of turbulent flows. Comp. Methods of Appl. Mech. Eng. 1994. Vol. 3. Iss. 2. P. 269−289. https://doi.org/10.1016/0045-7825(74)90029-2

 

Надійшла до редакції: 06 травня 2019 р.

Прийнята до друку