Численный анализ рабочих процессов в межлопаточных каналах высоконагруженной турбины судового газотурбинного двигателя с использованием уточненной конечно-элементной модели

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2019.03.014
Журнал Проблемы машиностроения
Издатель Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного Национальной академии наук Украины
ISSN 0131-2928 (print), 2411-0779 (online)
Выпуск Том 22, № 3, 2019 (сентябрь)
Страницы 14-20

 

Автор

С. А. Моргун, Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова (54025, Украина, г. Николаев, пр. Героев Украины, 9), e-mail: serhii.morhun@nuos.edu.ua, ORCID: 0000-0003-2881-7541

 

Аннотация

Рассмотрены вопросы проектирования одноступенчатой высоконагруженной турбины судового газотурбинного двигателя. Объектом исследования являются аэродинамические характеристики вязкого трехмерного турбулентного течения газового потока в проточной части рассматриваемой турбины. На данном этапе проведен численный анализ рабочих процессов в межлопаточных каналах турбинной ступени. При проектировании следует учитывать тот факт, что возможности усовершенствования формы проточной части при помощи оптимизации форм лопаточных каналов в плоских сечениях не соответствуют требованиям, предъявляемым к высоконагруженным  турбинам. Альтернативой данному подходу является применение методов вычислительной газовой динамики в трехмерной постановке. Поэтому в данной работе изложена методика построения уточненной конечноэлементной модели течения рабочего тела в проточной части одноступенчатой высоконагруженной турбины высокого давления судового газотурбинного двигателя. Для решения поставленной задачи построена конечноэлементная сетка гексагонального типа с использованием трехмерных уравнений Навье-Стокса для случая вязкого течения рабочего тела. Представленная в данной работе трехмерная модель проточной части турбины состоит из двух секций статора и четырех секций ротора. Секция включает в себя перо лопатки с верхним и нижним обводами, упрощенно моделирующими корневую и бандажную полки. В процессе расчетов использовались такие типы граничных условий как «вход», «выход» и «стенка». На входе было задано полное давление потока и температура потока. Так как турбина является одноступенчатой, то на входе в расчетную область поток направлен в осевом направлении. На выходе из расчетной области задано статическое давление. Также на стенке использовались граничные условия непротекания и прилипания. С использованием разработанной математической модели определены поля чисел Маха, скоростей потока и статического давления в корневом и периферийном сечениях проточной части турбины. Расчет проводился в нестационарной постановке с временным шагом 1,5974×10-6 с, что соответствует углу поворота ротора относительно статора на 0,09 градусов. Суммарное количество временных итераций составляло 200. Полученные результаты могут быть применены при дальнейшем исследовании прочности лопаточного аппарата высоконагруженных судовых газотурбинных двигателей.

 

Ключевые слова: судовой газотурбинный двигатель, трехмерные конечные элементы, проточная часть турбины, корневое и периферийное сечения, поля чисел Маха, скоростей и давления.

 

Полный текст: загрузить PDF

 

Литература

  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

 

Поступила в редакцию 06 мая 2019 г.

Принята в печать