Numerical Analysis of Working Processes in the Blade Channels of the Highly-Loaded Turbine of a Marine Gas Turbine Engine, Using a Refined Finite Element Model
Issues of designing a single-stage high-loaded turbine of a marine gas turbine engine are considered. The object of our research is the aerodynamic characteristics of a viscous three-dimensional turbulent gas stream flow in the flow path of the turbine under consideration. At this stage, a numerical...
Збережено в:
| Дата: | 2019 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | English Russian |
| Опубліковано: |
Journal of Mechanical Engineering
2019
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://journals.uran.ua/jme/article/view/179043 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Journal of Mechanical Engineering |
Репозитарії
Journal of Mechanical Engineering| id |
journalsuranuajme-article-179043 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Journal of Mechanical Engineering |
| collection |
OJS |
| language |
English Russian |
| topic |
судновий газотурбінний двигун тривимірні скінченні елементи проточна частина турбіни кореневий та периферійний перерізи поля чисел Маха швидкостей та тиску. УДК 533.2 marine gas turbine engine three-dimensional finite elements turbine flow path root and peripheral sections fields of Mach numbers flow velocities and pressure UDC 533.2 судовой газотурбинный двигатель трехмерные конечные элементы проточная часть турбины корневое и периферийное сечения поля чисел Маха скоростей и давления УДК 533.2 |
| spellingShingle |
судновий газотурбінний двигун тривимірні скінченні елементи проточна частина турбіни кореневий та периферійний перерізи поля чисел Маха швидкостей та тиску. УДК 533.2 marine gas turbine engine three-dimensional finite elements turbine flow path root and peripheral sections fields of Mach numbers flow velocities and pressure UDC 533.2 судовой газотурбинный двигатель трехмерные конечные элементы проточная часть турбины корневое и периферийное сечения поля чисел Маха скоростей и давления УДК 533.2 Morhun, Serhii O. Numerical Analysis of Working Processes in the Blade Channels of the Highly-Loaded Turbine of a Marine Gas Turbine Engine, Using a Refined Finite Element Model |
| topic_facet |
судновий газотурбінний двигун тривимірні скінченні елементи проточна частина турбіни кореневий та периферійний перерізи поля чисел Маха швидкостей та тиску. УДК 533.2 marine gas turbine engine three-dimensional finite elements turbine flow path root and peripheral sections fields of Mach numbers flow velocities and pressure UDC 533.2 судовой газотурбинный двигатель трехмерные конечные элементы проточная часть турбины корневое и периферийное сечения поля чисел Маха скоростей и давления УДК 533.2 |
| format |
Article |
| author |
Morhun, Serhii O. |
| author_facet |
Morhun, Serhii O. |
| author_sort |
Morhun, Serhii O. |
| title |
Numerical Analysis of Working Processes in the Blade Channels of the Highly-Loaded Turbine of a Marine Gas Turbine Engine, Using a Refined Finite Element Model |
| title_short |
Numerical Analysis of Working Processes in the Blade Channels of the Highly-Loaded Turbine of a Marine Gas Turbine Engine, Using a Refined Finite Element Model |
| title_full |
Numerical Analysis of Working Processes in the Blade Channels of the Highly-Loaded Turbine of a Marine Gas Turbine Engine, Using a Refined Finite Element Model |
| title_fullStr |
Numerical Analysis of Working Processes in the Blade Channels of the Highly-Loaded Turbine of a Marine Gas Turbine Engine, Using a Refined Finite Element Model |
| title_full_unstemmed |
Numerical Analysis of Working Processes in the Blade Channels of the Highly-Loaded Turbine of a Marine Gas Turbine Engine, Using a Refined Finite Element Model |
| title_sort |
numerical analysis of working processes in the blade channels of the highly-loaded turbine of a marine gas turbine engine, using a refined finite element model |
| title_alt |
Численный анализ рабочих процессов в межлопаточных каналах высоконагруженной турбины судового газотурбинного двигателя с использованием уточненной конечно-элементной модели Числовий аналіз робочих процесів в міжлопаткових каналах високонавантаженої турбіни суднового газотурбінного двигуна з використанням уточненої скінченноелементної моделі |
| description |
Issues of designing a single-stage high-loaded turbine of a marine gas turbine engine are considered. The object of our research is the aerodynamic characteristics of a viscous three-dimensional turbulent gas stream flow in the flow path of the turbine under consideration. At this stage, a numerical analysis of working processes in the blade passages of the turbine stage has been carried out. When designing the turbine, it is necessary to take into account the fact that the possibilities of improving the flow path shape by optimizing the shapes of blade passages in plane sections do not meet the requirements for high-loaded turbines. An alternative to this approach is the use of computational gas-dynamic methods in a three-dimensional formulation. Therefore, this paper outlines a method for constructing a refined finite element model of the working fluid flow in the flow path of the single-stage high-loaded high-pressure turbine of a marine gas turbine engine. To solve this problem, a finite-element hexagonal-type mesh was constructed using the three-dimensional Navier-Stokes equations for the case of viscous working fluid flow. The three-dimensional model of the turbine flow path presented in this paper consists of two stator sections and four rotor sections. Each section includes a blade airfoil with upper and lower contours, which simply model the root and shroud shelves. In the course of calculations, such types of boundary conditions as "entrance", "exit" and "wall" were used. At the entrance, the total flow pressure and flow temperature were given. Since the turbine is single-stage, then at the entrance to the computational domain, the flow is directed axially. At the exit from the computational domain, the static pressure was given. On the wall, both the non-slip and slip boundary conditions were also used. Using the developed mathematical model, the fields of Mach numbers, flow velocities, and static pressure in the root and peripheral sections of the turbine flow path are determined. The calculation was carried out in a non-stationary setting with a time step of 1.5974×10-6 s, which corresponds to the angle of rotor rotation, relative to the stator, of 0.09 degrees. The total number of time iterations was 200. The results obtained can be applied to further study the strength of the blading of highly-loaded marine gas turbine engines. |
| publisher |
Journal of Mechanical Engineering |
| publishDate |
2019 |
| url |
https://journals.uran.ua/jme/article/view/179043 |
| work_keys_str_mv |
AT morhunserhiio numericalanalysisofworkingprocessesinthebladechannelsofthehighlyloadedturbineofamarinegasturbineengineusingarefinedfiniteelementmodel AT morhunserhiio čislennyjanalizrabočihprocessovvmežlopatočnyhkanalahvysokonagružennojturbinysudovogogazoturbinnogodvigatelâsispolʹzovaniemutočnennojkonečnoélementnojmodeli AT morhunserhiio čislovijanalízrobočihprocesívvmížlopatkovihkanalahvisokonavantaženoíturbínisudnovogogazoturbínnogodvigunazvikoristannâmutočnenoískínčennoelementnoímodelí |
| first_indexed |
2024-06-01T14:44:15Z |
| last_indexed |
2024-06-01T14:44:15Z |
| _version_ |
1800670339886219264 |
| spelling |
journalsuranuajme-article-1790432019-09-27T12:23:45Z Numerical Analysis of Working Processes in the Blade Channels of the Highly-Loaded Turbine of a Marine Gas Turbine Engine, Using a Refined Finite Element Model Численный анализ рабочих процессов в межлопаточных каналах высоконагруженной турбины судового газотурбинного двигателя с использованием уточненной конечно-элементной модели Числовий аналіз робочих процесів в міжлопаткових каналах високонавантаженої турбіни суднового газотурбінного двигуна з використанням уточненої скінченноелементної моделі Morhun, Serhii O. судновий газотурбінний двигун тривимірні скінченні елементи проточна частина турбіни кореневий та периферійний перерізи поля чисел Маха швидкостей та тиску. УДК 533.2 marine gas turbine engine three-dimensional finite elements turbine flow path root and peripheral sections fields of Mach numbers flow velocities and pressure UDC 533.2 судовой газотурбинный двигатель трехмерные конечные элементы проточная часть турбины корневое и периферийное сечения поля чисел Маха скоростей и давления УДК 533.2 Issues of designing a single-stage high-loaded turbine of a marine gas turbine engine are considered. The object of our research is the aerodynamic characteristics of a viscous three-dimensional turbulent gas stream flow in the flow path of the turbine under consideration. At this stage, a numerical analysis of working processes in the blade passages of the turbine stage has been carried out. When designing the turbine, it is necessary to take into account the fact that the possibilities of improving the flow path shape by optimizing the shapes of blade passages in plane sections do not meet the requirements for high-loaded turbines. An alternative to this approach is the use of computational gas-dynamic methods in a three-dimensional formulation. Therefore, this paper outlines a method for constructing a refined finite element model of the working fluid flow in the flow path of the single-stage high-loaded high-pressure turbine of a marine gas turbine engine. To solve this problem, a finite-element hexagonal-type mesh was constructed using the three-dimensional Navier-Stokes equations for the case of viscous working fluid flow. The three-dimensional model of the turbine flow path presented in this paper consists of two stator sections and four rotor sections. Each section includes a blade airfoil with upper and lower contours, which simply model the root and shroud shelves. In the course of calculations, such types of boundary conditions as "entrance", "exit" and "wall" were used. At the entrance, the total flow pressure and flow temperature were given. Since the turbine is single-stage, then at the entrance to the computational domain, the flow is directed axially. At the exit from the computational domain, the static pressure was given. On the wall, both the non-slip and slip boundary conditions were also used. Using the developed mathematical model, the fields of Mach numbers, flow velocities, and static pressure in the root and peripheral sections of the turbine flow path are determined. The calculation was carried out in a non-stationary setting with a time step of 1.5974×10-6 s, which corresponds to the angle of rotor rotation, relative to the stator, of 0.09 degrees. The total number of time iterations was 200. The results obtained can be applied to further study the strength of the blading of highly-loaded marine gas turbine engines. 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. 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. Journal of Mechanical Engineering Проблемы машиностроения Проблеми машинобудування 2019-09-24 Article Article application/pdf application/pdf https://journals.uran.ua/jme/article/view/179043 Journal of Mechanical Engineering; Vol. 22 No. 3 (2019); 14-20 Проблемы машиностроения; Том 22 № 3 (2019); 14-20 Проблеми машинобудування; Том 22 № 3 (2019); 14-20 2709-2992 2709-2984 en ru https://journals.uran.ua/jme/article/view/179043/179173 https://journals.uran.ua/jme/article/view/179043/179174 Copyright (c) 2019 Serhii O. Morhun https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0 |