Анализ газодинамической структуры потока в решетках профилей осевого компрессора газотурбинного двигателя
Выполнено численное моделирование трехмерного вязкого течения в решетках осевого компрессора низкого давления газотурбинного двигателя. Проведен газодинамический расчет течения в первой ступени компрессора в нестационарной трехмерной постановке с помощью программного комплекса F. В качестве модели т...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Проблемы машиностроения |
|---|---|
| Datum: | 2015 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
2015
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99242 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Анализ газодинамической структуры потока в решетках профилей осевого компрессора газотурбинного двигателя / А.А. Карпик, В.А. Яковлев, Ю.С. Воробьев // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 4/2. — С. 18-23. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99242 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Карпик, А.А. Яковлев, В.А. Воробьев, Ю.С. 2016-04-25T13:45:32Z 2016-04-25T13:45:32Z 2015 Анализ газодинамической структуры потока в решетках профилей осевого компрессора газотурбинного двигателя / А.А. Карпик, В.А. Яковлев, Ю.С. Воробьев // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 4/2. — С. 18-23. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99242 533.6 Выполнено численное моделирование трехмерного вязкого течения в решетках осевого компрессора низкого давления газотурбинного двигателя. Проведен газодинамический расчет течения в первой ступени компрессора в нестационарной трехмерной постановке с помощью программного комплекса F. В качестве модели турбулентности использована дифференциальная двухпараметрическая k-ωSST модель Ментера. Расчет выполнен на разностной H-сетке c количеством ячеек более 1,3 млн в одном межлопаточном канале. В результате получено распределение полей скоростей и давлений, установлены основные причины неравномерности распределения параметров, выявлены неблагоприятные области течения в межлопаточном канале, проведена оценка параметров потока в решетках профилей. Газодинамическая структура потока имеет изменчивый характер по высоте лопатки от корня к периферии. Это может являться причиной возникновения переменных усилий, вызывающих изгибные и крутильные колебания, при действии нестационарного потока. Виконано чисельне дослідження тривимірної в’язкої течії в решітках осьового компресора низького тиску на основі системи нестаціонарних рівнянь Нав’є–Стокса, осереднених за Рейнольдсом. Проведено розрахунок в нестаціонарній тривимірній постановці за допомогою програмного комплексу F. Визначено несприятливі області течії газу в міжлопатковому каналі та причини нерівномірності розподілення швидкості та тиску. The numerical simulation of a three-dimensional viscous flow in cascade of the axial compressor of low pressure of the gas-turbine engine is presented. Gas-dynamic calculation of a flow in the first compressor stage in nonstationary three-dimensional statement in program complex F is carried out. The two-equation differential k-ω SST Menter’s turbulence model is used. The calculation is carried out on a differential H-grid with quantity of cells more than 1,3 million in one blade channel. Distribution of speeds and pressure fields is as a result received, the main reasons nonuniformity of parameters are defined, adverse areas of a flow in the blade channel are revealed, the assessment of parameters of a flow in the grid profiles is carried out. The gas-dynamic structure of a flow has changeable character on blade height from a root to the periphery. It can be the reason of the alternating strain causing bending and torsion vibration at action of a non-stationary flow. ru Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Проблемы машиностроения Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах Анализ газодинамической структуры потока в решетках профилей осевого компрессора газотурбинного двигателя The analysis of gas-dynamic structure of stream in grates of profiles of axial compressor of turbo-engine Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Анализ газодинамической структуры потока в решетках профилей осевого компрессора газотурбинного двигателя |
| spellingShingle |
Анализ газодинамической структуры потока в решетках профилей осевого компрессора газотурбинного двигателя Карпик, А.А. Яковлев, В.А. Воробьев, Ю.С. Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах |
| title_short |
Анализ газодинамической структуры потока в решетках профилей осевого компрессора газотурбинного двигателя |
| title_full |
Анализ газодинамической структуры потока в решетках профилей осевого компрессора газотурбинного двигателя |
| title_fullStr |
Анализ газодинамической структуры потока в решетках профилей осевого компрессора газотурбинного двигателя |
| title_full_unstemmed |
Анализ газодинамической структуры потока в решетках профилей осевого компрессора газотурбинного двигателя |
| title_sort |
анализ газодинамической структуры потока в решетках профилей осевого компрессора газотурбинного двигателя |
| author |
Карпик, А.А. Яковлев, В.А. Воробьев, Ю.С. |
| author_facet |
Карпик, А.А. Яковлев, В.А. Воробьев, Ю.С. |
| topic |
Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах |
| topic_facet |
Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Проблемы машиностроения |
| publisher |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
The analysis of gas-dynamic structure of stream in grates of profiles of axial compressor of turbo-engine |
| description |
Выполнено численное моделирование трехмерного вязкого течения в решетках осевого компрессора низкого давления газотурбинного двигателя. Проведен газодинамический расчет течения в первой ступени компрессора в нестационарной трехмерной постановке с помощью программного комплекса F. В качестве модели турбулентности использована дифференциальная двухпараметрическая k-ωSST модель Ментера. Расчет выполнен на разностной H-сетке c количеством ячеек более 1,3 млн в одном межлопаточном канале. В результате получено распределение полей скоростей и давлений, установлены основные причины неравномерности распределения параметров, выявлены неблагоприятные области течения в межлопаточном канале, проведена оценка параметров потока в решетках профилей. Газодинамическая структура потока имеет изменчивый характер по высоте лопатки от корня к периферии. Это может являться причиной возникновения переменных усилий, вызывающих изгибные и крутильные колебания, при действии нестационарного потока.
Виконано чисельне дослідження тривимірної в’язкої течії в решітках осьового компресора низького тиску на основі системи нестаціонарних рівнянь Нав’є–Стокса, осереднених за Рейнольдсом. Проведено розрахунок в нестаціонарній тривимірній постановці за допомогою програмного комплексу F. Визначено несприятливі області течії газу в міжлопатковому каналі та причини нерівномірності розподілення швидкості та тиску.
The numerical simulation of a three-dimensional viscous flow in cascade of the axial compressor of low pressure of the gas-turbine engine is presented. Gas-dynamic calculation of a flow in the first compressor stage in nonstationary three-dimensional statement in program complex F is carried out. The two-equation differential k-ω SST Menter’s turbulence model is used. The calculation is carried out on a differential H-grid with quantity of cells more than 1,3 million in one blade channel. Distribution of speeds and pressure fields is as a result received, the main reasons nonuniformity of parameters are defined, adverse areas of a flow in the blade channel are revealed, the assessment of parameters of a flow in the grid profiles is carried out. The gas-dynamic structure of a flow has changeable character on blade height from a root to the periphery. It can be the reason of the alternating strain causing bending and torsion vibration at action of a non-stationary flow.
|
| issn |
0131-2928 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99242 |
| citation_txt |
Анализ газодинамической структуры потока в решетках профилей осевого компрессора газотурбинного двигателя / А.А. Карпик, В.А. Яковлев, Ю.С. Воробьев // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 4/2. — С. 18-23. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT karpikaa analizgazodinamičeskoistrukturypotokavrešetkahprofileiosevogokompressoragazoturbinnogodvigatelâ AT âkovlevva analizgazodinamičeskoistrukturypotokavrešetkahprofileiosevogokompressoragazoturbinnogodvigatelâ AT vorobʹevûs analizgazodinamičeskoistrukturypotokavrešetkahprofileiosevogokompressoragazoturbinnogodvigatelâ AT karpikaa theanalysisofgasdynamicstructureofstreamingratesofprofilesofaxialcompressorofturboengine AT âkovlevva theanalysisofgasdynamicstructureofstreamingratesofprofilesofaxialcompressorofturboengine AT vorobʹevûs theanalysisofgasdynamicstructureofstreamingratesofprofilesofaxialcompressorofturboengine |
| first_indexed |
2025-11-26T01:38:01Z |
| last_indexed |
2025-11-26T01:38:01Z |
| _version_ |
1850602333231120384 |
| fulltext |
АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/2 18
решетки. Данное уменьшение интенсивности вторичных явлений вызвано более благоприятным без-
отрывным течением во входном участке.
Полученные результаты хорошо согласуются с работой [2]. Согласно данной работе поджатие
потока на выходе из направляющего аппарата путем искривления периферийного обвода положи-
тельно сказывается на эффективности решетки. Однако исследуемая в работе [2] решетка имела дос-
таточно большую кривизну обвода во входной части решетки, что сопровождалось отрывом потока и
сводило на нет положительный эффект от поджатия потока на выходе. Как видно из рис. 7, опти-
мальный вариант сочетает в себе поджатие потока на выходе из решетки наряду с устранением вих-
ревой структуры на входе.
На основе проведенных исследований установлено:
− оптимизация формы меридионального обвода проточной части является существенным резервом
повышения эффективности проточной части турбомашин;
− предложенный алгоритм оптимизации даже по двум варьируемым параметрам и описание формы
меридионального обвода проточной части с помощью кривой Безье (с использованием при поиске
оптимального решения теории планирования эксперимента и ЛПτ-поиска экстремума) позволили
получить оптимальную форму меридионального обвода, при которой интегральные потери по
сравнению с исходным вариантом уменьшены на 7,5% в относительных величинах.
Литература
1. Кириллов, И. И. Теория турбомашин / И. И. Кириллов.– Л.: Машиностроение, 1972. – 536 с.
2. Топунов, А. М. Управление потоком в тепловых турбинах / А. М. Топунов, Б. А. Тихомиров.– Л.: Машино-
строение, 1979. – 151 с.
3. Бойко, А. В. Применение вычислительной аэродинамики к оптимизации лопаток турбомашин / А. В. Бойко,
Ю. Н. Говорущенко, М. В. Бурлака. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2012. – 192 с.
4. Бойко, А. В. Повышение точности формальной макромодели при планировании эксперимента / А. В. Бойко,
А. П. Усатый, В. С. Баранник // Вестн. НТУ «ХПИ». Энерг. и теплотехн. процессы и оборудование. – 2013. –
№ 12 (986). – С. 5–9.
Поступила в редакцию 01.10.15
1 А. А. Карпик
2 В. А. Яковлев, канд. техн. наук
2 Ю. С. Воробьев, д-р техн. наук
1 Национальный технический университет
«Харьковский политехнический институт»
e-mail: karpikann@gmail.com
2 Институт проблем машиностроения
им. А. Н. Подгорного НАН Украины,
г. Харьков,
e-mail: yava@ipmach.kharkov.ua;
vorobiev@ipmach.kharkov.ua
Ключові слова: осьовий компресор, лопатковий
апарат, решітка профілів, в’язкий потік, чисельне
моделювання, нестаціонарність.
УДК 533.6
АНАЛИЗ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ
СТРУКТУРЫ ПОТОКА В РЕШЕТКАХ
ПРОФИЛЕЙ ОСЕВОГО
КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО
ДВИГАТЕЛЯ
Виконано чисельне дослідження тривимірної в’язкої течії в
решітках осьового компресора низького тиску на основі
системи нестаціонарних рівнянь Нав’є–Стокса, осередне-
них за Рейнольдсом. Проведено розрахунок в нестаціонар-
ній тривимірній постановці за допомогою програмного
комплексу F. Визначено несприятливі області течії газу в
міжлопатковому каналі та причини нерівномірності роз-
поділення швидкості та тиску.
Введение
Особенностью течения в решетках турбомашин и компрессоров является силовое взаимодей-
ствие между движущимся потоком и упругими элементами – лопатками. Существенное влияние на
структуру потока оказывает нестационарное аэродинамическое взаимодействие движущихся реше-
ток. При относительном перемещении лопаточных венцов в межлопаточных каналах происходит
© А. А. Карпик, В. А. Яковлев, Ю. С. Воробьев, 2015
АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/2 19
периодическое изменение газодинамических параметров. Данное явление обусловлено влиянием ок-
ружной потенциальной неравномерности потока и кромочных следов. Это приводит к изменению
характеристик, в результате чего возникают нестационарные нагрузки [1]. Аэродинамические силы
нестационарного характера являются причиной возникновения высоких вибрационных напряжений
лопаток, что может привести к разрушению конструкции. На первой стадии оценки вибрационной
прочности лопаточного аппарата, от которой зависят такие показатели, как надежность и ресурс, не-
обходимо исследование возмущающих сил, вызывающих вынужденные колебания. Для решения
данной задачи возникает необходимость анализа газодинамического трехмерного потока. Современ-
ные возможности вычислительной техники позволяют исследовать поток численными методами га-
зовой динамики (CFD – методами). В данной статье рассматривается задача оценки параметров пото-
ка в решетке профилей, которые в дальнейшем будут использованы для оценивания газодинамиче-
ских сил, действующих на лопатки компрессора.
1. Постановка задачи и методы решения
Течение в компрессорных решетках характеризуются большими положительными градиента-
ми давления, массивными областями отрыва потока и интенсивными вторичными течениями [1]. Ис-
следование структуры потока возможно на основе численного моделирования пространственного
течения в решетках профилей
с учетом нестационарности.
В качестве объекта ис-
следования была выбрана
ступень четырехступенчатого
осевого компрессора низкого
давления газотурбинного дви-
гателя, состоящая из входного
направляющего аппарата
(ВНА) и рабочего колеса
(РК1). Меридиональное сече-
ние проточной части иссле-
дуемого компрессора изобра-
жено на рис. 1. Компрессор
состоит из входного устрой-
ства, установленных на вра-
щающемся роторе 4 венцов
рабочих лопаток и закреплен-
ных на корпусе компрессора 4
венцов неподвижных лопаток
направляющего аппарата.
Численное моделиро-
вание, представленное в дан-
Рис. 1. Проточная часть осевого компрессора:
ВНА – входной направляющий аппарат; РК – рабочее колесо; НА – направляющий аппарат
Рис. 2. Расчетная сетка в межлопаточном канале РК1
АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/2 20
ной работе, проведено с помо-
щью программного комплекса F
[2, 3].
Турбулентное течение
вязкого сжимаемого газа много-
ступенчатого компрессора опи-
сывается системой нелинейных
уравнений Навье–Стокса, ос-
редненных по Рейнольдсу
(RANS-модель). Моделирова-
ние турбулентности осуществ-
ляется с помощью дифференци-
альной двухпараметрической
модели k–ω SST Ментера [4],
которая учитывает перенос касательных напряжений и дает точное предсказывание отрыва потока
при неблагоприятных градиентах давления.
Граничные условия на входе задаются в виде полного давления и полной температуры, на
выходе – осевой скорости. Задание осевой скорости на выходе позволяет выполнить расчеты нагру-
женных компрессорных решеток при больших градиентах давления. На твердых стенках использует-
ся условие прилипания и адиабатичности.
Исходные уравнения интегрируются численно с помощью итерационной явно-неявной разно-
стной схемы второго порядка аппроксимации [5], явный оператор которой основан на ENO схеме
Хартена, а неявная аппроксимация реализована с помощью схемы Бима–Уорминга–Стегера [4].
Для моделирования течения газа в проточной части компрессора рассматривалась регулярная
разностная Н сетка трех уровней. Размерность мелкой сетки, использованной для всего расчета, со-
ставляет 96×96×144 = 1 327 104 ячеек, что в значительной степени увеличивает точность численного
решения данной задачи. На рис. 2 представлена расчетная сетка первого уровня в межлопаточном
канале РК1.
2. Численные исследования и результаты
На первом этапе были выполнены расчеты всей проточной части компрессора (9 венцов) в
стационарной трехмерной постановке. Затем проводился нестационарный расчет течения в системе
ВНА – РК1. Расчет проводился до тех пор, пока течение газа не приобрело периодический режим
(рис. 3).
Так как набегающий поток характеризуется неравномерным распределением параметров, то
для оценки прочности лопаточного аппарата и дополнительных потерь, вызванных периодической
Рис. 3. Периодический характер полной силы
а) б) в)
Рис. 4. Распределение полей давления в меридиональном сечении
на расстоянии лопатки от обвода в РК1:
а) – 5%; б) – 50%; в) – 90%
АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/2 21
нестационарностью, необходимо
определить неоднородности поля, в
котором работает аэродинамическая
решетка. Окружная неоднородность
потока газа является основной при-
чиной возбуждения колебаний ло-
паточного аппарата, т. е. приводит к
непостоянной интенсивности газо-
вой нагрузки. Данная неоднород-
ность потока проявляется в виде
неоднородности полей давления и
скоростей.
Принципиального различия
между характером течения в облас-
ти ВНА и РК1 замечено не было, за
исключением процессов, происхо-
дящих в радиальном зазоре. Но в
связи с вращением РК явления
имеют более интенсивный характер,
чем ВНА, следовательно, дальней-
шее исследование потока будет в
РК1.
В результате расчета полу-
чены распределения полей скоро-
стей и полного давления. Меридио-
нальная поверхность сечения лопа-
точного венца РК1 изображена на рис. 4.
Наличие радиального зазора над венцом рабочих лопаток оказывает существенное влияние на
распределение поля давления и работу ступени. При наличии градиента давления между спинкой и
корытцем профиля лопатки происходит перетекание газа через зазор. В результате понижения пере-
пада давления уменьшается работа ступени. Распределение поля давления изображено на рис. 5.
Рис. 5. Распределение поля давления
вблизи радиального зазора на периферии
а) б)
Рис. 6. Распределение числа Маха в тангенциальном сечении:
а) – на периферии (95% по высоте лопатки); б) – у корня (5% по высоте лопатки)
АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/2 22
На рис. 6 приведено мгновенное распределение безразмерной скорости (число Маха). Для
сравнения указаны поля распределения скорости вблизи корня (5% по высоте лопатки) и периферии
(95% по высоте лопатки). Как видно из рисунка, на данных сечениях лопатки наибольшая неравно-
мерность поля наблюдается на периферии, что вызвано влиянием радиального зазора, который со-
ставляет 0,514% длины лопатки РК1.
Перетекание газа через радиальный зазор влияет на основной поток в межлопаточном канале,
в результате чего на стороне разрежения у выходной кромки возникают обратные радиальные со-
ставляющие скорости. Сформированная рециркуляционная зона изображена на рис. 7. Образованная
зона отрицательных значений осевой компоненты вектора скорости возникает на 75% по периферии
на выходной кромке.
Также вблизи стенки ско-
рость газа из-за вязкости меньше,
чем в основном потоке, а на сторо-
не разрежения лопатки, перед вы-
ходной кромкой, из-за потери час-
тицами кинетической энергии за
счет преодоления положительного
продольного градиента давления
возникает обратное течение, кото-
рое приводит к утолщению погра-
ничного слоя. Возвратное течение
оттесняет образованный погранич-
ный слой от поверхности лопатки и
инициирует образование отрыва
потока. Наблюдается интенсивный
отрыв пограничного слоя, который
сопровождается образованием вих-
рей и характеризуется значитель-
ным уровнем потерь. Данная визуа-
лизация представлена на рис. 8.
В результате утолщения
пристеночного пограничного слоя
Рис. 7. Распределение поля скорости и векторов скорости в рециркуляционной зоне РК1
Рис. 8. Вихревая структура течения на периферии в РК1
АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/2 23
уменьшается площадь проходного сечения гор-
ла. Данное явление имеет значительное влияние
на режим течения и может привести к таким не-
благоприятным явлениям, как «запирание».
Основной причиной образования вихре-
вых зон у корня РК1 является кромочный след,
образованный ВНА. В межлопаточном канале
рабочего колеса, в результате действия следа
ВНА возникает течение с периодической струк-
турой. Кромочный след, образованный ВНА,
попадает на периферию РК за счет центробеж-
ных сил. В итоге поток не может резко развер-
нуться, чтобы следовать поверхности обтекае-
мого тела за счет инерциальных свойств. При
обтекании входной кромки под углом атаки воз-
никает отрыв пограничного слоя, сопровож-
дающийся образованием вихря (рис. 9).
Заключение
Выполнено численное моделирование
течения в компрессорной решетке с помощью
программного пакета F. Разработанная модель
позволяет определить структуру потока и зоны
неблагоприятного течения. Установлены основные факторы, вызывающие неоднородность и неста-
ционарность потока газа. Газодинамическая структура потока имеет изменчивый характер по высоте
лопатки от корня к периферии. Это может являться причиной возникновения переменных усилий,
вызывающих изгибные и крутильные колебания, при действии нестационарного потока.
Литература
1. Ершов, С. В. Проблемы численного моделирования трехмерных вязких течений в осевых и центробежных
компрессорах / С. В. Ершов, А. В. Русанов // Вісн. Сумск. ун-ту. – 2005. – № 1 (73). – С. 25–34.
2. Ершов, С. В. Развитие комплекса программ для расчета трехмерных течений вязкого газа / С. В. Ершов //
Авиац.-косм. техника и технология. – 2012. – №5(92). – С. 89–94.
3. Ершов, С. В. Развитие метода расчета трехмерных отрывных течений в проточной части компрессора /
С. В. Ершов, Д. А. Козырец // Вестн. НТУ «ХПИ». Энерг. и теплотехн. процессы и оборудование. – Харьков
: НТУ «ХПИ». – 2012. – № 7. – С. 16–23.
4. Menter, F. R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications / F. R. Menter // AIAA J.
– 1994. – Vol. 8. – P. 1598 – 1605.
5. Ершов, С. В. Квазимонотонная ENO-схема повышенной точности для интегрирования уравнений
Эйлера и Навье–Стокса / С В. Ершов // Мат. моделирование. – 1994. – Т. 6, № 11. – С. 63 – 75.
Поступила в редакцию 14.10.15
Рис. 9. Вихревая структура течения у корня в РК1
|