Use of Refined Finite Element Models for Solving the Contact Thermoalasticity Problem of Gas Turbine Rotors
A refined mathematical model of gas turbine engine rotors using three-dimensional finite elements of a curvilinear form is developed. All the calculations were performed for rotors, which are widely used in power machine building and shipbuilding. The fact is that such components have a constructive...
Збережено в:
| Видавець: | Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України |
|---|---|
| Дата: | 2018 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | English Russian |
| Опубліковано: |
Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
2018
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://journals.uran.ua/jme/article/view/144199 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
Репозиторії
Energy Technologies & Resource Saving| id |
oai:ojs.journals.uran.ua:article-144199 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Energy Technologies & Resource Saving |
| collection |
OJS |
| language |
English Russian |
| topic |
three-dimensional finite elements gas turbine rotors displacement and temperature fields contact thermoelasticity problem clearance interference UDC 539.3 трехмерные конечные элементы роторы газовых турбин поля перемещений и температур задача контактной термоупругости зазор натяг УДК 539.3 тривимірні скінченні елементи ротори газових турбін поля переміщень і температур задача контактної термопружності зазор натяг УДК 539.3 |
| spellingShingle |
three-dimensional finite elements gas turbine rotors displacement and temperature fields contact thermoelasticity problem clearance interference UDC 539.3 трехмерные конечные элементы роторы газовых турбин поля перемещений и температур задача контактной термоупругости зазор натяг УДК 539.3 тривимірні скінченні елементи ротори газових турбін поля переміщень і температур задача контактної термопружності зазор натяг УДК 539.3 Morgun, Sergey A. Kairov, Aleksey S. Use of Refined Finite Element Models for Solving the Contact Thermoalasticity Problem of Gas Turbine Rotors |
| topic_facet |
three-dimensional finite elements gas turbine rotors displacement and temperature fields contact thermoelasticity problem clearance interference UDC 539.3 трехмерные конечные элементы роторы газовых турбин поля перемещений и температур задача контактной термоупругости зазор натяг УДК 539.3 тривимірні скінченні елементи ротори газових турбін поля переміщень і температур задача контактної термопружності зазор натяг УДК 539.3 |
| format |
Article |
| author |
Morgun, Sergey A. Kairov, Aleksey S. |
| author_facet |
Morgun, Sergey A. Kairov, Aleksey S. |
| author_sort |
Morgun, Sergey A. |
| title |
Use of Refined Finite Element Models for Solving the Contact Thermoalasticity Problem of Gas Turbine Rotors |
| title_short |
Use of Refined Finite Element Models for Solving the Contact Thermoalasticity Problem of Gas Turbine Rotors |
| title_full |
Use of Refined Finite Element Models for Solving the Contact Thermoalasticity Problem of Gas Turbine Rotors |
| title_fullStr |
Use of Refined Finite Element Models for Solving the Contact Thermoalasticity Problem of Gas Turbine Rotors |
| title_full_unstemmed |
Use of Refined Finite Element Models for Solving the Contact Thermoalasticity Problem of Gas Turbine Rotors |
| title_sort |
use of refined finite element models for solving the contact thermoalasticity problem of gas turbine rotors |
| title_alt |
Использование уточненных конечно-элементных моделей для решения задачи термоупругости роторов турбомашин Використання уточнених скінченноелементних моделей для розв’язання задачі термопружності роторів турбомашин |
| description |
A refined mathematical model of gas turbine engine rotors using three-dimensional finite elements of a curvilinear form is developed. All the calculations were performed for rotors, which are widely used in power machine building and shipbuilding. The fact is that such components have a constructive heterogeneity that can hardly be correctly explained using well-known finite elements and their shape functions. On the other hand, the mathematical model should be as simple as possible with a view to its wide use in the process of designing a rotor. Therefore, a new refined finite-element mathematical model was developed, consisting of three-dimensional curvilinear hexahedral finite elements. It was used to calculate the displacement field caused by the complex action of the heat flux and contact load at the junction of rotor elements. This approach makes it possible to describe the entire rotor as a superposition of the developed curvilinear finite element models and make the calculation process more correct and compact. To solve this problem, a system of matrix equations was compiled. It is based on the use of energy balance dependences in the mechanical contact interaction of rotor elements, as well as the heat balance under the influence of non-stationary heat flow. When creating a numerical algorithm for solving the problem, the direct decomposition of Cholesky was used. To make the solution more compact, the Sherman scheme was used. All the calculations of displacement and temperature fields were carried out for two widely used types of joints, which are used to create such rotors, namely: joints with clearance and interference. |
| publisher |
Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України |
| publishDate |
2018 |
| url |
https://journals.uran.ua/jme/article/view/144199 |
| work_keys_str_mv |
AT morgunsergeya useofrefinedfiniteelementmodelsforsolvingthecontactthermoalasticityproblemofgasturbinerotors AT kairovalekseys useofrefinedfiniteelementmodelsforsolvingthecontactthermoalasticityproblemofgasturbinerotors AT morgunsergeya ispolʹzovanieutočnennyhkonečnoélementnyhmodelejdlârešeniâzadačitermouprugostirotorovturbomašin AT kairovalekseys ispolʹzovanieutočnennyhkonečnoélementnyhmodelejdlârešeniâzadačitermouprugostirotorovturbomašin AT morgunsergeya vikoristannâutočnenihskínčennoelementnihmodelejdlârozvâzannâzadačítermopružnostírotorívturbomašin AT kairovalekseys vikoristannâutočnenihskínčennoelementnihmodelejdlârozvâzannâzadačítermopružnostírotorívturbomašin |
| first_indexed |
2024-09-01T17:37:02Z |
| last_indexed |
2024-09-01T17:37:02Z |
| _version_ |
1809016132096491520 |
| spelling |
oai:ojs.journals.uran.ua:article-1441992018-10-11T16:04:49Z Use of Refined Finite Element Models for Solving the Contact Thermoalasticity Problem of Gas Turbine Rotors Использование уточненных конечно-элементных моделей для решения задачи термоупругости роторов турбомашин Використання уточнених скінченноелементних моделей для розв’язання задачі термопружності роторів турбомашин Morgun, Sergey A. Kairov, Aleksey S. three-dimensional finite elements gas turbine rotors displacement and temperature fields contact thermoelasticity problem clearance interference UDC 539.3 трехмерные конечные элементы роторы газовых турбин поля перемещений и температур задача контактной термоупругости зазор натяг УДК 539.3 тривимірні скінченні елементи ротори газових турбін поля переміщень і температур задача контактної термопружності зазор натяг УДК 539.3 A refined mathematical model of gas turbine engine rotors using three-dimensional finite elements of a curvilinear form is developed. All the calculations were performed for rotors, which are widely used in power machine building and shipbuilding. The fact is that such components have a constructive heterogeneity that can hardly be correctly explained using well-known finite elements and their shape functions. On the other hand, the mathematical model should be as simple as possible with a view to its wide use in the process of designing a rotor. Therefore, a new refined finite-element mathematical model was developed, consisting of three-dimensional curvilinear hexahedral finite elements. It was used to calculate the displacement field caused by the complex action of the heat flux and contact load at the junction of rotor elements. This approach makes it possible to describe the entire rotor as a superposition of the developed curvilinear finite element models and make the calculation process more correct and compact. To solve this problem, a system of matrix equations was compiled. It is based on the use of energy balance dependences in the mechanical contact interaction of rotor elements, as well as the heat balance under the influence of non-stationary heat flow. When creating a numerical algorithm for solving the problem, the direct decomposition of Cholesky was used. To make the solution more compact, the Sherman scheme was used. All the calculations of displacement and temperature fields were carried out for two widely used types of joints, which are used to create such rotors, namely: joints with clearance and interference. Разработана уточненная математическая модель роторов газотурбинных двигателей с использованием трехмерных конечных элементов криволинейной формы. Все расчеты были выполнены для роторов, которые широко распространены в энергетическом машиностроении и судостроении. Детали этого типа имеют конструктивную неоднородность, которую вряд ли можно было бы правильно объяснить, используя хорошо известные конечные элементы и их функции формы. С другой стороны, математическая модель должна быть максимально простой с целью ее широкого использования в процессе проектирования ротора. Поэтому была разработана новая уточненная конечноэлементная математическая модель, состоящая из трехмерных криволинейных конечных элементов типа гексаэдра. Она использовалась для расчета поля перемещений, вызванного комплексным воздействием теплового потока, и контактной нагрузки в местах соединения элементов ротора. Такой подход дает возможность описать весь ротор как суперпозицию разработанных криволинейных моделей конечных элементов и сделать процесс расчета более правильным и компактным. Для решения поставленной задачи была составлена система матричных уравнений. Она основана на использовании зависимостей энергетического баланса при механическом контактном взаимодействии элементов ротора, а также теплового баланса при воздействии нестационарного теплового потока. При создании численного алгоритма решения поставленной задачи использовалось прямое разложение Холецкого. Для придания решению большей компактности применялась схема Шермана. Все расчеты полей перемещений и температур проведены для двух широко распространенных типов соединений, которые используются для создания таких роторов, а именно: соединений с зазором и с натягом. Розроблена уточнена математична модель роторів газотурбінних двигунів з використанням тривимірних скінченних елементів криволінійної форми. Всі розрахунки виконані для роторів, що дуже поширені в енергетичному машино-та суднобудуванні. Деталі такого типу мають конструктивну неоднорідність, яку навряд чи можна було б правильно пояснити, використовуючи добре відомі скінченні елементи та їхні функції форми. З іншого боку, математична модель повинна бути максимально простою з метою її широкого використання в процесі проектування ротора. Тому була розроблена нова уточнена скінченноелементна математична модель, що складається з тривимірних криволінійних скінченних елементів типу гексаедр. Вона використовувалась для розрахунку поля переміщень, викликаного комплексним впливом теплового потоку, і контактного навантаження в місцях з'єднання елементів ротора. Такий підхід дає можливість описати весь ротор як суперпозицію розроблених криволінійних моделей скінченних елементів і зробити процес розрахунку більш правильним і компактним. Для вирішення поставленого завдання була складена система матричних рівнянь. Вона грунтується на використанні залежностей енергетичного балансу під час механічної контактної взаємодії елементів ротора, а також теплового балансу у разі впливу нестаціонарного теплового потоку. Під час створення чисельного алгоритму розв’язання поставленої задачі використовувалося пряме розкладання Холецького. Для додання розв’язку більшої компактності застосовувалася схема Шермана. Всі розрахунки полів переміщень і температур проведені для двох широко поширених типів з'єднань, які використовуються для створення таких роторів, а саме: з'єднань з зазором та натягом. Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України 2018-10-11 Article Article application/pdf application/pdf https://journals.uran.ua/jme/article/view/144199 Journal of Mechanical Engineering; Vol. 21 No. 3 (2018); 53-58 Проблемы машиностроения; Том 21 № 3 (2018); 53-58 Проблеми машинобудування; Том 21 № 3 (2018); 53-58 2709-2992 2709-2984 en ru https://journals.uran.ua/jme/article/view/144199/142082 https://journals.uran.ua/jme/article/view/144199/142083 Copyright (c) 2018 Sergey A. Morgun, Aleksey S. Kairov https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0 |