ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ И ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕНТИЛЯТОРА ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ РАЗРУШЕНИЯ ЛЬДА НА ВРАЩАЮЩИХСЯ РАБОЧИХ ЛОПАТКАХ
Сведения об авторах
- Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
- Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
- Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
- Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
Аннотация
Проведен анализ современных экспериментальных и расчётных исследований по актуальной проблеме асимметричного разрушения льда на поверхностях рабочих лопаток вентиляторных ступеней газотурбинных двигателей. Разработана принципиальная схема экспериментальной установки, которая состоит из следующих основных элементов: аэродинамическая труба, холодильная камера, модельный вентилятор, электродвигатель, высокоскоростная видеокамера. Экспериментальная установка позволяет проводить лабораторные исследования процессов образования и разрушения льда. Проведено расчётное обоснование выбора параметров экспериментальной установки для исследования процессов обледенения лопаток вращающегося вентилятора газотурбинного двигателя. По результатам трехмерных газодинамических и прочностных расчётов определены конструктивный облик и основные геометрические параметры проточного тракта и модельного вентилятора. Представлены зависимости степени повышения давления Pk и потребляемой мощности модельного вентилятора Wпотр от величины массового расхода воздуха Gвозд для различного количества рабочих лопаток. Произведен выбор материалов ступицы диска и лопаток модельного вентилятора, удовлетворяющих условиям статической и динамической прочности, которые испытывают растягивающие и изгибные нагрузки при высоких скоростях вращения до 12 000 об/мин, проведена оценка допустимых коэффициентов запаса, получены напорные характеристики.
Ключевые слова
газотурбинные двигателитурбовентиляторные ГТДобледенениевибрациидисбалансасимметричное разрушение льдагазодинамическое моделированиепрочностной анализмодальный анализвиброметрированиесуперкомпьютер
Numerical simulation of gas-dynamic and strength characteristics of a fan for the experimental test rig for investigation of ice breakdown on rotating working blades
The paper is devoted to modern experimental and computational studies analysis on the point of asymmetric destruction of ice on the surfaces of the working blades of gas-turbine engine blades. A schematic diagram of an experimental setup has been developed, which consists of the following main elements: a wind tunnel, a cold chamber, a model fan, an electric motor, and a high-speed video camera. The experimental setup makes it possible to carry out laboratory studies of the ice formation and destruction processes. The choice of the experimental test rig parameters was made to allow assessing the icing of the blades of a rotating fan, which reproduces the processes occurring on gas turbine engines. Based on the results of three-dimensional gas-dynamic and strength calculations, the design and basic geometrical parameters of the flow path and the dummy fan were determined. The dependences of compression ratio Pk and the power consumption of a model fan Wcons on the value of the mass air flow Gair for a different number of rotor blades are presented. The choice of materials for the disk hub and blades of a dummy fan which experience tensile and bending loads at high rotation speeds up to 12.000 rpm was made, that satisfies the conditions of static and dynamic strength, also the allowable safety factors were evaluated, and pressure characteristics were obtained.
Keywords
gas turbine enginesturbofan gas turbine enginesicingvibrationsunbalanceasymmetric ice breakinggas dynamic modelingstrength analysismodal analysisvibration measurementsupercomputer
Литература
- 1.Методические вопросы проведения испытаний авиационных двигателей в условиях обледенения и оценка изменения характеристик ТРДД / Ф.Ш. Гельмедов, А.В. Горячев [и др.] // Авиационно-космическая техника и технология. – 2008. – Т. 54, No 7. – С. 133–138. Scholar
- 2.Данилкин С.Ю., Телешев В.А. К вопросу об исследовании вибрационного состояния газотурбинного двигателя в условиях обледенения // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. Академика С.П. Королева (национального исследовательского университета). – 2014. – Т. 47, No 5. – С. 55–59. Scholar
- 3.Гуревич О.С., Сметанин С.А., Трифонов М.Е. Оценка ухудшения характеристик ГТД при кристаллическом обледенении и возможностей его компенсации методами управления // Авиационные двигатели. – 2019. – Т. 4, No 3. – С. 17–24. Scholar
- 4.Гуревич О.С., Сметанин С.А., Трифонов М.Е. Особенности автоматического управления режимом работы ГТД при кристаллическом обледенении // Системы автоматического управления авиационными силовыми установками: сборник научных трудов / под ред. О.С. Гуревича. Москва. – 2020. – С. 35–40. Scholar
- 5.Mason J.G., Chow P., Fuleki D.M. Understanding ice crystal accretion and shedding phenomenon in jet engines using a rig test // Journal of engineering for gas turbines and power. – 2011. – Vol. 133, no. 4. – P. 8. Scholar
- 6.Mason J.G., Grzych M. The challenges identifying weather associated with jet engine ice crystal icing // SAE Technical Paper. – 2011. – No. 2011-38-0094. – 12 p. Scholar
- 7.Veres J., Jorgenson P., Wright W. A model to assess the risk of ice accretion due to ice crystal ingestion in a turbofan engine and its effects on performance // 4th AIAA atmospheric and space environments conference. – 2012. – P. 3038. Scholar
- 8.Основы расчета, конструирования и испытаний противообледенительных систем авиационных газотурбинных двигателей / А.Н. Антонов, Н.К. Аксенов, А.В. Горячев, С.В. Чиванов. – М.: ЦИАМ, 2001. – 268 с. Scholar
- 9.Каджардузов П.А., Эзрохи Ю.А. Влияние обледенения на характеристики двухконтурных ГТД в условиях ледяных кристаллов // Авиационные двигатели. – 2019. – No 1. – С. 75–81. Scholar
- 10.Veres J.P., Jorgenson P.C.E. Modeling commercial turbofan engine icing risk with ice crystal ingestion // NASA Technical Memorandum. – 2013. – Report Number NASA/TM-2013-218097. – 22 p. Scholar
- 11.Goodwin R.V., Dischinger D.G. Turbofan ice crystal roll-back investigation and preparations leading to inaugural ice crystal engine test at NASA PSL-3 test facility // 6th AIAA Atmospheric and Space Environments Conference. – 2014. – P. 2895. Scholar
- 12.Oliver M.J. Validation Ice Crystal Icing Engine Test in the Propulsion Systems Laboratory at NASA Glenn Research Center // 6th AIAA Atmospheric and Space Environments Conference. – 2014. – P. 2898. Scholar
- 13.Numerical simulation of aircraft thermal anti-icing system based on a tight-coupling method / X. Bu [et al.] // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2020. – Vol. 148. – Art. 119061. Scholar
- 14.An implicit time marching Galerkin method for the simulation of icing phenomena with a triple layer model / R. Chauvin [et al.] // Finite Elements in Analysis and Design. – 2018. – Vol. 150. – P. 20–33. Scholar
- 15.Bayeux C., Radenac E., Villedieu P. Theory and Validation of a 2D Finite-Volume Integral Boundary-Layer Method for Icing Applications // AIAA Journal. – 2019. – Vol. 57, no. 3. – P. 1092–1112. Scholar
- 16.Modeling in-flight ice accretion under uncertain conditions / G. Gori [et al.] // Journal of Aircraft. – 2022. – Vol. 59, no. 3. – P. 799–813. Scholar
- 17.Han Y., Palacios J. Surface roughness and heat transfer improved predictions for aircraft ice-accretion modeling // AIAA journal. – 2017. – Vol. 55, no. 4. – P. 1318–1331. Scholar
- 18.Алексеенко С.В., Приходько А.А. Численное моделирование обледенения цилиндра и профиля. Обзор моделей и результаты расчетов // Ученые записки ЦАГИ. – 2013. – Т. 44, No 6. – С. 25–57. Scholar
- 19.Modelling of icing of flying vehicles in climatic wind tunnels / G.P. Klemenkov [et al.] // Thermophysics and Aeromechanics. – 2008. – Vol. 15, no. 4. – P. 527–536. Scholar
- 20.Effect of high-fidelity ice-accretion simulations on full-scale airfoil performance / A.P. Broeren [et al.] // Journal of Aircraft. – 2010. – Vol. 47, no. 1. – P. 240–254. Scholar
- 21.Wang Y., Xu Y., Lei Y. An effect assessment and prediction method of ultra-sonic de-icing for composite wind turbine blades // Renewable Energy. – 2018. – Vol. 118. – P. 1015–1023. Scholar
- 22.Актуальные вопросы создания современных систем контроля обледенения самолета / В.П. Зинченко [и др.] // Адаптивні системи автоматичного управління. – 2011. – Т. 18, No 38. – С. 129–139. Scholar
- 23.Mingione G., Brandi V. Ice accretion prediction on multielement airfoils // Journal of Aircraft. – 1998. – Vol. 35, no. 2. – P. 240–246. Scholar
- 24.Кошелев К.Б., Мельникова В.Г., Стрижак С.В. Разработка решателя iceFoam для моделирования процесса обледенения // Труды Института системного программирования РАН. – 2020. – Т. 32, No 4. – С. 217–234. Scholar
- 25.Индруленайте Я.А. Опыт применения программного комплекса FENSAP-ICE для моделирования обледенения крыла самолета // 14-я Международная конференция «Авиация и космонавтика-2015». Тезисы. – 2015. – С. 411–413. Scholar
- 26.Kalyulin S.L., Modorskii V.Ya., Cherepanov I.E. Numerical modeling of the influence of the gas-hydrodynamic flow parameters on streamined surface icing // AIP Conference Proceedings. – 2018. – Vol. 2027, no. 1. – Art. 030180. Scholar
- 27.Computational and experimental modeling of icing processes by means of PNRPU high-performance computational complex / S.L. Kalyulin [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. – Vol. 1096, no. 1. – Art. 012081. Scholar
- 28.Kalyulin S.L., Modorskii V.Ya., Maksimov D.S. Physical modeling of the influence of the gas-hydrodynamic flow parameters on the streamlined surface icing with vibrations // AIP Conference Proceedings. – 2018. – Vol. 2027, no. 1. – Art. 040090. Scholar
- 29.Optimizing numerical design of a multi-mode aero-cooled climatic wind tunnel nozzle on a PNRPU high-performance computational complex / S.L. Kalyulin [et al.] // Communications in Computer and Information Science. – 2020. – Vol. 2163. – P. 305–320. Scholar
- 30.Optimization of drop characteristics in a carrier cooled gas stream using ANSYS and Globalizer software systems on the PNRPU high-performance cluster / S.L. Kalyulin [et al.] // Communications in Computer and Information Science. – 2017. – Vol. 753. – P. 331–345. Scholar
- 31.Караджузов П.А., Эзрохи Ю.А., Влияние обледенения на характеристики двухконтурных ГТД в условиях ледяных кристаллов // Авиационные двигатели. – 2019. – Т. 2, No 1. – С. 75–81. Scholar
- 1.Gel'medov F.Sh., Goryachev A.V. et al. Metodicheskie voprosy provedeniya ispytanij aviacionnyh dvigatelej v usloviyah obledene-niya i ocenka izmeneniya harakteristik TRDD // Aviacionnokosmiche-skaya tekhnika i tekhnologiya, 2008, vol.54. no.7, pp.133-138. Scholar
- 2.Danilkin S.Yu., Teleshev V.A. K voprosu ob issledovanii vibracionnogo sostoyaniya gazoturbinnogo dvigatelya v usloviyah oble-deneniya // Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta im. Akademika S.P. Koroleva (nacional'nogo issledo-vatel'skogo universiteta), 2014, vol.47, no.5, pp.55-59. Scholar
- 3.Gurevich O.S., Smetanin S.A., Trifonov M.E. Ocenka uhudshe-niya harakteristik GTD pri kristallicheskom obledenenii i vozmozh-nostej ego kompensacii //Aviacionnye dvigateli, 2019, vol.4, no.3, pp.17-24. Scholar
- 4.Gurevich O.S., Smetanin S.A., Trifonov M.E. Osobennosti avtomaticheskogo upravleniya rezhimom raboty GTD pri kristallicheskom obledenenii // Sistemy avtomaticheskogo upravleniya aviacionnymi silovymi ustanovkami. Sbornik nauchnyh trudov. Pod redakciej O.S. Gurevicha, Moskow, 2020, pp.35-40. Scholar
- 5.Mason J.G., Chow P., Fuleki D.M. Understanding ice crys-tal accretion and shedding phenomenon in jet engines using a rig test. Journal of engineering for gas turbines and power, 2011, vol.133, no.4, 8 p. Scholar
- 6.Mason J.G., Grzych M. The challenges identifying weather associated with jet engine ice crystal icing. SAE Technical Paper, 2011, no.2011-38-0094, 12 p. Scholar
- 7.Veres J., Jorgenson P., Wright W. A model to assess the risk of ice accretion due to ice crystal ingestion in a turbofan en-gine and its effects on performance. 4th AIAA atmospheric and space environments conference, 2012, p. 3038. Scholar
- 8.Antonov A.N., Aksenov N.K., Goryachev A.V., Chivanov S.V. Osnovy rascheta, konstruirovaniya i ispytanij protivoo-bledenitel'nyh sistem aviacionnyh gazoturbinnyh dvigatelej. Moskow, CIAM, 2001, 268 p. Scholar
- 9.Kadzharduzov P.A., Ezrohi Yu.A. Vliyanie obledeneniya na ha-rakteristiki dvuhkonturnyh GTD v usloviyah ledyanyh kristallov. Aviacionnye dvigateli, 2019, no.1. pp.75-81. Scholar
- 10.Veres J.P., Jorgenson P.C.E. Modeling Commercial Tur-bofan Engine Icing Risk with Ice Crystal Ingestion. NASA Tech-nical Memorandum, 2013, Report Number NASA/TM-2013-218097, 22 p. Scholar
- 11.Goodwin R.V., Dischinger D.G. Turbofan ice crystal roll-back investigation and preparations leading to inaugural ice crystal engine test at NASA PSL-3 test facility. 6th AIAA Atmospheric and Space Environments Conference, 2014, p.2895. Scholar
- 12.Oliver M.J. Validation Ice Crystal Icing Engine Test in the Propulsion Systems Laboratory at NASA Glenn Research Center. 6th AIAA Atmospheric and Space Environments Conference, 2014, p.2898. Scholar
- 13.Bu X. et al. Numerical simulation of aircraft thermal anti-icing system based on a tight-coupling method. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2020, vol.148, Art.119061. Scholar
- 14.Chauvin R. et al. An implicit time marching Galerkin method for the simulation of icing phenomena with a triple layer model. Finite Elements in Analysis and Design, 2018, vol.150, pp.20-33. Scholar
- 15.Bayeux C., Radenac E., Villedieu P. Theory and Valida-tion of a 2D Finite-Volume Integral Boundary-Layer Method for Icing Applications. AIAA Journal, 2019, vol.57, no.3, pp.1092-1112. Scholar
- 16.Gori G. et al. Modeling in-flight ice accretion under un-certain conditions. Journal of Aircraft, 2022, vol.59, no.3, pp.799-813. Scholar
- 17.Han Y., Palacios J. Surface roughness and heat transfer improved predictions for aircraft ice-accretion modeling. AIAA journal, 2017, vol.55, no.4, pp.1318-1331. Scholar
- 18.Alekseenko S.V., Prihod'ko A.A. Chislennoe modelirovanie obledeneniya cilindra i profilya. Obzor modelej i rezult'taty raschetov. Uchenye zapiski CAGI, 2013, vol.44, no.6. pp. 25-57. Scholar
- 19.Klemenkov G.P. et al. Modelling of icing of flying vehi-cles in climatic wind tunnels. Thermophysics and Aeromechanics, 2008. vol.15, no.4, pp.527-536. Scholar
- 20.Broeren A.P. et al. Effect of high-fidelity ice-accretion simulations on full-scale airfoil performance. Journal of Air-craft. – 2010. – Vol. 47, no. 1. – P. 240–254. Scholar
- 21.Wang Y., Xu Y., Lei Y. An effect assessment and predic-tion method of ultra-sonic de-icing for composite wind turbine blades // Renewable Energy. – 2018. – Vol. 118. – P. 1015–1023. Scholar
- 22.Zinchenko V.P. et al. Aktual'nye voprosy sozdaniya sovremen-nyh sistem kontrolya obledeneniya samoleta. Adaptivnі sistemi avtomatichnogo upravlіnnya, 2011, vol.18, no.38, pp.129-139. Scholar
- 23.Mingione G., Brandi V. Ice accretion prediction on multielement airfoils. Journal of Aircraft, 1998, vol.35, no.2, pp.240–246. Scholar
- 24.Koshelev K.B., Mel'nikova V.G., Strizhak S.V. Razrabotka re-shatelya iceFoam dlya modelirovaniya processa obledeneniya. Trudy Instituta sistemnogo programmirovaniya RAN, 2020, vol.32, no.4, pp.217–234. Scholar
- 25.Indrulenajte YA.A. Opyt primeneniya programmnogo kom-pleksa FENSAP-ICE dlya modelirovaniya obledeneniya kryla samoleta. 14-ya Mezhdunarodnaya konferenciya «Aviaciya i kosmonavtika-2015». Tezisy, 2015, pp.411-413. Scholar
- 26.Kalyulin S.L., Modorskii V.Ya., Cherepanov I.E. Numeri-cal modeling of the influence of the gas-hydrodynamic flow pa-rameters on streamined surface icing. AIP Conference Proceed-ings, – 2018. – Vol. 2027. – No. 1. – Art. 030180. Scholar
- 27.Kalyulin S.L. et al. Computational and experimental mod-eling of icing processes by means of PNRPU high-performance computational complex. Journal of Physics: Conference Series, 2018, vol.1096, no.1, art.012081. Scholar
- 28.Kalyulin S.L., Modorskii V.Ya., Maksimov D.S. Physical modeling of the influence of the gas-hydrodynamic flow parame-ters on the streamlined surface icing with vibrations. AIP Confer-ence Proceedings, 2018, vol.2027, no.1, art.040090. Scholar
- 29.Kalyulin S.L. et al. Optimizing numerical design of a mul-ti-mode aero-cooled climatic wind tunnel nozzle on a PNRPU high-performance computational complex. Communications in Com-puter and Information Science, 2020, vol.2163, pp.305-320. Scholar
- 30.Kalyulin S.L. et al. Optimization of drop characteristics in a carrier cooled gas stream using ANSYS and Globalizer software systems on the PNRPU high-performance cluster. Communica-tions in Computer and Information Science, 2017, vol.753. pp.331-345. Scholar
- 31.Karadzhuzov P.A., Ezrohi Yu.A., Vliyanie obledeneniya na ha-rakteristiki dvuhkonturnyh GTD v usloviyah ledyanyh kristallov. Aviacionnye dvigateli, 2019, vol.2, no.1, pp.75-81. Scholar
Другие статьи выпуска
Весь выпуск (№ 1, 2023)- METHODS FOR REDUCING NOTCH SENSITIVITY OF HYBRID PSEUDO-DUCTILE POLYMER COMPOSITES WITH FABRIC REINFORCEMENT: EXPERIMENTAL STUDYс. 5–11
- МОДЕЛИРОВАНИЕ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ПЛАСТИНЫ С ЦЕНТРАЛЬНОЙ ТРЕЩИНОЙс. 12–25
- ПРОГРАММИРУЕМОЕ ПОВЕДЕНИЕ МЕТАМАТЕРИАЛА ПРИ ИЗМЕНЕНИИ СПОСОБА СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЯЧЕЕКс. 26–32
- ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ РЯДА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ И НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ, СОЗДАННЫХ ПРОВОЛОЧНО-ДУГОВОЙ НАПЛАВКОЙ, В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ СКОРОСТЕЙ ДЕФОРМАЦИЙс. 33–45
- ПЛОСКИЕ ЗАДАЧИ О ДЕЙСТВИИ ОСЦИЛЛИРУЮЩЕЙ НАГРУЗКИ НА ГРАНИЦЕ УПРУГОЙ ИЗОТРОПНОЙ ПОЛОСЫ ПРИ НАЛИЧИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙс. 46–55
- Совершенствование неразрушающего метода определения механических характеристик элементов многослойных конструкций на примере дорожных одеждс. 56–65
- ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЕ КИНЕТИЧЕСКОЕ УРАВНЕНИЕ КОНВЕРСИИ СВЯЗУЮЩЕГО КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ИЗОТЕРМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙс. 66–74
- О реконструкции полей предварительных напряжений в полом цилиндрес. 75–89
- МЕТОД СПЕКТРАЛЬНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ ЖЕСТКОСТИ В ЗАДАЧАХ ФЛАТТЕРА СОСТАВНЫХ ПЛАСТИНс. 90–102
- ПРЕДСТАВИТЕЛЬНЫЙ ОБЪЕМ И ЭФФЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРИОДИЧЕСКИХ И СТАТИСТИЧЕСКИ ОДНОРОДНО АРМИРОВАННЫХ ВОЛОКОННЫХ КОМПОЗИТОВс. 103–110
- Идентификация дефектов в клине с покрытием на основе методов ультразвукового неразрушающего контроля и сверточных нейронных сетейс. 111–124
- Осаждение фуллеритов C60 на подложку твердого тела с образованием пленкис. 125–133
Показаны 12 из 15