Аппроксимация профиля лопаток газотурбинных двигателей
Автор: Соловьев М.Е., Шулева Ю.Н., Балдаев С.Л., Балдаев Л.Х.
Журнал: Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don) @vestnik-donstu
Рубрика: Информатика, вычислительная техника и управление
Статья в выпуске: 1 т.24, 2024 года.
Бесплатный доступ
Введение. Повышение долговечности лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) достигается за счет применения специальных защитных покрытий их поверхности. Для разработки таких покрытий основной исходной информацией является геометрический профиль сечения лопатки. Для передачи заданного профиля сечения лопатки в соответствующую CAD/CAM-систему или пакет инженерного анализа применяются методы параметрического моделирования, позволяющие автоматизировать данную операцию. Однако известные подходы к созданию параметрической модели профиля лопатки не лишены ряда недостатков, и общепринятой методики ее создания в настоящее время не существует. Целью данной работы является создание методики аппроксимации профиля лопаток ГТД, удобной для использования при последующем анализе условий работы специальных покрытий поверхности лопаток.Материалы и методы. При построении параметрических моделей профиля лопаток газотурбинных двигателей авторами использован метод, основанный на применении ортогональных полиномов Лежандра. Это позволило обеспечить высокую точность аппроксимации и построение непрерывного отображения для параметров аппроксимации профиля лопатки. Для автоматизированной обработки исходных профилей создано приложение на языке Python, позволяющее вычислять коэффициенты аппроксимирующих полиномов для линий контура лопатки, визуализировать результаты расчета и создавать по точкам аппроксимирующих функций dxf-файл для передачи его в CAD-систему. Далее геометрические модели лопаток использовали для решения задачи обтекания лопатки стационарным аэродинамическим потоком. Результаты решения этой задачи использованы при исследовании влияния профиля лопатки на ее остывание в аэродинамическом потоке.Результаты исследования. В качестве примера рассмотрены три варианта профилей лопаток, относящихся к разным типам ГТД. Показано, что для всех трех изученных профилей предложенная методика позволяет получать параметрические модели, обеспечивающие высокую точность построения аппроксимирующих линий, что подтверждается близкими к единице значениями коэффициентов детерминации. Для иллюстрации возможности использования полученных моделей приведены примеры решения задачи газовой динамики при потенциальном обтекании лопатки в стационарном аэродинамическом потоке. Методом конечных элементов рассчитаны распределения давлений и температур на поверхности лопатки.Обсуждение и заключение. Результаты вычислений показали, что предлагаемая методика аппроксимации профиля лопатки ГТД, основанная на использовании ортогональных многочленов, является удобным инструментом, позволяющим автоматизировать создание геометрической модели лопатки и проводить сравнение различных типов и профилей лопаток, решая соответствующие задачи газовой динамики. При этом для заданного профиля лопаток и условий работы ГТД можно получить распределение температур и усилий, действующих на поверхности лопатки, что необходимо для прогнозирования долговечности специальных покрытий
Лопатки газотурбинных двигателей, профиль сечения, аппроксимация, ортогональные многочлены
Короткий адрес: https://sciup.org/142240671
IDR: 142240671 | УДК: 004.032.22, | DOI: 10.23947/2687-1653-2024-24-1-78-87
Approximation of the profile of gas turbine engine blades
Introduction. Increasing the durability of gas turbine engine (GTE) blades is achieved through the use of special protective coatings on their surface. For the development of such coatings, the basic source information is the geometric profile of the blade section. To transfer a given blade cross-section profile to the appropriate CAD/CAM system or engineering analysis package, parametric modeling methods are used to automate this operation. However, the known approaches to creating a parametric model of a blade profile are not without a number of disadvantages, and a generally accepted method for creating it does not currently exist. The research was aimed at creating a technique for approximating the profile of gas turbine engine blades, convenient for use in the subsequent analysis of the operating conditions of special coatings on the surface of the blades.Materials and Methods. When constructing parametric models of the profile of gas turbine engine blades, a method based on the orthogonal Legendre polynomials was used. This made it possible to provide high accuracy of approximation and construction of a continuous mapping for the parameters of the blade profile approximation. A Python application was created for automated processing of source profiles. It provided the calculation of the coefficients of approximating polynomials for the contour lines of the blade, visualization of the calculation results, and creation of a dxf file based on the points of approximating functions to transfer it to the CAD system. Next, geometric models of blades were used to solve the problem of a stationary aerodynamic flow around a blade. The results of solving this problem were used to study the effect of the blade profile on its cooling in an aerodynamic flow.Results. As an example, three options of blade profiles belonging to different types of GTE were considered. It was shown that for all three studied profiles, the proposed technique provided obtaining parametric models that maintained high accuracy in constructing approximating lines, which was confirmed by the values of the determination coefficients close to unity. To illustrate the possibility of using the obtained models, examples of solving the gas dynamic problem with a potential flow around a blade in a stationary aerodynamic flow were given. The distributions of pressure and temperature on the surface of the blade were calculated using the finite element method.Discussion and Conclusion. The calculation results show that the proposed technique of approximating the profile of the GTE blade, based on the use of orthogonal polynomials, is a convenient tool to automate the creation of a geometric model of the blade and compare different types and profiles of blades, solving the corresponding gas dynamic problems. At the same time, for a given blade profile and GTE operating conditions, it is possible to obtain the distribution of temperatures and forces acting on the surface of the blade, which is required for predicting the durability of special coatings.
Список литературы Аппроксимация профиля лопаток газотурбинных двигателей
- Крымов В.В., Елисеев Ю.С., Зудин К.И. Производство лопаток газотурбинных двигателей. Москва: Машиностроение; 2002. 376 с. Krymov VV, Eliseev YuS, Zudin KI. Production of Gas Turbine Engine Blades. Moscow: Mashinostroenie; 2002. 376 p. (In Russ.).
- Панков В.П., Бабаян А.Л., Куликов М.В., Коссой В.А., Варламов Б.С. Теплозащитные покрытия лопаток турбин авиационных газотурбинных двигателей. Ползуновский вестник. 2021;1:161-172. Pankov VP, Babayan AL, Kulikov MV, Kossoy VA, Varlamov BS. Heat-Protective Coatings for Turbine Blades of Aircraft Gas Turbine Engines. Polzunovskiy Vestnik. 2021;1:161-172.
- Nirmith Kumar Mishra, Shyam Raja Puppala, Laxmi Teja Kolanu, Jyoshnavi Amudapuram, Ratan Makthal. Design and Analysis of a Gas Turbine Blade. AIP Conference. Proceedings. 2023;2492(1):020040. https://doi.org/10.106375.0113346
- Cohen H, Rogers GFC, Straznicky P, Saravanamuttoo HIH, Nix A. Gas Turbine Theory, 7th Ed. London: Pearson; 2017. 606 p.
- Jabbar A, Rai AK, Reddy PR, Dakhil MH. Design and Analysis of Gas Turbine Rotor Blade Using Finite Element Method. International Journal of Mechanical and Production Engineering Research and Development. 2014;4(1): 91-112.
- Win Lai Htwe, Htay Htay Win, Nyein Aye San. Design and Thermal Analysis of Gas Turbine Blade. International Journal of Mechanical and Production Engineering. 2015;3(7):62-66. URL: https://www. iraj. in/ journal/journal file/journal pdfZ2-165-143653913462-66.pdf (accessed: 14.12.2023).
- Leloudas SN, Eskantar AI, Lygidakis GN, Nikolos LK. Low Reynolds Airfoil Family for Small Horizontal Axis н Wind Turbines Based on RG15 Airfoil. SNApplied Sciences. 2020;2:371. https://doi.org/10.1007/s42452-020-2161-1 ^
- Eftekhari S, Al-Obaidi ASM. Investigation of a NACA0012 Finite Wing Aerodynamics at Low Reynold's Numbers ^ and 0° to 90° Angle of Attack. Journal of Aerospace Technology and Management. 2019;11(1):e1519. URL: https://www.scielo.br/j/jatm/a/JdnMCtH6R3PhTBZ69YNqNfd/?format=pdf&lang=en (accessed: 14.12.2023). *
- Pritchard LJ. An Eleven Parameter Axial Turbine Airfoil Geometry Model. In: Proc. ASME International Gas Turbine Conference and Exhibition. Vol. 1: Aircraft Engine; Marine; Turbomachinery; Microturbines and Small
- Mengistu T, Ghaly W, Mansour T. Aerodynamic Shape Optimization of Turbine Blades Using a Design- g Parameter-Based Shape Representation. In: Proc. ASME Turbo Expo 2007: Power for Land, Sea, and Air. Vol. 6: Turbo Expo 2007, Parts A and B. New York: ASME; 2007. https://doi.org/10.1115/GT2007-28041
- Виноградов Л.В., Алексеев А.П. Костюков А.В. Профиль лопатки турбины из кривых Bezier. Вестник РУДН. Cерия: Инженерные исследования. 2013;3:10-15. Vinogradov LV, Alekseev AP, Kostjukov AV. Turbine Blade Profile of Curves Bezier. RUDN Journal of Engineering Research. 2013;(3):10-15.
- Виноградов Л.В., Мамаев В.К., Ощепков П.П. Турбинный профиль A3K7-NACA: автоматизация о проектирования. Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования. 2017;18(3):299-307. Vinogradov LV, Mamaev VK, Oschepkov PP. CAD of Turbine Profile Type A3K7 NACA by the Method of Nonlinear Transformation. RUDN Journal of Engineering Research. 2017;18(3):299-307.
- Мамаев В.К., Виноградов Л.В., Ощепков П.П. Моделирование решетки профилей транспортного газотурбинного двигателя. Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования. 2019;20(2):140-146. https://doi.org/10.22363/2312-8143-2019-20-2-140-146 Mamaev VK, Vinogradov LV, Oschepkov PP. Modeling the Set of Blade Profiles of a Gas Turbine Engine. RUDN Journal of Engineering Research. 2019;20(2):140-146. https://doi.org/10.22363/2312-8143-2019-20-2-140-146
- Шаблий Л.С., Колмакова Д.А., Кривцов А.В. Параметрическое моделирование лопаточных машин при оптимизации. Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013;15(6-4):1013-1018. Shabliy L, Kolmakova D, Krivtsov A. Parametric Modeling of Blade Machines during Optimization. Izvestia RAS SamSC. 2013;15(6-4):1013-1018.
- Блинов В.Л., Бродов Ю.М., Седунин В.А. Комаров О.В. Параметрическое профилирование плоских компрессорных решеток при решении задач многокритериальной оптимизации. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2015;(3-4):86-95. Blinov VL, Brodov YuM, Sedunin VA, Komarov OV. Parametric Profiling of 2D Compressor Rows for Multicriteria Optimization Task. Power Engineering: Research, Equipment, Technology. 2015;(3-4):86-95.
- Schnoes M, Nicke E. Exploring a Database of Optimal Airfoils for Axial Compressor Design. ISABE. 2017;21493:1-17.
- Beals R, Wong R. Special Functions and Orthogonal Polynomials. Cambridge: Cambridge University Press; 2016. 473p. https://doi.org/10.1017/CBO9781316227381
- Timko LP. Energy Efficient Engine High Pressure Turbine Component Test Performance Report. Washington, DC: NASA; 1984. 173 p.
- Тихомирова Е.А., Будиновский С.А., Живушкин А.А., Сидохин Е.Ф. Особенности развития термической усталости в деталях из жаропрочных сплавов с покрытием. Авиационные материалы и технологии. 2017;48(3):20-25. Tikhomirova EA, Budinovskiy SA, Zhivushkin AA, Sidokhin EF. Features of Thermal Fatigue Development in Detail, Produced from Heat-Resistant Alloys with Coatings. Aviation Materials and Technologies. 2017;48(3):20-25.
- Hecht F. FreeFEMDocumentation. Release 4.6. Paris: Sorbonne University; 2021. 673 p.
- Соловьев М.Е., Раухваргер А.Б., Балдаев С.Л., Балдаев Л.Х. Кинетическая модель разрушения адгезионного соединения порошкового покрытия и металлического субстрата. Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2023;139(1):9-19. https://doi.org/10.30987/2223-4608-2023-1-9-19 Soloviev ME, Raukhvarger AB, Baldaev SL, Baldaev LKh. Kinetic Model of Destruction of Adhesive Bounding of Power Coating and Metal Host Material. Science Intensive Technologies in Mechanical Engineering. 2023; 139(1):9-19. https://doi.org/10.30987/2223-4608-2023-1-9-19
