Численное моделирование газодинамических и прочностных характеристик вентилятора для экспериментальной установки по исследованию разрушения льда на вращающихся рабочих лопатках
Автор: Калюлин С.Л., Саженков Н.А., Модорский В.Я., Владимиров Н.В.
Статья в выпуске: 1, 2023 года.
Бесплатный доступ
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 W потр от величины массового расхода воздуха G возд 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.
Газотурбинные двигатели, турбовентиляторные гтд, обледенение, вибрации, дисбаланс, асимметричное разрушение льда, газодинамическое моделирование, прочностной анализ, модальный анализ, виброметрирование, суперкомпьютер
Короткий адрес: https://sciup.org/146282646
IDR: 146282646 | УДК: 534.21 | DOI: 10.15593/perm.mech/2023.1.13
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 W cons on the value of the mass air flow G air 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.
Список литературы Численное моделирование газодинамических и прочностных характеристик вентилятора для экспериментальной установки по исследованию разрушения льда на вращающихся рабочих лопатках
- 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, № 7. - С. 133-138.
- 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, № 5. - С. 55-59.
- 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, № 3. - С. 17-24.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Основы расчета, конструирования и испытаний проти-вообледенительных систем авиационных газотурбинных двигателей / А.Н. Антонов, Н.К. Аксенов, А.В. Горячев, С.В. Чиванов. - М.: ЦИАМ, 2001. - 268 с.
- Каджардузов П.А., Эзрохи Ю.А. Влияние обледенения на характеристики двухконтурных ГТД в условиях ледяных кристаллов // Авиационные двигатели. - 2019. - № 1. -С. 75-81.
- 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.
- Goodwin R.V., Dischinger D.G. Turbofan ice crystal rollback 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Modeling in-flight ice accretion under uncertain conditions / G. Gori [et al.] // Journal of Aircraft. - 2022. - Vol. 59, no. 3. - P. 799-813.
- 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.
- Алексеенко С.В., Приходько А. А. Численное моделирование обледенения цилиндра и профиля. Обзор моделей и результаты расчетов // Ученые записки ЦАГИ. - 2013. - Т. 44, № 6. - С. 25-57.
- 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.
- 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.
- 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.
- Актуальные вопросы создания современных систем контроля обледенения самолета / В.П. Зинченко [и др.] // Адаптивш системи автоматичного управлшня. - 2011. - Т. 18, № 38. - С. 129-139.
- Mingione G., Brandi V. Ice accretion prediction on multielement airfoils // Journal of Aircraft. - 1998. - Vol. 35, no. 2. - P. 240-246.
- Кошелев К.Б., Мельникова В.Г., Стрижак С.В. Разработка решателя iceFoam для моделирования процесса обледенения // Труды Института системного программирования РАН. - 2020. - Т. 32, № 4. - С. 217-234.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Караджузов П. А., Эзрохи Ю.А., Влияние обледенения на характеристики двухконтурных ГТД в условиях ледяных кристаллов // Авиационные двигатели. - 2019. - Т. 2, № 1. - С. 75-81.
