avroenОмский научный вестник. Серия "Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение"Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering2588-03732587-764XОмский государственный технический университет10.25206/2588-0373-2025-9-2-61-70CJEHRNavroen-93Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕPOWER AND CHEMICAL ENGINEERINGВерификация математической модели трансзвуковой осевой компрессорной ступениVerification of mathematical model of transonic axial compressor stagehttps://orcid.org/0009-0009-3028-8512ЗолотухинА. С.ZolotukhinA. S.

Золотухин Антон Сергеевич - аспирант Высшей школы энергетического машиностроения СПбПУ; инженер-конструктор 3-й категории сектора расчетов отдела компрессоров СКБ ГТУ, АО «Силовые машины».

195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29; 195009, Санкт-Петербург, ул. Ватутина, д. 3, лит. А

ResearcherID HNP-9948-2023

Anton S. Zolotukhin - Postgraduate at the Higher School of Power Engineering, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (SPbPU); CFD Engineer of SKВ GTU Compressor Department, JSC “Power Machines”.

Saint Petersburg, Politechnicheskaya St., 29, 195251; Saint Petersburg, Vatutina St., 3A, 195009

ResearcherID HNP-9948-2023

zolotuhinant@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9380-9754МаренинаЛ. Н.MareninaL. N.

Маренина Любовь Николаевна – кандидат технических наук, доцент Высшей школы энергетического машиностроения Института энергетики СПбПУ.

195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29

AuthorID (SCOPUS) 57188961410

ResearcherID C-6788-2017

Lyubov N. Marenina - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Higher School of Power Engineering, Institute of Power Engineering, SPbPU.

Saint Petersburg, Politechnicheskaya St., 29, 195251

AuthorID (RSCI) 791131

AuthorID (SCOPUS) 57188961410

ResearcherID C-6788-2017

marenina_ln@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3808-7098ДроздовА. А.DrozdovA. A.

Дроздов Александр Александрович - доктор технических наук, профессор Высшей школы энергетического машиностроения Института энергетики СПбПУ.

195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29

AuthorID (РИНЦ) 314735

AuthorID (SCOPUS) 56649790100

ResearcherID К-7937-2014

Aleksandr A. Drozdov - Doctor of Technical Sciences, Professor at the Higher School of Power Engineering, Institute of Power Engineering, SPbPU.

Saint Petersburg, Politechnicheskaya St., 29, 195251

AuthorID (RSCI) 314735

AuthorID (SCOPUS) 56649790100

ResearcherID К-7937-2014

A_drozdi@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0278-5951ЗолотухинаЕ. Ю.ZolotukhinaE. Yu.

Золотухина Елена Юрьевна - инженер-конструктор конструкторского отдела систем автоматики и АСУ ТП, АО «Силовые машины»; соискатель Высшей школы атомной и тепловой энергетики СПбПУ.

195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29; 195009, Санкт-Петербург, ул. Ватутина, д. 3, лит. А

Elena Yu. Zolotukhina - Engineer at the Design Department of Automation Systems and Automated Control Systems, JSC “Power Machines; Applicant at the Higher School of Power Engineering, SPbPU.

Saint Petersburg, Politechnicheskaya St., 29, 195251; Saint Petersburg, Vatutina St., 3A, 195009

Kirshina.elena.yu@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7842-9614ЯблоковА. М.YablokovA. M.

Яблоков Алексей Михайлович - старший преподаватель Высшей школы энергетического машиностроения Института энергетики СПбПУ.

195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29

AuthorID (SCOPUS) 57199231312

ResearcherID M-7787-2018

Aleksey M. Yablokov - Senior Lecturer at the Higher School of Power Engineering, Institute of Power Engineering, SPbPU.

Saint Petersburg, Politechnicheskaya St., 29, 195251

AuthorID (SCOPUS) 57199231312

ResearcherID M-7787-2018

yablokovaleksey@mail.ruСанкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого; АО «Силовые машины»РоссияPeter the Great St. Petersburg Polytechnic University; JSC “Power Machines”Russian FederationСанкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоРоссияPeter the Great St. Petersburg Polytechnic UniversityRussian Federation202530062025926170Copyright © Золотухин А.С., Маренина Л.Н., Дроздов А.А., Золотухина Е.Ю., Яблоков А.М., 20252025Золотухин А.С., Маренина Л.Н., Дроздов А.А., Золотухина Е.Ю., Яблоков А.М.Zolotukhin A.S., Marenina L.N., Drozdov A.A., Zolotukhina E.Y., Yablokov A.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ariem.omgtu.ru/jour/article/view/93

Представлены результаты верификации и валидации математической модели проточной части трансзвуковой модельной ступени NASA Stage 37 осевого компрессора с данными эксперимента, проведенного NASA в 1970-х гг. В работе представлена последовательность построения математической модели проточной части, а также геометрических моделей лопаточных аппаратов. Математическая модель лопаток рабочего колеса построена на основе геометрии пера лопатки, полученной по результатам расчета напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов. При расчете напряженно-деформированного состояния лопатки учитывалось действие газодинамических нагрузок и центробежных сил. Для газодинамических расчетов проведено исследование на сеточную независимость с описанием методики расчета первого пристеночного слоя и обоснован выбор модели турбулентности. Численное исследование течения вязкого газа в проточной части модельной ступени проведено с учетом физического эксперимента NASA. В результате численных исследований построены газодинамические характеристики ступени, а также исследовано распределение параметров потока в расчетных сечениях по высоте проточной части. Полученные газодинамические характеристики на основе разработанной математической модели количественно и качественно соответствуют результатам газодинамических испытаний NASA. Полученная модель может быть использована для дальнейших оптимизационных или иных расчетов методом конечных элементов.

The research presents the results of verification and validation of the mathematical model of the flow path transonic model NASA Stage 37 axial compressor using the data of the experiment conducted by NASA in the 1970s. The work presents the sequence of constructing a mathematical model of the flow path, as well as geometric models of the blade units. The mathematical model of the impeller blades is constructed based on the geometry of the blade airfoil obtained from the results of calculating the stress-strain state using the finite element method. When calculating the stress-strain state of the blade, the effect of gas-dynamic loads and centrifugal forces is considered. For gas-dynamic calculations, a study is conducted on grid independence with a description of the calculation method for the first near-wall layer and a justification for the choice of the turbulence model. A numerical study of the viscous gas flow in the flow path of the model stage is carried out considering the distribution of flow parameters and the position of the measurement control points according to the NASA report. As a result of numerical studies, gas-dynamic characteristics of the stage are constructed, and the distribution of flow parameters in the calculated sections along the height of the flow part is investigated. The obtained gas-dynamic characteristics based on the developed mathematical model quantitatively and qualitatively correspond to the results of NASA gas-dynamic tests. The obtained model can be used for further optimization or other calculations using the finite element method.

NASA Stage 37численное моделированиемодельная ступеньосевой компрессорверификацияCFDскорость звукагазодинамические характеристикиNASA Stage 37numerical modelingmodel stageaxial compressorvalidationCFDsound speedgas-dynamic characteristicsИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-29-00200, https://rscf.ru/project/23-29-00200.The research was supported by the Grant No. 2329-00200 of the Russian Science Foundation, https://rscf.ru/project/23-29-00200.ReferencesИноземцев А. А., Сандрацкий В. Л. Газотурбинные двигатели. Пермь: ОАО Авиадвигатель, 2006. 1202 с.Inozemtsev A. A., Sandratskiy V. L. Gazoturbinnyye dvigateli [Gas turbine engines]. Perm, 2006. 1202 p. (In Russ.).Цанев С. В., Буров В. Д., Ремезов А. Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций / под ред. С. В. Цанева. Москва: Изд-во МЭИ, 2002. 584 с.Tsanev S. V., Burov V. D., Remezov A. N. Gazoturbinnyye i parogazovyye ustanovki teplovykh elektrostantsiy [Gas turbine and combined cycle plants of thermal power plants] / Ed. by S. V. Tsanev. Moscow, 2002. 584 p. (In Russ.).Зысин Л. В. Парогазовые и газотурбинные тепловые электростанции. Санкт-Петербург: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. 368 с.Zysin L. V. Parogazovyye i gazoturbinnyye teplovyye elektrostantsii [Combined-cycle and gas turbine thermal power plants]. Saint Petersburg, 2010. 368 p. (In Russ.).Reid L., Moore R. D. Design and overall performance of four highly loaded, high speed inlet stages for an advanced highpressure-ratio core compressor. NASA Technical. Paper 1337. 1978. 132 p.Reid L., Moore R. D. Design and overall performance of four highly loaded, high speed inlet stages for an advanced highpressure-ratio core compressor. NASA Technical. Paper 1337. 1978. 132 p.Reid L., Moore R. D. Performance of single-stage axial-flow transonic compressor with rotor and stator aspect ratios of 1.19 and 1.,26, respectively, and with design pressure ratio of 1.82. NASA Technical. Paper 1338. 1978. 105 p.Reid L., Moore R. D. Performance of single-stage axial-flow transonic compressor with rotor and stator aspect ratios of 1.19 and 1.,26, respectively, and with design pressure ratio of 1.82. NASA Technical. Paper 1338. 1978. 105 p.Reid L., Moore R. D. Performance of single-stage axial-flow transonic compressor with rotor and stator aspect ratios of 1.63 and 1.78, respectively, and with design pressure ratio of 1.82. NASA Technical. Paper 1974. 1982. 115 p.Reid L., Moore R. D. Performance of single-stage axial-flow transonic compressor with rotor and stator aspect ratios of 1.63 and 1.78, respectively, and with design pressure ratio of 1.82. NASA Technical. Paper 1974. 1982. 115 p.Reid L., Moore R. D. Performance of single-stage axial-flow transonic compressor with rotor and stator aspect ratios of 1.19 and 1.26, respectively, and with design pressure ratio of 2.05. NASA Technical. Paper 1659. 1980. 105 p.Reid L., Moore R. D. Performance of single-stage axial-flow transonic compressor with rotor and stator aspect ratios of 1.19 and 1.26, respectively, and with design pressure ratio of 2.05. NASA Technical. Paper 1659. 1980. 105 p.Reid L., Moore R. D. Performance of single-stage axial-flow transonic compressor with rotor and stator aspect ratios of 1.63 and 1.77, respectively, and with design pressure ratio of 2.05. NASA Technical. Paper 2001. 1982. 117 p.Reid L., Moore R. D. Performance of single-stage axial-flow transonic compressor with rotor and stator aspect ratios of 1.63 and 1.77, respectively, and with design pressure ratio of 2.05. NASA Technical. Paper 2001. 1982. 117 p.Dunham J. CFD validation for propulsion system components (la validation CFD des organes des propulseurs), Tech. rep., Advisory Group for Aerospace Research and Development (AGARD), Neuilly-sur-Seine (France). AGARD Advisory. Repot 355. 1998. 100 p.Dunham J. CFD validation for propulsion system components (la validation CFD des organes des propulseurs), Tech. rep., Advisory Group for Aerospace Research and Development (AGARD), Neuilly-sur-Seine (France). AGARD Advisory. Repot 355. 1998. 100 p.Xiang J., Schlüter J., Duan F. CFD Validation and analysis of a single-stage axial compressor. Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 629. P. 109–118. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.629.109.Xiang J., Schlüter J., Duan F. CFD Validation and analysis of a single-stage axial compressor. Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 629. P. 109–118. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.629.109.Блинов В. Л., Зубков И. С. Верификация расчётной модели трансзвуковой ступени для решения задач учёта влияния эрозионного износа на работу осевого компрессора // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2023. Т. 22, № 1. С. 51–62. DOI: 10.18287/2541-7533-2023-22-1-51-62. EDN: BMAYGI.Blinov V. L., Zubkov I. S. Verifikatsiya raschлtnoy modeli transzvukovoy stupeni dlya resheniya zadach ucheta vliyaniya erozionnogo iznosa na rabotu osevogo kompressora [Verification of a transonic stage cfd model for assessing the erosion wear influence on the operation of the axial compressor]. Vestnik Samarskogo universiteta. Aerokosmicheskaya tekhnika, tekhnologii i mashinostroyeniye. Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering. 2023. Vol. 22, no. 1. P. 51–62. DOI: 10.18287/2541-7533-2023-22-1-51-62. EDN: BMAYGI. (In Russ.).Vani A., Dr. Manjunath S. V., Dr. Basawaraj [et al.]. Aerodynamic design, analysis and optimization of transonic axial compressor blade with the combination of NACA 65, Double Circular Arc (DCA) and Multiple Circular Arc Airfoil (MCA). Tuijin Jishu/Journal of Propulsion Technology. 2023. Vol. 44, no. 4. DOI: 10.52783/tjjpt.v44.i4.4328.Vani A., Dr. Manjunath S. V., Dr. Basawaraj [et al.]. Aerodynamic design, analysis and optimization of transonic axial compressor blade with the combination of NACA 65, Double Circular Arc (DCA) and Multiple Circular Arc Airfoil (MCA). Tuijin Jishu/Journal of Propulsion Technology. 2023. Vol. 44, no. 4. DOI: 10.52783/tjjpt.v44.i4.4328.Morris A. L., Halle J. E., Kennedy E. High-loading, 1800 ft/sec tip speed transonic compressor fan stage I. Aerodynamic and mechanical design. NASA CR-120907. 1972. 104 p.Morris A. L., Halle J. E., Kennedy E. High-loading, 1800 ft/sec tip speed transonic compressor fan stage I. Aerodynamic and mechanical design. NASA CR-120907. 1972. 104 p.Nagai K., Ikesawa K., Sugimoto T. [et al.]. Design and development of a two stage transonic axial flow compressor. ASME 1996 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition. Paper 96-GT-059, V001T01A015. 8 p. DOI: 10.1115/96-GT-059.Nagai K., Ikesawa K., Sugimoto T. [et al.]. Design and development of a two stage transonic axial flow compressor. ASME 1996 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition. Paper 96-GT-059, V001T01A015. 8 p. DOI: 10.1115/96-GT-059.Crouse J. E., Janetzke D. C., Schwirian R. E. A computer program for composing compressor blading from simulated circular-arc elements on conical surfaces. NASA TN D-5437. 1969. 85 p.Crouse J. E., Janetzke D. C., Schwirian R. E. A computer program for composing compressor blading from simulated circular-arc elements on conical surfaces. NASA TN D-5437. 1969. 85 p.Piollet E., Nyssen F., Batailly A. Blade/casing rubbing interactions in aircraft engines: Numerical benchmark and design guidelines based on NASA rotor 37. Journal of Sound and Vibration. 2019. Vol. 460. P. 114878. DOI: 10.1016/j.jsv.2019.114878.Piollet E., Nyssen F., Batailly A. Blade/casing rubbing interactions in aircraft engines: Numerical benchmark and design guidelines based on NASA rotor 37. Journal of Sound and Vibration. 2019. Vol. 460. P. 114878. DOI: 10.1016/j.jsv.2019.114878.Langley Research Center, Design study of advanced model support systems for the national transonic facility, Tech. rep. NASA. Document ID 19870010864. 1987.Langley Research Center, Design study of advanced model support systems for the national transonic facility, Tech. rep. NASA. Document ID 19870010864. 1987.Hall А. M., Slunder C. The metallurgy, behavior, and application of the 18-percent nickel maraging steels. Tech. rep. Battelle Memorial Inst. Columbus OH Columbus Labs. Document ID 19690004861. 1968.Hall А. M., Slunder C. The metallurgy, behavior, and application of the 18-percent nickel maraging steels. Tech. rep. Battelle Memorial Inst. Columbus OH Columbus Labs. Document ID 19690004861. 1968.Wagner J. A. Correlation of mechanical properties with metallurgical structure for 18Ni 200 grade maraging steel at room and cryogenic temperatures. Cryogenics. 1991. Vol. 31, Issue 9. P. 780–785. DOI: 10.1016/0011-2275(91)90134-i.Wagner J. A. Correlation of mechanical properties with metallurgical structure for 18Ni 200 grade maraging steel at room and cryogenic temperatures. Cryogenics. 1991. Vol. 31, Issue 9. P. 780–785. DOI: 10.1016/0011-2275(91)90134-i.Золотухин А. С., Маренина Л. Н. Верификация методики постановки CFD-исследований осевой компрессорной ступени на примере NASA Stage 37 в программном комплексе ANSYS CFX // Энергоэффективные инженерные системы, технологии СПГ, водородная энергетика: XII Конгресс молодых ученых Университета ИТМО. Санкт-Петербург: Изд-во Ун-та ИТМО, 2023. С. 114–115. EDN: GOXMAG.Zolotukhin A. S., Marenina L. N. Verifikatsiya metodiki postanovki CFD-issledovaniy osevoy kompressornoy stupeni na primere NASA Stage 37 v programmnom komplekse ANSYS CFX [Verification of the methodology of CFD studies of axial compressor stage on the example of NASA Stage 37 in the ANSYS CFX software package]. Energoeffektivnyye Inzhenernyye Sistemy, Tekhnologii SPG, Vodorodnaya Energetika. Saint Petersburg, 2023. P. 114–115. EDN: GOXMAG. (In Russ.).David C. Wilcox turbulence modeling for CFD. California, DCW Industries, Inc., 2006. 536 p.David C. Wilcox turbulence modeling for CFD. California, DCW Industries, Inc., 2006. 536 p.Spalart P. R., Allmares S. R. A one-equation turbulence model for aerodynamic flows. AIAA. 1992. Vol. 439. DOI: 10.2514/6.1992-439.Spalart P. R., Allmares S. R. A one-equation turbulence model for aerodynamic flows. AIAA. 1992. Vol. 439. DOI: 10.2514/6.1992-439.Menter F. R. Zonal two equation k-ω turbulence models for aerodynamic flows. AIAA. 1993. URL: https://core.ac.uk/download/pdf/42776707.pdf (accessed: 14.11.2024).Menter F. R. Zonal two equation k-ω turbulence models for aerodynamic flows. AIAA. 1993. URL: https://core.ac.uk/download/pdf/42776707.pdf (accessed: 14.11.2024).Menter F. R., Kuntz M., Langtry R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model. Heat and Mass Transfer 4 / Eds.: K. Hajalic, Y. Nogano, M. Tummers. Begell House, Inc. 2003, 8 p.Menter F. R., Kuntz M., Langtry R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model. Heat and Mass Transfer 4 / Eds.: K. Hajalic, Y. Nogano, M. Tummers. Begell House, Inc. 2003, 8 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.