Верификация математической модели трансзвуковой осевой компрессорной ступени

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.

1. Иноземцев А. А., Сандрацкий В. Л. Газотурбинные двигатели. Пермь: ОАО Авиадвигатель, 2006. 1202 с.

2. 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.

3. Зысин Л. В. Парогазовые и газотурбинные тепловые электростанции. Санкт-Петербург: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. 368 с.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. Langley Research Center, Design study of advanced model support systems for the national transonic facility, Tech. rep. NASA. Document ID 19870010864. 1987.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. David C. Wilcox turbulence modeling for CFD. California, DCW Industries, Inc., 2006. 536 p.

22. Spalart P. R., Allmares S. R. A one-equation turbulence model for aerodynamic flows. AIAA. 1992. Vol. 439. DOI: 10.2514/6.1992-439.

23. 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).

24. 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.