О влиянии тангенциального навала лопаток на энергетические характеристики рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени

Цель работы – расчетное исследование влияния тангенциального навала пера лопаток на энергетические характеристики рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени. В качестве основного инструмента использован метод численного моделирования пространственных турбулентных газовых потоков, разработан...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2017
Автори:	Кваша, Ю.А., Зиневич, Н.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічної механіки НАН України і НКА України 2017
Назва видання:	Техническая механика
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/141266
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	О влиянии тангенциального навала лопаток на энергетические характери-стики рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени / Ю.А. Кваша, Н.А. Зиневич // Техническая механика. — 2017. — № 3. — С. 23-29. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-141266
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1412662018-08-30T01:22:59Z О влиянии тангенциального навала лопаток на энергетические характеристики рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени Кваша, Ю.А. Зиневич, Н.А. Цель работы – расчетное исследование влияния тангенциального навала пера лопаток на энергетические характеристики рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени. В качестве основного инструмента использован метод численного моделирования пространственных турбулентных газовых потоков, разработанный ранее в Институте технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины. Ціль роботи – розрахункове дослідження впливу тангенціального навалу пера лопаток на енергетичні характеристики робочого колеса надзвукового компресорного ступеня. Як основний інструмент використано метод числового моделювання просторових турбулентних газових потоків, розроблений раніше в Інституті технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України. The aim of this paper is to computationally study the effect of the tangential offset of blades on the power characteristics of the impeller of a supersonic compressor stage. The main computational tool was the method for numerical simulation of 3D turbulent gas flows developed earlier at the Institute of Technical Mechanics of the National Academy of Sciences of Ukraine and the State Space Agency of Ukraine. 2017 Article О влиянии тангенциального навала лопаток на энергетические характери-стики рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени / Ю.А. Кваша, Н.А. Зиневич // Техническая механика. — 2017. — № 3. — С. 23-29. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1561-9184 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/141266 533.697:621.51 ru Техническая механика Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Цель работы – расчетное исследование влияния тангенциального навала пера лопаток на энергетические характеристики рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени. В качестве основного инструмента использован метод численного моделирования пространственных турбулентных газовых потоков, разработанный ранее в Институте технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины.
format	Article
author	Кваша, Ю.А. Зиневич, Н.А.
spellingShingle	Кваша, Ю.А. Зиневич, Н.А. О влиянии тангенциального навала лопаток на энергетические характеристики рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени Техническая механика
author_facet	Кваша, Ю.А. Зиневич, Н.А.
author_sort	Кваша, Ю.А.
title	О влиянии тангенциального навала лопаток на энергетические характеристики рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени
title_short	О влиянии тангенциального навала лопаток на энергетические характеристики рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени
title_full	О влиянии тангенциального навала лопаток на энергетические характеристики рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени
title_fullStr	О влиянии тангенциального навала лопаток на энергетические характеристики рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени
title_full_unstemmed	О влиянии тангенциального навала лопаток на энергетические характеристики рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени
title_sort	о влиянии тангенциального навала лопаток на энергетические характеристики рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени
publisher	Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
publishDate	2017
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/141266
citation_txt	О влиянии тангенциального навала лопаток на энергетические характери-стики рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени / Ю.А. Кваша, Н.А. Зиневич // Техническая механика. — 2017. — № 3. — С. 23-29. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series	Техническая механика
work_keys_str_mv	AT kvašaûa ovliâniitangencialʹnogonavalalopatoknaénergetičeskieharakteristikirabočegokolesasverhzvukovojkompressornojstupeni AT zinevična ovliâniitangencialʹnogonavalalopatoknaénergetičeskieharakteristikirabočegokolesasverhzvukovojkompressornojstupeni
first_indexed	2025-07-10T12:20:23Z
last_indexed	2025-07-10T12:20:23Z
_version_	1837262465845428224
fulltext	23 УДК 533.697:621.51 Ю. А. КВАША, Н. А. ЗИНЕВИЧ О ВЛИЯНИИ ТАНГЕНЦИАЛЬНОГО НАВАЛА ЛОПАТОК НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОЧЕГО КОЛЕСА СВЕРХЗВУКОВОЙ КОМПРЕССОРНОЙ СТУПЕНИ Институт технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины, ул. Лешко-Попеля, 15, 49005, Днепр, Украина; e-mail: yukv@i.ua; zinevich7385@gmail.com Ціль роботи – розрахункове дослідження впливу тангенціального навалу пера лопаток на енергетич- ні характеристики робочого колеса надзвукового компресорного ступеня. Як основний інструмент вико- ристано метод числового моделювання просторових турбулентних газових потоків, розроблений раніше в Інституті технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України. У результаті проведення серії параметричних розрахунків показано, що при запровадженні тан- генціального навалу лопаток може бути підвищено адіабатичний ККД колеса при одночасному збільшенні ступеня стиску. Наведено розподіли адіабатичного ККД по висоті каналу на виході з колеса, що ілюстру- ють збільшення ККД колеса поблизу втулки й поверхні корпусу при використанні тангенціального навалу лопаток. У роботі продемонстровано ефективність застосування в числових дослідженнях спеціально обраних “грубих” розрахункових сіток, що зберігають, проте, чутливість результатів розрахунку до зміни форми лопатки. Поряд із цим показана можливість оцінки енергетичних характеристик колеса шляхом використання їхніх значень, осереднених у робочому діапазоні зміни витрати повітря через колесо. Пра- вомочність такого підходу підтверджено наступним розрахунком енергетичних характеристик робочого колеса з вихідною й зі зміненою в результаті застосування навалу формою лопатки на докладній ро- зрахунковій сітці. Отримані в роботі результати можуть бути використані при аеродинамічній оптимізації просторової форми лопаток нерухомих і обертових вінців компресорів. Цель работы – расчетное исследование влияния тангенциального навала пера лопаток на энергети- ческие характеристики рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени. В качестве основного инструмента использован метод численного моделирования пространственных турбулентных газовых потоков, разработанный ранее в Институте технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины. В результате проведения серии параметрических расчетов показано, что при введении тангенциального навала лопаток может быть повышен адиабатиче- ский КПД колеса при одновременном увеличении степени сжатия. Приведены распределения адиабатиче- ского КПД по высоте канала на выходе из колеса, иллюстрирующие увеличение КПД колеса вблизи втул- ки и поверхности корпуса при использовании тангенциального навала лопаток. В работе продемонстриро- вана эффективность применения в численных исследованиях специально выбранных “грубых” расчетных сеток, сохраняющих, тем не менее, чувствительность результатов расчета к изменению формы лопатки. Наряду с этим показана возможность оценки энергетических характеристик колеса путем использования их значений, осредненных в рабочем диапазоне изменения расхода воздуха через колесо. Правомочность такого подхода подтверждена последующим расчетом энергетических характеристик рабочего колеса с исходной и с измененной в результате применения навала формой лопатки на подробной расчетной сетке. Полученные в работе результаты могут быть использованы при аэродинамической оптимизации про- странственной формы лопаток неподвижных и вращающихся венцов компрессоров. The aim of this paper is to computationally study the effect of the tangential offset of blades on the power characteristics of the impeller of a supersonic compressor stage. The main computational tool was the method for numerical simulation of 3D turbulent gas flows developed earlier at the Institute of Technical Mechanics of the National Academy of Sciences of Ukraine and the State Space Agency of Ukraine. As a result of a set of paramet- ric calculations, it is shown that the introduction of a tangential offset may increase the adiabatic efficiency of the impeller with a simultaneous increase in the compression ratio. The distributions of the adiabatic efficiency along the passage height at the impeller outlet presented in this paper illustrate the increase in the impeller efficiency near the hub and the casing surface when a tangential offset is used. The paper demonstrates that in numerical studies efficient use can be made of specially chosen “coarse” meshes that, nevertheless, keep the sensitivity of the computed data to a variation of the blade shape. It is also shown that the impeller power characteristics can be estimated using their values averaged over the working range of the air flow rate through the impeller. The validi- ty of this approach is confirmed by calculating on a fine mesh the power characteristics of an impeller with blades of a standard shape and a shape changed by the introduction of an offset. The results of this study may be used in the aerodynamic optimization of the 3D shape of compressor stator and rotor blades. Ключевые слова: тангенциальный навал лопаток, рабочее колесо ком- прессорной ступени, численное моделирование, равномерно распределенная последовательность, энергетические характеристики.  Ю. А. Кваша, Н. А. Зиневич, 2017 Техн. механіка. – 2017. – № 3. mailto:yukv@i.ua mailto:zinevich7385@gmail.com 24 Численное моделирование пространственных турбулентных газовых те- чений во многих случаях позволяет оценить эффективность различных спо- собов аэродинамического совершенствования формы межлопаточных кана- лов компрессоров и турбин. Один из таких способов – применение тангенци- ального навала лопаток, т. е. изменение исходной формы лопатки путем наклона или изгиба ее пера в тангенциальном направлении. Результаты чис- ленного моделирования, приведенные в [1 – 4], показывают, что тангенци- альный навал лопаток заметно влияет на характеристики неподвижных и вращающихся венцов турбомашин, выбранных для изучения такого влияния. В связи с этим представляется целесообразным проведение дополнительных исследований в данном направлении применительно, в частности, к рабочим колесам сверхзвуковых компрессорных ступеней. Цель настоящей работы – расчетное исследование влияния тангенциаль- ного навала лопаток на энергетические характеристики рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени. Расчеты проводились для рабочего колеса Rotor-37, геометрические и режимные параметры которого приведены в [5]. Параметры пространственного турбулентного потока в проточной части колеса определялись на основе метода [6], разработанного в Институте тех- нической механики Национальной академии наук Украины и Государствен- ного космического агентства Украины. В указанном методе уравнения мате- матической модели течения включают осредненные уравнения Навье–Стокса и уравнения ( k )-модели турбулентности, в качестве основных перемен- ных приняты контравариантные составляющие скорости потока. Уравнения представлены в виде:   ,0div    V  (1)       , iiii SvvVv    graddivdiv  321 ,,i , (2)     ,E c v SE C EVE           graddivdiv  (3)       ,.    GkkVk kef graddivdiv (4)       ,. k CG k CV ef 2 21graddivdiv        (5) где                                         q v gv q g q kp q gS il l iii 11 3 2 25   ;~ iii n n n in Fpvvgvgv                                                      nn nl l ggv q v g q v gv q gp 1~ ;     ;~ FV q V g C ppggv q S v nn n E c                               21 2                                              ml l mn nm l l n np pt ggv q v g q v gv q v gG ; iq – криволинейные координаты; iv – контравариантные компоненты век- тора скорости потока V  ;  – время;  – плотность; p – давление; lt  – сумма коэффициентов турбулентной и молекулярной вязкости; 32 / ; iF – контравариантные компоненты вектора массовых внешних сил F  ; g – метрический тензор;  gdet ;  n – символы Кристоф- феля; 22 /VTCE v  ( vC – теплоемкость газа при постоянном объеме, T – температура);  – коэффициент теплопроводности; k и  – кинетическая энергия турбулентности и скорость ее диссипации; ;. tkef  ;,/. 31tef   1C = 1,44; 2C = 1,92. Рассматривается течение газа через один межлопаточный канал. Гранич- ные условия формулируются следующим образом. На некотором расстоянии вверх по потоку от передних кромок лопаток задаются распределения полно- го давления, температуры торможения, углов потока и параметров турбу- лентности по высоте канала. На боковых поверхностях расчетной области, не включающих поверхности лопаток, применяются условия периодичности для всех параметров течения. На поверхностях лопаток и стенках канала гранич- ные условия ставятся на основе метода пристеночных функций. Использова- ние метода пристеночных функций позволяет значительно уменьшить число точек, необходимых для дискретизации расчетной области, по сравнению со случаем применения граничных условий прилипания. На выходе из расчет- ной области задаются нулевые значения производных параметров потока в направлении течения. Расход газа через межлопаточный канал определяется фиксированной величиной статического давления в одной точке на выходной границе расчетной области. Методика численного решения разностных аналогов уравнений (1) – (5) включает применение методов суммарной аппроксимации и полинейного сканирования с нижней релаксацией, а также использование шага по времени в качестве релаксационного параметра. Совместное решение разностных аналогов уравнений (1) – (5) проводится по двухшаговому алгоритму коррек- ции давления и скорости. 26 При проведении исследований тангенциальный навал лопаток рабочего колеса задавался путем отклонения линии стекинга (в плоскости, перпенди- кулярной оси колеса) от исходного радиального расположения [1, с. 48]. На рис. 1 ось x прямоугольной системы координат xy соответствует радиаль- ному направлению, новое положение линии стекинга обозначено пунктирной кривой. Линия стекинга описывалась в безразмерном виде квадратичной кривой Безье, опорные точки 0P , 1P и 2P которой имели соответственно ко- ординаты (0;0), ( 1x ; 1y ) и (1;0). Положение точки 1P варьировалось следующим образом:  508050 11 ,,, x , (6)  5060 21 ,, y , (7) где  21  , – координаты точки равномерно распределенной последовательности в еди- ничном квадрате. Точка с координатами 5021 , определяет исходную простран- ственную форму лопатки колеса. При измене- нии параметра 1 от 0 до 1 координата mx максимума кривой Безье на рис. 1 изменяется от 0,3 до 0,7. При варьировании 2 от 0 до 1 величина максимума my изменяется в диапа- зоне от -0,15 до 0,15. Координаты точек равномерно распреде- ленной последовательности в единичном квадрате определялись по методике [7]. Всего было рассмотрено 32 точки такой последова- тельности. Для каждой точки на основе выра- жений (6), (7) определялось положение линии стекинга и геометрическая форма лопатки исследуемого колеса. Затем на основе численного моделиро- вания рассчитывались энергетические характеристики колеса – зависимости адиабатического КПД колеса  ..кр и степени сжатия  ..кр от расхода возду- ха G через колесо. Далее, в соответствии с подходом к выбору критериев ка- чества, предложенным в [8], для рассматриваемой точки в области парамет- ров 1 , 2 рассчитывались осредненные по расходу воздуха величины адиа- батического КПД  ..кр и степени сжатия  ..кр . Осреднение проводилось по формулам       2 2 maxmin min .. minmax .. GG G кркр dG GG ,       2 2 maxmin min .. minmax .. GG G кркр dG GG , где  maxmin,GG – интервал значений расхода воздуха через рабочее колесо, определенный при численном моделировании. Рис. 1 27 Расчеты пространственного турбулентного потока в колесе выполнялись на сетке, содержащей 341414  узлов (по высоте, ширине и длине межло- паточного канала). Такая “грубая” расчетная сетка сохраняет, тем не менее, чувствительность расчетных значений параметров потока к изменению гео- метрических параметров лопаточного венца [9]. На рис.2, а) показано изменение КПД  ..кр (в процентах по отношению к значению  ..кр при исходной геометрии колеса) в плоскости параметров 1 , 2 . Площадь кружков пропорциональна изменению значений  ..кр . Се- рыми кружками обозначены положительные величины изменения КПД, бе- лыми – отрицательные. Например, в точке, обозначенной позицией 1, значе- ние  ..кр меньше на 1,21 % по сравнению со значением  ..кр при исходном варианте геометрии лопаток колеса, а в точке, обозначенной позицией 2 – на 0,36 % больше. Аналогичная диаграмма приведена на рис. 2, б), где показано Рис. 2 28 изменение степени сжатия колеса  ..кр в плоскости 21 . Здесь в точке 1 значение  ..кр меньше на 2,05 % по сравнению с исходным значением  ..кр , а в точке 2 – больше на 0,1 %. В соответствии с приведенными на рис. 2, а) результатами расчетов по- вышение адиабатического КПД колеса может быть достигнуто при 600 2 , , что в основном соответствует отрицательным значениям my для линии стекинга (рис. 1). Указанное повышение составляет не более 0,4 %. Данные на рис. 2, б) демонстрируют положительное влияние танген- циального навала лопаток на величину степени сжатия колеса лишь в не- большой области изменения переменных 1 и 2 , расположенной в правой нижней части единичного квадрата. Для проверки полученных результатов использована точка 2 (рис. 2). Ко- ординаты точки: 75001 , ; 25002 , . Это соответствует значениям 60,mx и 0750,my при описании линии стекинга (рис. 1). Для этой точки проведена дополнительная серия расчетов пространственного турбу- лентного потока в исследуемом рабочем колесе на более подробной сетке, содержащей 804030  узлов. Использованы также имеющиеся результаты расчетов на такой сетке для исходной формы лопаток колеса [9]. Сравнение показало, что максимальное значение адиабатического КПД колеса (в рабо- чем диапазоне изменения расхода воздуха через колесо) увеличилось на 0,31 % по сравнению с его величиной при исходной форме лопатки. При этом степень сжатия колеса при расходе воздуха, соответствующем макси- муму КПД, также увеличилась (на 0,38 %). Максимальный расход воздуха через колесо уменьшился на 0,81 % по сравнению с его значением при ис- ходной форме лопатки. Следует отметить, что приведенные результаты находятся в определен- ном противоречии с данными работ [2 – 4], где положительное влияние нава- ла проявлялось при вогнутой форме поверхности разрежения лопаток, тогда как в данной работе положительное влияние навала прослеживается в основ- ном при выпуклой форме этой поверхности. Для прояснения данного проти- воречия необходимо проведение дальнейших исследований. 29 Увеличение адиабатического КПД колеса при введении тангенциального навала лопаток может объясняться перераспределением параметров потока по радиусу проточной части колеса, особенно вблизи втулки и поверхности его корпуса. На рис. 3 показаны распределения адиабатического КПД по вы- соте канала на выходе из колеса на режимах по расходу воздуха, соответ- ствующих максимуму КПД. Кривая, обозначенная позицией 1, соответствует исходной геометрии лопаток колеса, обозначенная позицией 2 – геометрии лопаток, определяемой точкой 2 (рис. 2). Выводы. На основе численного моделирования пространственных тур- булентных газовых течений проведено исследование влияния тангенциально- го навала лопаток на энергетические характеристики рабочего колеса сверх- звуковой компрессорной ступени. Показано, что при введении тангенциаль- ного навала лопаток адиабатический КПД колеса может быть повышен на 0,3 % при одновременном увеличении степени сжатия. В дальнейшем предполагается рассмотреть влияние навала более слож- ной формы на характеристики неподвижных и вращающихся лопаточных венцов компрессоров. 1. Бойко А. В., Говорущенко Ю. Н., Бурлака М. В. Применение вычислительной аэродинамики к оптимизации лопаток турбомашин. Харьков: НТУ “ХПИ”, 2012. 191 с. 2. Simon J. Gallimore, John J. Bolger, Nicholas A. Cumpsty, Mark J. Taylor, Peter I. Wright, James M. M. Place. The use of sweep and dihedral in multistage axial flow compressor blading. Part II: low and high speed designs and test verification. Journal of Turbomachinery. October 2002. Vol. 124. P. 533–541. 3. Шелковский М. Ю. Параметрическое исследование газодинамических характеристик компрессорных решеток. Авиационно-космическая техника и технология. 2012. № 7(94). С 95–106. 4. Серков С. А., Седунин В. А., Блинов В. Л. Влияние равномерности параметров по высоте лопаток высо- конагруженного осевого компрессора на его интегральные характеристики и запас газодинамической устойчивости. Труды первой научно-технической конференции молодых ученых Уральского энергети- ческого института. (Екатеринбург, 16 – 20 мая 2016). Екатеринбург, 2016. С. 87–92. 5. Design and Overall Performance of Four Highly Loaded, High-Speed Inlet Stages for an Advanced High- Pressure-Ratio Core Compressor : NASA Technical Paper 1337, 1978. 132 p. 6. Кваша Ю. А. Расчет пространственного турбулентного потока в межлопаточных каналах сверхзвуко- вых компрессорных ступеней. Техническая механика. 1999. № 1. С. 9–13. 7. Соболь И. М., Статников Р. Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями. М.: Наука, 1981. 110 с. 8. Кваша Ю. А., Зиневич Н. А. К аэродинамической оптимизации рабочих колес сверхзвуковых компрес- сорных ступеней. Техническая механика. 2016. № 2. С. 55–63. 9. Кваша Ю. А., Зиневич Н. А. К выбору расчетных сеток при численном моделировании пространствен- ных турбулентных течений в рабочих колесах сверхзвуковых компрессорных ступеней. Техническая механика. 2013. № 3. С. 34–41. Получено 11.09.2017, в окончательном варианте 19.09.2017

О влиянии тангенциального навала лопаток на энергетические характеристики рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени

Репозитарії

Схожі ресурси