Расчетное исследование влияния числа рейнольдса на характеристики первой типовой ступени компрессора высокого давления

Авторы

Милешин В. И.^*, Семёнкин В. Г.^**

Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, ЦИАМ, Авиамоторная ул., 2, Москва, 111116, Россия

*e-mail: mileshin@ciam.ru
**e-mail: semenkin@phystech.edu

Аннотация

Работа посвящена изучению влияния числа Рейнольдса (Re) на характеристики ступени компрессора высокого давления (КВД). Было проведено численное 3D-моделирование вязкого течения в каналах типовой первой ступени компрессора высокого давления К-8Б с использованием программного комплекса ANSYS CFX. Задача рассматривалась в постановке с полностью турбулентным пограничным слоем (модель турбулентности SST), второй вариант постановки задачи заключался в учете ламинарно-турбулентного перехода в течении (модель SST в паре с моделью γ – Re_θ). Для моделирования снижения числа Re на входном граничном условии выставлялись следующие значения полного давления: р₁* = 101325 Па, р₂* = 73040 Па, р₃* = 28990 Па, р₄* = 21210 Па (соответственно Re₁ = 1157494, Re₂ = 826805, Re₃ = 331127 и Re₄ = 242027), при частотах вращения ротора, равных 100 % и 95 % от расчетной частоты (n_расч). Снижение параметров при уменьшении числа Рейнольдса для максимального расхода составило в среднем 1.8 %. Снижение максимального коэффициента полезного действия (КПД) составило в среднем 4.5% для стандартной постановки и 3.8 % при моделировании ламинарно-турбулентного перехода. Сравнение при n = 95% экспериментальных и расчетных данных показывает, что применение уточненной модели турбулентности позволяет намного приблизиться к экспериментальным результатам по значениям максимального КПД как при максимальном, так и при минимальном Re (погрешность менее 0.5%) и по значениям степени повышения полного давления в точках максимального КПД (погрешность примерно 0.5%).

Ключевые слова

число Рейнольдса, ступень компрессора высокого давления, широкохордная ступень, численное моделирование

Библиографический список

1. Кампсти Н. Аэродинамика компрессоров. – М.: Мир, 2000. – 688 с.

2. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. – М.: Из-дательство иностранной литературы, 1974. – 713 с.

3. Федоров Р.М. Характеристики осевых компрессоров: монография. – Воронеж: Научная книга, 2015. – 220 с.

4. Нечаев Ю.Н., Федоров Р.М., Котовский В.Н., Полев А.С. Теория авиационных двигателей: Учебник для вузов ВВС: В 2 частях / Под ред. Ю.Н. Нечаева. – М.: Изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2005/2006. – 366+448 c.

5. Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. – М.: Машиностроение, 1986. – 432 с.

6. Щербаков М.А., Марчуков Е.Ю., Картовицкий Л.Л. Вихревое структурирование газового потока в компрессорной решетке // Труды МАИ. 2010. № 41. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=23816

7. Ша М., Агульник А.Б., Яковлев А.А. Влияние расчетной сетки при математическом моделировании натекания дозвукового потока на профиль перспективной лопатки с отклоняемой задней кромкой в трехмерной постановке // Вестник Московского авиационного института. 2017. Т. 24. № 4. С. 110-121.

8. Зиненков Ю.В., Луковников А.В., Черкасов А.Н. Оценка эффективности силовой установки высотного беспилотного летательного аппарата // Вестник Московского авиационного института. 2015. Т. 22. № 3. С. 91-102.

9. Mileshin V., Druzhinin I., Savin N., Kozhemyako P. Numerical and experimental studies of Reynolds number and stator clocking effect on performance of a high-loaded two-stage compressor with 3.7 total pressure ratio // Proceedings of the ASME Turbo Expo 2016 : Turbomachinery Technical Conference and Exposition (Seoul, South Korea, June 13-17, 2016). Volume 2D, 8 p. DOI: 10.1115/GT2016-56567

10. Jahanmiri M. Boundary Layer Transitional Flow in Gas Turbines. Research report 2011:01. Division of Fluid Dynamics Department of Applied Mechanics, Chalmers University of Technology, Goteborg, Sweden, 2011, http://webfiles.ita.chalmers.se/~chernora/files/MJahanmiri_TransitionalFlowInGasTurbines.pdf

11. Zhao Q., Zhou X., Tang F., Xiang X. Effect of Reynolds number on groove casing treatment in a transonic compressor // Proceedings of ISABE-2015, 14 p.

12. Mayle R.E. The role of laminar-turbulent transition in gas turbine engines // ASME 1991 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition (Orlando, Florida, USA, June 3-6, 1991). Vol. 5, 28 p. DOI: 10.1115/91-GT-261

13. ANSYS CFX-Solver Theory Guide. Release 17.2. – ANSYS Canada Ltd, 2009. – 578 p.

14. Hirsch Ch. Numerical Computation of Internal and External Flows. – John Wiley & Sons. 1990. Vol. 2 «Computational Methods for lnviscid and Viscous Flows», 715 p.

15. Батурин О.В., Колмакова Д.А., Матвеев В.Н., Попов Г.М., Шаблий Л.С. Расчетное изучение рабочего процесса в ступени компрессора, спроектированной при курсовом проектировании по курсу «Теория и расчет лопаточных машин»: Учеб. пособие. – Самара: Изд-во СГАУ, 2011. – 94 с.

16. Malan P., Suluksna K., Juntasaro E. Calibrating the γ − Re_θ Transition Model for Commercial CFD // Proceedings of 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting (Orlando, Florida), 2009, 14 p.

17. Menter F.R., Langtry R.B. Transition Modelling for Turbomachinery Flows // Low Reynolds Number Aerodynamics and Transition, 2012, pp. 31-58. DOI: 10.5772/38675 ·

18. Johnson D.A., King L.S. A mathematically simple turbulence closure model for attached and separated turbulent boundary layers // AIAA Journal. 1985. Vol. 23. No. 11, pp. 1684-1692. DOI: 10.2514/3.9152

19. Dick E., Kubacki S. Transition models for turbomachinery boundary layer flows: a review // International journal of Turbomachinery Propulsion and Power. 2017. 2017. Vol. 2(2). No. 4, 45 p. DOI: 10.3390/ijtpp2020004

20. Bader P., Pieringer P., Sanz W. On the Capabitity of the γ − Re_θ Transition Model to Predict Relaminarization // Proceedings of 12th European Conference on Turbomachinery Fluid dynamics & Thermodynamics ETC12 (April 3-7, 2017; Stockholm, Sweden), 2017, 14 p.

Скачать статью