Обоснование метода гармонического баланса для моделирования нестационарных процессов в охлаждаемой ступени турбины ГТД


Авторы

Попова Д. К.*, Кортиков Н. Н.

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, 195251, Россия

*e-mail: daria_well96@mail.ru

Аннотация

Метод гармонического баланса (HB) представляет собой перспективный подход к численному решению нестационарных задач в турбомашиностроении. Он позволяет значительно сократить объем вычислений за счет приближенного, но устойчивого моделирования периодических нестационарных процессов. В данной работе основной акцент сделан на применении метода HB, реализованного в программном пакете STAR-CCM+, для анализа течения газа в ступенях турбины.
Нестационарный характер потока газа в турбомашинах обусловлен рядом факторов, таких как дозвуковое потенциальное взаимодействие, взаимодействие ударных волн и следа, а также температурная неравномерность на выходе камеры сгорания. Несмотря на широкое распространение метода гармонического баланса в моделировании таких процессов, обзор литературы показал, что эффективность его применения в условиях охлаждаемых ступеней турбин при реальных режимах эксплуатации остается недостаточно обоснованной. Настоящее исследование направлено на восполнение данного пробела.

Ключевые слова:

ротор-статор взаимодействие, камера сгорания, температурная сепарация, турбинная ступень, метод гармонического баланса

Список источников

  1. Августинович В.Г., Шмотин Ю.Н. и др. Численное моделирование нестационарных явлений в газотурбинных двигателях. М.: Машиностроение, 2005. 536 с.
  2. Сипатов А.М. Решение многодисциплинарных задач газовой динамики при проектировании авиационных двигателей. Екатеринбург: РАН, УрО, 2010. 317с.
  3. He L. Fourier methods for turbomachinery applications // Progress in Aerospace Sciences. 2010. Vol. 46. № 8. pp. 329–341. DOI: 10.1016/j.paerosci.2010.04.001
  4. Григорьев А.В., Якунин А.И., Кузнецов Н.Б. и др. Расчет нестационарного ротор-статор взаимодействия в турбинной ступени методом гармонического баланса // Научно-технические ведомости. СПбГПУ. 2013. № 1 (166). С. 183–191.
  5. Hall K.C., Thomas J.P., Clark W.S. Computation of Unsteady Nonlinear Flow sin Cascades Using a Harmonic Balance Technique // AIAA JOURNAL. 2002. Vol. 40. № 5.  pp. 876–886.
  6. Vilmin S., Lorrain E., Hirsch C. The nonlinear harmonic method for rotor-stator interactions applied to thermally perfect gas // 8th International symposium on experimental and computational aerothermodynamics of internal flows. ISAIF8-0066.  (Lyon, 2007). 7 p. 
  7. Hall K.C., Thomas J.P., Ekici K. et al. Frequency Domain Techniques for Complex and Nonlinear Flows in Turbomachinery // American Institute of Aeronautics and Astronautics Paper. 2003. 12 p.
  8. Junge L., Frey C., Ashcroft G. et al. Simulation of indexing and clocking with a new multidimensional time harmonic balance approach // Int. J. Turbomach. Propuls. Power. 2024. Vol. 9. 20 p.
  9. Frey C., Ashcroft G., Kersken H-P. et al. Simulation of indexing and clocking with harmonic balance // Int. J. Tur-bomach. Propuls. Power. 2017. Vol. 3. № 1. 12 p. 
  10. User Guide STAR-CCM+ 2000.3.  CD-adapco.  2020. 10998 p.
  11. Gomar A., Bouvy Q., Sicot F. et al. Convergence of Fourier - based time methods for turbomachinery wake pas-sing // Journal of computational physics. 2014. № 278. pp. 229–256.
  12. Tucker P.G. Trends in turbomachinery turbulence treatments // Progress in Aerospace Sciences. 2013. Vol. 63. pp. 1–32. DOI: 10.1016/j.paerosci.2013.06.001
  13. Marpu R.P., Custer C.H., Subramanian V. et al. Comparison of numerical methods for the prediction of time ave-raged flow quantitiesin cooled multistage turbine // ASME Turbo Expo 2015: Turbine Technical Conference and Exposition GT 2015. (2015, Montreal, Canada) 11 p.
  14. Попова Д.К., Кортиков Н.Н.  Моделирование нестационарных процессов в охлаждаемой ступени турбины на основе метода гармонического баланса. XXV ШКОЛА-СЕМИНАР молодых ученых и специалистов академика А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломасообмена». Сборник материалов. (г. Рыбинск. 9–13 июня 2025 г.) с. 246–247.
  15. Церетели А.А., Ельшин А.А. Определение температуры рабочего тела в турбине с помощью монокристаллического измерителя максимальной температуры // Авиационные двигатели. 2019. Т. 2. № 3. С. 31–38.
  16. Чернова Т.А. Влияние нестационарных явлений на температурные напряжения и ресурс охлаждаемых лопаток турбин ГТД: Дисс. … канд. техн. наук. Пермь, 2006. 160 с.
  17. Попова Д.К., Кортиков Н.Н.  Моделирование нестационарного теплообмена и температурной сепарации на рабочих лопатках газовой турбины при изменении положения форсунок камеры сгорания // Журнал технической физики. 2024. Т. 94. № 10. С. 1639–1645.
  18. Пятунин К.Р., Лугинина Н.С., Диденко Р.А. Тестирование и адаптация новых подходов к моделированию течения в нестационарной постановке для задач аэродинамики // Труды МАИ. 2013. № 65. 21 с.
  19. Болдырев Ю.Я., Рубцов А.О., Кожухов Ю.В.  и др.  Моделирование нестационарных процессов в турбомашинах на основе нелинейно-гармонического NLH метода с использованием суперкомпьютеров. Суперкомпьютерные дни в России 2015 // Russian Supercomputing Days 2015.  С. 273–279.
  20. Асланов А.Р., Краев В.М., Молчанов А.М. Модель расчета переходных процессов в криогенных топливных магистралях современных авиационных двигателей. Тепловые процессы в технике.  2023. Т. 15. № 4 С. 185–192.
  21. Иванов И.Э., Крюков И.А., Ларина Е.В. Влияние времени релаксации турбулентной вязкости на моделирование течений в соплах и струях // Изв. РАН. МЖГ. 2014. № 5. С. 149–159.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2025