NUMERICAL SIMULATION OF GAS-DYNAMIC AND STRENGTH CHARACTERISTICS OF A FAN FOR THE EXPERIMENTAL TEST RIG FOR INVESTIGATION OF ICE BREAKDOWN ON ROTATING WORKING BLADES

Abstract


The paper is devoted to modern experimental and computational studies analysis on the point of asymmetric destruction of ice on the surfaces of the working blades of gas-turbine engine blades. A schematic diagram of an experimental setup has been developed, which consists of the following main elements: a wind tunnel, a cold chamber, a model fan, an electric motor, and a high-speed video camera. The experimental setup makes it possible to carry out laboratory studies of the ice formation and destruction processes. The choice of the experimental test rig parameters was made to allow assessing the icing of the blades of a rotating fan, which reproduces the processes occurring on gas turbine engines. Based on the results of three-dimensional gas-dynamic and strength calculations, the design and basic geometrical parameters of the flow path and the dummy fan were determined. The dependences of compression ratio Pk and the power consumption of a model fan Wcons on the value of the mass air flow Gair for a different number of rotor blades are presented. The choice of materials for the disk hub and blades of a dummy fan which experience tensile and bending loads at high rotation speeds up to 12.000 rpm was made, that satisfies the conditions of static and dynamic strength, also the allowable safety factors were evaluated, and pressure characteristics were obtained.

Full Text

При создании новых и эксплуатации существующих газотурбинных двигателей наземного применения возникают проблемы, связанные ростом амплитуды вибраций ротора вследствие обледенения лопаток вентилятора [1; 2]. Кроме того обледенение двигателя приводит к изменению характеристик его узлов, параметров рабочего процесса и, как правило, к снижению мощности. В основном это связано с изменением геометрии проточной части и размеров проходных сечений по тракту. В случае, когда противообледенительные системы, принцип работы которых основан на нагреве элементов двигателя (кока, лопаток вентилятора, направляющих аппаратов первой ступени), не позволяют решить проблему, в качестве основного средства борьбы с этим явлением применяется кратковременное повышение частоты вращения ротора низкого давления nв[3]. Однако такая «перегазовка» не устраняет причины возникновения льда, и, принося лишь временный результат, по истечении некоторого времени должна быть использована повторно, что негативно сказывается на общей топливной эффективности двигателя [4]. Анализ причин роста вибраций при работе вентилятора авиационного двигателя показал, что в процессе обледенения происходит нарастание на лопатках ледяных наростов с последующим его разрушением под воздействием инерционных сил. Ввиду того, что процесс разрушения наледи зависит от множества факторов, таких как соотношение сил адгезии ледяного покрова лопатки к силам инерции, действующим на присоединенную массу льда, характер настационарного газодинамического ротор-статор-взаимодей¬ствия, отделение ледяных наростов на лопатках происходит несимметрично. Авторами выдвинута гипотеза, что на процесс разрушения льда влияет жесткость лопаток. Несимметричное отделение льда, в свою очередь, может привести к дисбалансу, росту амплитуд вибронапряжений и усталостным поломкам деталей ротора. Асимметричное разрушение льда на вращающихся рабочих лопатках вентиляторов является малоизученным физическим процессом. Ведущие мировые и российские центры, такие как Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова, Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского и NASA, активно занимаются экспериментальными и теоретическими исследованиями в этой области [5–12]. Коллектив авторов также занимается вопросами обледенения как численно, так и экспериментально [13; 14]. Современные нормативные требования предусматривают различные условия обледенения авиационной техники. При этом особую опасность представляют такие распространенные виды обледенения, как «классическое» обледенение в условиях жидких переохлажденных капель размерами до 20 мкм, обледенение в условиях ледяных кристаллов и в смеси фаз, а также обледенение в условиях крупных переохлажденных капель размерами до 2 мм [15]. В настоящей статье представлены результаты разработки экспериментальной установки для оценки процессов «классического» обледенения и разрушения льда на вращающихся вентиляторах.

About the authors

S. L. Kalyulin

Perm National Research Politechnic University

N. A. Kalyulin

Perm National Research Politechnic University

V. Y. Modorskii

Perm National Research Politechnic University

N. V. Vladimirov

Perm National Research Politechnic University

References

  1. Методические вопросы проведения испытаний авиа- ционных двигателей в условиях обледенения и оценка изме- нения характеристик ТРДД / Ф.Ш. Гельмедов, А.В. Горячев [и др.] // Авиационно-космическая техника и технология. – 2008. – Т. 54, № 7. – С. 133–138.
  2. Данилкин С.Ю., Телешев В.А. К вопросу об исследова- нии вибрационного состояния газотурбинного двигателя в условиях обледенения // Вестник Самарского государственно- го аэрокосмического университета им. Академика С.П. Коро- лева (национального исследовательского университета). – 2014. – Т. 47, № 5. – C. 55–59.
  3. Гуревич О.С., Сметанин С.А., Трифонов М.Е. Оценка ухудшения характеристик ГТД при кристаллическом обледе- нении и возможностей его компенсации методами управления // Авиационные двигатели. – 2019. – Т. 4, № 3. – С. 17–24.
  4. Гуревич О.С., Сметанин С.А., Трифонов М.Е. Особен- ности автоматического управления режимом работы ГТД при кристаллическом обледенении // Системы автоматического управления авиационными силовыми установками: сборник научных трудов / под ред. О.С. Гуревича. Москва. – 2020. – С. 35–40.
  5. Mason J.G., Chow P., Fuleki D.M. Understanding ice crystal accretion and shedding phenomenon in jet engines using a rig test // Journal of engineering for gas turbines and power. – 2011. – Vol. 133, no. 4. – P. 8.
  6. Mason J.G., Grzych M. The challenges identifying weather associated with jet engine ice crystal icing // SAE Technical Paper. – 2011. – No. 2011-38-0094. – 12 p.
  7. Veres J., Jorgenson P., Wright W. A model to assess the risk of ice accretion due to ice crystal ingestion in a turbofan engine and its effects on performance // 4th AIAA atmospheric and space environments conference. – 2012. – P. 3038.
  8. Основы расчета, конструирования и испытаний проти- вообледенительных систем авиационных газотурбинных дви- гателей / А.Н. Антонов, Н.К. Аксенов, А.В. Горячев, С.В. Чи- ванов. – М.: ЦИАМ, 2001. – 268 с.
  9. Каджардузов П.А., Эзрохи Ю.А. Влияние обледенения на характеристики двухконтурных ГТД в условиях ледяных кристаллов // Авиационные двигатели. – 2019. – № 1. – С. 75–81.
  10. Veres J.P., Jorgenson P.C.E. Modeling commercial turbofan engine icing risk with ice crystal ingestion // NASA Technical Memorandum. – 2013. – Report Number NASA/TM-2013- 218097. – 22 p.
  11. Goodwin R.V., Dischinger D.G. Turbofan ice crystal rollback investigation and preparations leading to inaugural ice crystal engine test at NASA PSL-3 test facility // 6th AIAA Atmospheric and Space Environments Conference. – 2014. – P. 2895.
  12. Oliver M.J. Validation Ice Crystal Icing Engine Test in the Propulsion Systems Laboratory at NASA Glenn Research Center // 6th AIAA Atmospheric and Space Environments Conference. – 2014. – P. 2898.
  13. Numerical simulation of aircraft thermal anti-icing system based on a tight-coupling method / X. Bu [et al.] // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2020. – Vol. 148. – Art. 119061.
  14. An implicit time marching Galerkin method for the simulation of icing phenomena with a triple layer model / R. Chauvin [et al.] // Finite Elements in Analysis and Design. – 2018. – Vol. 150. – P. 20–33.
  15. Bayeux C., Radenac E., Villedieu P. Theory and Validation of a 2D Finite-Volume Integral Boundary-Layer Method for Icing Applications // AIAA Journal. – 2019. – Vol. 57, no. 3. – P. 1092–1112.
  16. Modeling in-flight ice accretion under uncertain conditions / G. Gori [et al.] // Journal of Aircraft. – 2022. – Vol. 59, no. 3. – P. 799–813.
  17. Han Y., Palacios J. Surface roughness and heat transfer improved predictions for aircraft ice-accretion modeling // AIAA journal. – 2017. – Vol. 55, no. 4. – P. 1318–1331.
  18. Алексеенко С.В., Приходько А.А. Численное модели- рование обледенения цилиндра и профиля. Обзор моделей и результаты расчетов // Ученые записки ЦАГИ. – 2013. – Т. 44, № 6. – С. 25–57.
  19. Modelling of icing of flying vehicles in climatic wind tunnels / G.P. Klemenkov [et al.] // Thermophysics and Aeromechanics. – 2008. – Vol. 15, no. 4. – P. 527–536.
  20. Effect of high-fidelity ice-accretion simulations on fullscale airfoil performance / A.P. Broeren [et al.] // Journal of Aircraft. – 2010. – Vol. 47, no. 1. – P. 240–254.
  21. Wang Y., Xu Y., Lei Y. An effect assessment and prediction method of ultra-sonic de-icing for composite wind turbine blades // Renewable Energy. – 2018. – Vol. 118. – P. 1015–1023.
  22. Актуальные вопросы создания современных систем контроля обледенения самолета / В.П. Зинченко [и др.] // Адаптивні системи автоматичного управління. – 2011. – Т. 18, № 38. – С. 129–139.
  23. Mingione G., Brandi V. Ice accretion prediction on multielement airfoils // Journal of Aircraft. – 1998. – Vol. 35, no. 2. – P. 240–246.
  24. Кошелев К.Б., Мельникова В.Г., Стрижак С.В. Разра- ботка решателя iceFoam для моделирования процесса обледе- нения // Труды Института системного программирования РАН. – 2020. – Т. 32, № 4. – С. 217–234.
  25. Индруленайте Я.А. Опыт применения программного комплекса FENSAP-ICE для моделирования обледенения крыла самолета // 14-я Международная конференция «Авиа- ция и космонавтика-2015». Тезисы. – 2015. – С. 411–413.
  26. Kalyulin S.L., Modorskii V.Ya., Cherepanov I.E. Numerical modeling of the influence of the gas-hydrodynamic flow parameters on streamined surface icing // AIP Conference Proceedings. – 2018. – Vol. 2027, no. 1. – Art. 030180.
  27. Computational and experimental modeling of icing processes by means of PNRPU high-performance computational complex / S.L. Kalyulin [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. – Vol. 1096, no. 1. – Art. 012081.
  28. Kalyulin S.L., Modorskii V.Ya., Maksimov D.S. Physical modeling of the influence of the gas-hydrodynamic flow parameters on the streamlined surface icing with vibrations // AIP Conference Proceedings. – 2018. – Vol. 2027, no. 1. – Art. 040090.
  29. Optimizing numerical design of a multi-mode aero-cooled climatic wind tunnel nozzle on a PNRPU high-performance computational complex / S.L. Kalyulin [et al.] // Communications in Computer and Information Science. – 2020. – Vol. 2163. – P. 305–320.
  30. Optimization of drop characteristics in a carrier cooled gas stream using ANSYS and Globalizer software systems on the PNRPU high-performance cluster / S.L. Kalyulin [et al.] // Communications in Computer and Information Science. – 2017. – Vol. 753. – P. 331–345.
  31. Караджузов П.А., Эзрохи Ю.А., Влияние обледенения на характеристики двухконтурных ГТД в условиях ледяных кри- сталлов // Авиационные двигатели. – 2019. – Т. 2, № 1. – С. 75–81.

Statistics

Views

Abstract - 126

PDF (Russian) - 125

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2023 Kalyulin S.L., Kalyulin N.A., Modorskii V.Y., Vladimirov N.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies