تحليل عددي فلاتر پره‌هاي توربين كم‌فشار

Numerical analysis of blade flutter in low-pressure turbine

در اين مقاله پديده‌ي فلاتر در توربوماشين معرفي مي‌شود. دلايل اهميت بررسي و ويژگي‌هاي آن به عنوان يك ناپايداري ديناميكي آيروالاستيك ارائه مي‌گردد. روش‌هاي متداول آزمون فلاتر پره‌هاي توربوماشين و رهيافت‌هاي مختلف تحليل آن شرح داده مي‌شود. سپس از رهيافتي براي تحليل فلاتر استفاده مي‌شود كه تنها اثر پايداركنندگي سيال را در برابر ارتعاش پره‌ها بررسي مي‌كند. معادلات استفاده شده در اين رهيافت و معيار پايداري از ديدگاه رياضي ارائه مي‌شود كه از آن دو مفهوم پايداري محلي و پايداري كلي به‌دست مي‌آيد. مشخصات تجهيزات آزمون، شرايط مرزي و كميت‌هاي اندازه‌گيري شده كه با نرم‌افزار مدل‌سازي و حل عددي، شبيه‌سازي و محاسبه شده‌اند، ارائه مي‌گردد. حل عددي با نرم‌افزار CFX ANSYS انجام شده است. استقلال نتايج از مش‌بندي و تاثير دو مدل‌ توربولانسي نيز مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج حل عددي با حل عددي ديگر و نيز آزمون مقايسه شده است كه تطابق خوبي با نتايج آزمون دارد. حل عددي براي دو حالت پايا و ناپايا انجام شده است كه در حالت ناپايا پاسخ سيال به ارتعاش پره در سه مود ارتعاشي خمش محوري، خمش محيطي و پيچش به‌دست آمده است. براي محاسبه‌ي پاسخ كل، از دو روش استفاده و نتايج اين دو روش با هم مقايسه شده اند. در انتها ناپايداري محلي محاسبه و نتايج آن به صورت نمودارهايي ارائه شده است كه سهم پره‌هاي مجاور را در ناپايداري يك پره‌ي مشخص نشان مي‌دهد. همچنين ناپايداري كلي نيز براي سه مود ارتعاشي بررسي شده است.

In this paper the flutter phenomenon in turbomachinary is introduced. The importance and characteristics of the flutter as a dynamic aeroelastic instability is presented. Conventional methods for the blade flutter test and different approaches in flutter analysis of blade are described. Among the existing analysis methods, one approach which only examines the stabilizing effect of fluid is used in order to analyze the flutter in this paper. Firstly, its equations are described and a criterion for the determination of the stability based on the analysis results is presented. According to the criterion the local and global stability can be concluded. Numerical analysis has been performed by ANSYS CFX. Mesh independence and two different turbulence models have been examined and results have been validated by test results. Numerical analysis has been carried out for two steady and unsteady states. In unsteady state the response of fluid to blade vibration in three modes has been calculated. In order to assess the total response two methods have been used and the results have been compared. Eventually local instability has been calculated and the results presented in figures which illustrate the contribution of adjacent blades in instability of specific blade. The evaluation of global instability for three modes has been presented and the obtained results are in excellent agreement with experiment.