Comparison of Transient Blade Row Methods for the CFD Analysis of a High-Pressure Turbine

Abstract

Usually, in a turbine an uneven number of blades are selected for vane and blade rows to reduce the level of interaction forces. To consider all unsteady flow phenomena within a turbine the computation of the full annulus is required causing considerable computational cost. Transient blade row methods using few passages reduce the numerical effort significantly. Nevertheless, those approaches provide accurate results. This contribution presents three different unsteady approaches to compare the accuracy and the computational effort, using a full annulus unsteady CFD simulation as a reference. The first approach modifies the blade-to-blade ratio whereas the second method scales the circumferential flow pattern to reach spatial and temporal periodicity. Third approach is based on time-inclining method to overcome unequal blade pitches with less numerical effort. All unsteady CFD simulations are carried out for the transonic test turbine VKI BRITE EURAM using the commercial CFD solver ANSYS CFX 14.5. The resulting unsteady pressure disturbances and blade forces of the different transient blade row methods are compared to each other as well as to experimental data. Finally, the accuracy and the computational costs are discussed in more detail.

A Comparative Study of Transient Blade Row and Blade Count Scaling Approaches for Numerical Forced Response Analysis in a Transonic Turbine

“…A direct periodicity is enforced at circumferential periodic points and at the rotor stator interfaces. Hence, this approach might not accurately capture variations of the flow variables at the blade passing frequency and its harmonics [see Witteck et al (2014)].…”

Multidisciplinary Design Optimization of Cooling Turbine Blade: An Integrated Approach with R/ICSM

“…The ANSYS (2020 R1) CFX software, renowned for its high accuracy in solving turbine aerodynamic problems and demonstrating robust convergence stability, was employed in this study for high-fidelity CFD simulation [22]. It resolved the steady-state compressible Reynolds Average Navier-Stokes (RANS) equation via the finite volume method, utilizing the Shear Stress Transport (SST) turbulence model to simulate the viscous term.…”

Mathematical Modeling and Study of the Influent Aerodynamic Loads on the Strength Characteristics of Turbine Blades

“…В качестве исследуемого объекта выбрано модельное академическое рабочее колесо турбомашины. Тестовым условием, рассматриваемым для этого численного исследования, является аэродинамический профиль турбины с экспериментальными данными, полученными в работе [4]. Эта конфигурация ротора и статора, разработанная для исследования нестационарных аэродинамиче-ских характеристик и характеристик теплопередачи в ступени турбины.…”

“…Возбуждение лопаток обусловлено многими причинами, в числе главных взаимодействие между направляющими лопатками и рабочим колесом [3]. В настоящее время вычислительная гидродинамика (CFD) является самым распространенным методом для проведения анализа нестационарного потока турбины и исследования количественной оценки вибрационных откликов на основе прогнозирования аэродинамических сил возбуждения, действующих на рабочие колеса [4]. Однако учет всех явлений нестационарного течения в турбине требует вычисление для всей ступени, а это значительные вычислительные затраты.…”

“…Однако учет всех явлений нестационарного течения в турбине требует вычисление для всей ступени, а это значительные вычислительные затраты. Чтобы сократить численное время используются подходы пространственно -временных преобразований "Transient blade row" [5][6][7][8][9][10]. Данные подходы позволяют при моделировании одного -двух межлопаточных каналов каждого венца получить нестационарное решение для всей турбомашины, что позволяет значительно уменьшить затраты вычислительных ресурсов [11][12][13][14].…”