Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers (한국추진공학회지)

The Korean Society of Propulsion Engineers (한국추진공학회)
권호 표지

Development of Gas Turbine Engine Simulation Program Based on CFD

CFD 기반 가스터빈 엔진 모사 코드 개발

  • 진상욱 (부산대학교 기계기술연구원) ;
  • 김귀순 (부산대학교 항공우주공학과) ;
  • 최정열 (부산대학교 항공우주공학과) ;
  • 안이기 (한국항공우주연구원 항공엔진팀) ;
  • 양수석 (한국항공우주연구원 추진기관팀) ;
  • 김재환 (한국항공우주연구원 추진기관팀)
  • Published : 2009.04.30
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

Gas turbine engine simulation program has been developed. In compressor and turbine, 2-D NS implicit code is used with k-$\omega$ SST turbulent model. In combustor, 0-D lumped method chemical equilibrium code is adopted under the limitations, the products are only 10 species of molecular and air-fuel is perfectly mixed state with 100% combustion efficiency at constant pressure. Fluid properties are shared on interfaces between engine components. The outlet conditions of compressor have been used as the inlet condition of combustor. The inlet condition of turbine comes from the compressor The back pressure in compressor outlet is transferred by the inlet pressure of turbine. Unsteady phenomena at rotor-stator in compressor and turbine is covered by mixing-plane method. The state of engine can be determined only by given inlet condition of compressor, outlet condition of turbine, equivalence ratio and rotating speed.

가스터빈 엔진을 모사하기 위한 프로그램을 2차원 CFD 코드를 기반으로 개발 하였다. 압축기와 터빈은 k-$\omega$ SST 난류 모델의 2차원 NS(Navier Stokes) 코드를 이용하였고, 연소기는 lumped method 화학 평형 코드를 바탕으로 완전 혼합 상태에서 연소효율 100%로 가정된 케로신 공기 반응의 생성물 중 대표적인 10종류를 몰분율을 계산, 당량비에 따른 연소기 온도를 예측하였다. 압축기, 터빈에서 로터의 회전에 의한 비정상 유동 현상은 mixing-plane 기법을 이용한 경계면 처리로 그 효과를 나타내었고, 압축기는 연소기로 온도 압력을 주고, 연소기는 터빈으로 온도와 질유량을 전달하나 압력의 변화가 없는 것으로 가정하였다. 이를 바탕으로 아음속 조건에서의 압축기 입구 조건과 터빈 출구 조건, 회전수, 연소기의 당량비를 주는 것만으로 엔진의 성능이 계산 될 수 있는 통합 코드를 구성하였다.

Keywords

References

  1. 공창덕, 구자예, 김귀순, 정홍철, 항공가스터빈 엔진, 동명사, 1999
  2. Hunecke, K., Jet Engines: Fundamentals of Theory, Design and Operation, Zenith Press, 1997
  3. 장만춘, Abdus S., 김광용, ' 단단 천음속 축류압축기 동익의 Stacking Line 설계 최적화,' 유체기계저널 제9권 제3호, 2006, pp.7-13 https://doi.org/10.5293/KFMA.2006.9.3.007
  4. Madsen, J. I., Shyy, W., Haftka, R. T., 'Response Surface Techniques of Diffuser Shape Optimization,' AIAA journal, Vol. 38, 2000, pp.1512-1518 https://doi.org/10.2514/2.1160
  5. Sevant, N. E., Bloor, M. I., Wilson, M. J., 'Aerodynamic Design of a Flying Wing Using Response Surface Methodology,' Aircraft, Vol. 37, No. 4, 2000, pp.562-569 https://doi.org/10.2514/2.2665
  6. Hah, C., Rabe, D. C., Wadia, A. R., 'Role of Tip Leakage Vortices and Passage Shock in Stall Inception in a Sweep Transonic Compressor Rotor,' ASME GT2004-53867
  7. Claus, R. W., Evans, A. L., Lylte, J. K., and Nichols, L. D., 'Numerical Propulsion System Simulation,' Computing Systems in Engineering, Vol. 2, No. 4, 1991, pp.357-364 https://doi.org/10.1016/0956-0521(91)90003-N
  8. Evans, A. L., Follen, G., Naiman, C., Lopez, I., 'Numerical Propulsion System Simulation's National Cycle Program,' AIAA 98-3113, 1998
  9. Lytle, J. K., Follen, G., Naiman, C., Evans, A. L., 'Numerical Propulsion System Simulation (NPSS) 1999 Industry Review,' NASA TM-209795, August 2000
  10. Naiman, C. G., 'Numerical Propulsion System Simulation Architecture,' AIAA/ASME/SAE/ASEE 40th Joint Propulsion Conference and Exhibit, June 2004
  11. Momsi, P., 'VIVACE: Overview', VIVACE Forum 1, September 2005
  12. VIVACE Project, http://www.vivaceproject. com/
  13. 진상욱, 김귀순, 최정열, 안이기, 양수석, '엔진 통합 설계/해석 시스템의 구성과 개발동향', 한국추진공학회 제11권 제4호, 2007, pp.26-37
  14. Anderson, J. D., Computational fluid dynamics : the basic with applications, McGraw-Hill, Inc., 1995
  15. Menter, F. R., 'Two-Equation Eddy- Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications,' AIAA Journal, Vol. 32, No. 8, August 1994
  16. Kiock, R., Lehthaus, F., Baines, N. C., Sieverding, C. H. 'The Transonic flow Through a Plane Turbine Cascade as Measured in Four European Wind Tunnels,' Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 108, April 1986 https://doi.org/10.1115/1.3239900
  17. Dorney, D. J., Sharma, O. P., 'Evaluation of flow field approximations for transonic compressor stages,' ASME Journal of Turbomachinery, Vol. 119, 1997, pp. 445-451 https://doi.org/10.1115/1.2841143
  18. Dawes, W. N., 'Toward improved thoughflow capacity: The use of 3D viscous flow solvers in a multistage environment,' ASME Journal of Turbomachinery, Vol. 114, 1992, pp.8-17 https://doi.org/10.1115/1.2928002
  19. Adamcyzk, J. J., 'Model Equation for Simulating Flows in Multistage Turbomachinery,' ASME Paper 85-GT-226
  20. 남상식, 박일영, 이성룡, 주병수, 황영수, 인배석, '터보 압축기 임펠러-디퓨저 유동장에 대한 정상상태 해석,' 유체기계공업학회 2005 유체기계 연구개발 발표회 논문집, 2005년 12월, pp.405-412
  21. Yoo, J. Y., 'Recent Progress in Numerical Simulation of Turbomachinary Rotor-Stator Interaction,' Proc. of 4th KSME-JSME Fluids Eng. Conf., October 1998, pp. 741-744
  22. 노준구, 정은환, 이은석, 김진한, '프로즌 로터 기법을 이용한 부분흡입형 터빈 수치해석,' 유체기계저널, 제7권 6호, 2004, pp. 15-20 https://doi.org/10.5293/KFMA.2004.7.6.015
  23. Zaki, M., Iyengar, V., Sankar, L. N., 'Assessment of Rotor-Stator Interface Boundary Condition Techniques for Modeling Axial Flow Turbines.' AIAA 2006-4619, 2nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit
  24. Chima, R. V., 'Calculation of Multistage Turbomachinery Using Steady Characteristic Boundary Conditions,' AIAA 98-0968, 36th Aerospace Science Meeting & Exhibit
  25. Hall, E. J., 'Aerodynamic modelling of multistage compressor flow fields Part 1: analysis of rotor-stator-rotor aerodynamic interaction,' Proceeding of Instructions for Mechanic Engineers, Vol. 212, 1998 https://doi.org/10.1243/0954410981532153
  26. Lewis, R. I., Turbomachinery Performance Analysis, John Wiley & Sons Inc., 1996
  27. Dring, R. P., Joslyn, H. D., Hardin, L. W., Wagner, J. H., 'Turbine Rotor-Stator Interaction,' Journal of Engineering for Power, Vol. 104, October 1982, pp.729-742 https://doi.org/10.1115/1.3227339
  28. Gordon, S., McBride, B. J., 'Computer Program for Calculation of complex chemical Equilibrium compositions and Applications, I. Analysis,' NASA Reference Publication 1311, October 1994