New correlations for high-pressure gas turbine housing and shroud segments

Savaria, Christian (2016). New correlations for high-pressure gas turbine housing and shroud segments. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Gas turbine engine design is a multidisciplinary and iterative process. Many design iterations are necessary to address the challenges among the disciplines. In the creation of a new engine architecture, the design time is crucial in capturing new business opportunities. At the detail design phase, it was proven very difficult to correct an unsatisfactory design. To overcome this difficulty, the concept of Multi-Disciplinary Optimization (MDO) at the preliminary design phase (Preliminary MDO or PMDO) is used allowing more freedom to perform changes in the design. PMDO also reduces the design time at the preliminary design phase. The concept of PMDO was used was used to create parametric models, and new corrélations for high pressure gas turbine housing and shroud segments towards a new design process. First, dedicated parametric models were created because of their reusability and versatility. Their ease of use compared to non-parameterized models allows more design iterations thus reduces set up and design time. Second, geometry correlations were created to minimize the number of parameters used in turbine housing and shroud segment design. Since the turbine housing and the shroud segment geometries are required in tip clearance analyses, care was taken as to not oversimplify the parametric formulation. In addition, a user interface was developed to interact with the parametric models and improve the design time. Third, the cooling flow predictions require many engine parameters (i.e. geometric and performance parameters and air properties) and a reference shroud segments. A second correlation study was conducted to minimize the number of engine parameters required in the cooling flow predictions and to facilitate the selection of a reference shroud segment. Finally, the parametric models, the geometry correlations, and the user interface resulted in a time saving of 50% and an increase in accuracy of 56% in the new design system compared to the existing design system. Also, regarding the cooling flow correlations, the number of engine parameters was reduced by a factor of 6 to create a simplified prediction model and hence a faster shroud segment selection process.

Titre traduit

Nouvelles correlations pour les carters de turbine et les segments de carénage haute pression des turbines à gaz

Résumé traduit

La conception d’une turbine à gaz est un procédé multidisciplinaire et itératif. Plusieurs itérations sont requises avant de trouver un compromis entre les différentes disciplines. Lorsqu’une nouvelle architecture de moteur est développée, le temps de conception a un impact dans l’obtention de nouvelles opportunités d’affaires. À la phase de conception détaillée, il est très difficile de corriger une architecture de moteur non satisfaisante. Afin de surmonter cette difficulté, le concept d’Optimisation Multidisciplinaire (MDO) est appliqué à la phase de conception préliminaire (PMDO ou MDO préliminaire) où il est plus facile d’effectuer des modifications dans l’architecture du moteur. Le concept PMDO a été appliqué dans la création de modèles paramétriques et de nouvelles corrélations pour les carters de turbine et les segments de carénage haute pression des turbines à gaz en en vue de créer un nouveau procédé de design. Premièrement, des modèles paramétriques dédiés ont été créés pour leur faculté d’adaptation. La facilité avec laquelle ces modèles peuvent être modifiés par rapport à des modèles non-paramétriques a permis d’augmenter le nombre d’itérations donc de réduire le temps de design en phase de conception préliminaire. Deuxièmement, les corrélations des paramètres géométriques ont été créées afin de réduire le nombre de paramètres requis dans la conception des carters de turbine et des segments de carénage. Étant donné que la géométrie des carters de turbines et des segments de carénage a un impact dans le réglage du jeu des extrémités d’aubes de turbine; il a été vérifié que les corrélations des paramètres géométriques n’affectent pas le réglage du jeu. Ensuite, une interface utilisateur a été développée afin d’interagir avec les modèles paramétriques et réduire le temps de conception. Troisièmement, l’estimation du flux de refroidissement requiert plusieurs paramètres de la turbine (c.-à-d. géométrie, performance et propriétés de l’air) ainsi qu’un segment de carénage de référence. Des corrélations ont été créées dans le but de réduire le nombre de paramètres de la turbine ainsi que de faciliter la sélection d’un segment de carénage de référence, nécessaires à l’estimation du flux de refroidissement. Enfin, les modèles paramétriques, les corrélations des paramètres géométriques et l’interface utilisateur ont permis de sauver 50% en temps de conception et d’augmenter la précision de 56% dans le nouveau procédé de conception par rapport au procédé existant. D’autre part, les corrélations du flux de refroidissement ont permis de réduire le nombre de paramètres d’un facteur de 6 afin de créer un modèle de prédiction simplifié, conséquemment, un procédé de sélection des segments de carénage plus rapide.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for a master's degree with thesis in aerospace engineering" Bibliographie : pages 103-104.
Mots-clés libres:	Turbines à gaz Conception assistée par ordinateur. Optimisation multidisciplinaire (Conception technique)Analyse géométrique. Corrélation (Statistique) Carenage, carter, modèle, paramétrique, préliminaire, carters de turbine, segments de carénage, procédé de conception
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Moustapha, Hany
Codirecteur:	Codirecteur Garnier, François
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	06 sept. 2017 20:01
Dernière modification:	23 nov. 2017 20:32
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1617

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