Automation of a turbine tip clearance preliminary calculation process

Moret, Maxime (2018). Automation of a turbine tip clearance preliminary calculation process. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

An aeronautical gas turbine engine design is a multidisciplinary iterative process requiring an efficient interaction between each discipline tool and process in order to find the best compromise satisfying all the conflicting domains involved. The gas turbine engine design traditionally has two main stages: the pre-detailed design and the detailed design phases. During the first phase of the design, time is the main concern and the fidelity of the results may be impacted. This may compromise the engineers’ ability to thoroughly explore the envelope of potential designs and thus lead to the selection of a sub-optimal system concept. Considering the time-consuming analysis and resources-intensive tools used during the detailed design phase, it is extremely difficult to correct an unsatisfactory concept at that stage of an engine’s design. The use of Multidisciplinary Design Optimization techniques at a preliminary design phase (Preliminary MDO or PMDO) allows correcting this by investing more effort at the pre-detailed phase in order to prevent the selection of an unsatisfactory concept early in the design process. PMDO system implementation requires bringing as much knowledge as possible in the early phases of the design where the freedom to make modification is at a maximum. This imposes the use of higher fidelity tools that communicate effectively with each other. Considering the impact of the turbine tip clearance on an engine’s efficiency, an accurate tool to predict the tip gap is a mandatory step towards the implementation of a full PMDO system for the turbine design. Moreover, tip clearance calculation is a good candidate for PMDO technique implementation considering that it implicates various analyses conducted on both the rotor and stator. This thesis presents the results obtained by developing an automated process to execute thermal and stress analyses on a turbine rotor and housing, and leading to the computation of the turbine stage’s closure during a given mission along with its cold build clearance. For the analyses automation of the rotor and housing, the proposed conceptual system integrates a thermal boundary conditions automated calculator and interacts with a simplified air system generator and with several design tools based on parameterized CAD models. Compared to a regular preliminary tip clearance calculation process, the proposed conceptual system offers a considerable increase in the accuracy of the results as they revealed to be close to the one generated by the detailed design tools used as target. Moreover, this design process revealed to be faster than a common preliminary design phase while leading to a reduction of time spent at the detailed design phase. The system being automated and faster than the one of a regular pre-detailed design phase, it was possible to run iteration loops in order to determine the worst mission in terms of tip clearance closure. The proposed system also allowed running a targeted sensitivity analysis of the tip clearance leading to the identification of parameters that should be focused on when optimizing a turbine’s tip clearance. Finally, by requiring fewer user inputs this system decreases the risk of human errors while entirely leaving the important decisions to the designer.

Titre traduit

Automatisation du processus de calcul du jeu en bout d'aube dans une turbine

Résumé traduit

La conception d’un turboréacteur est un processus itératif et multidisciplinaire qui requiert une interaction efficace entre les outils et processus des différentes disciplines impliquées afin d’obtenir le meilleur compromis possible. La conception de ces moteurs d’aéronefs comprend deux étapes principales: les phases de conception préliminaire et détaillée. Pendant la première phase, le temps est la principale contrainte ce qui peut impacter la précision des résultats. Cela peut compromettre la capacité de l’ingénieur à explorer complètement tous les designs potentiels et cela pourrait donc mener à la sélection d’un assemblage non-optimal. Étant donné le temps requis pour effectuer les analyses durant la phase de conception détaillée, il y est très difficile de corriger un concept insatisfaisant. L’utilisation de techniques d’optimisation multidisciplinaire (MDO en anglais) durant la phase de conception préliminaire (PMDO) permet de résoudre ce problème en investissant plus d’efforts tôt dans le processus de conception afin de prévenir la sélection d’un concept insatisfaisant. L’implémentation d’un système de PMDO requiert de produire autant de données que possible au début de la conception puisque c’est durant cette phase que la liberté de modifier le design est maximale. Cela impose d’utiliser des outils de plus haute fidélité qui communiquent efficacement entre eux. Étant donné l’impact du jeu à l’extrémité des aubes de la turbine sur l’efficacité d’un turboréacteur, avoir un outil permettant de prédire efficacement celui-ci est une étape nécessaire dans l’implémentation d’un système de PMDO pour la turbine. De plus, la prédiction de ce jeu est un bon candidat pour l’implémentation de pratiques de PMDO à plus petite échelle étant donné que celle-ci requiert différentes sortes d’analyses menées à la fois sur le rotor et le stator. Cette thèse présente les résultats obtenus grâce au développement d’un processus automatisé exécutant des analyses de température et de contraintes sur le rotor et le carter de la turbine, et menant au calcul de la variation du jeu en bout d’aube de la turbine durant une mission de vol donnée ainsi qu’à la prédiction du jeu nécessaire à froid. Afin d’automatiser les analyses effectuées sur le rotor et le carter, le processus proposé intègre un calculateur de conditions aux frontières et interagit avec un générateur de système d’air secondaire simplifié ainsi qu’avec plusieurs outils de conception basé sur des modèles CAD paramétrés. Comparé à un processus préliminaire régulier de prédiction du jeu en bout d’aubes, le processus proposé offre une amélioration considerable de la précision des résultats puisqu’ils se sont révélés être proches de ceux générés durant la phase de conception détaillée et utilisés comme objectifs. De plus, ce processus de conception s’est révélé être plus rapide qu’un processus préliminaire régulier tout en menant à une réduction du temps nécessaire durant la phase de conception détaillée. Le système étant automatisé et plus rapide que celui d’un processus régulier d’étude préliminaire, il a été possible d’effectuer des itérations afin d’obtenir la mission de vol la plus critique en terme de fermeture du jeu en bout d’aubes. Le système proposé a également permis d’effectuer une analyse de sensibilité ciblée qui a amené à l’identification de plusieurs paramètres d’importance lors de l’optimisation du jeu en bout d’aubes. Finalement, requérant moins de données de la part de l’utilisateur, ce système réduit le risque d’erreurs humaines tout en laissant les décisions importantes au designer.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy." Comprend des références bibliographiques (pages 101-104).
Mots-clés libres:	optimisation multidisciplinaire et préliminaire, turboréacteur, jeu en bout d’aube, analyses automatisées
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Moustapha, Hany
Codirecteur:	Codirecteur Garnier, François
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	09 nov. 2018 19:48
Dernière modification:	09 nov. 2018 19:48
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2141

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