Automation & integration of secondary air system workflow for multidisciplinary design optimization of gas turbines

Peoc'h, Timothé (2019). Automation & integration of secondary air system workflow for multidisciplinary design optimization of gas turbines. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This thesis presents the automation and integration of Secondary Air System (SAS) tools into a Design & Analysis (D&A) platform developed in a Multidisciplinary Design Optimization (MDO) context. As technology increasingly requires high precision, and therefore meticulous work in multi-expertise fields, gas turbine engineers and analysts suffer from non-value-added tasks. Among these tasks stand data management, poor data transmission between software, and fastidious pre and post-processing; all of which greatly reduce analysis time and consequently the quality of the final product. The objective of this project was to regroup all gas turbine software into a single platform to allow for automation. Tools are now run in batch mode and the platform is linked to a data management system both of which improve efficiency of the engineering workflow.

This platform has been designed and tested for SAS engineers, but can be applied to other disciplines as well. The SAS extracts air from the main gas path in the compressors of gas turbines, which is then used for sealing and cooling in addition to influencing the load on the thrust bearings. SASs are thus necessary for gas turbines to reach high powers. To design a SAS specific platform a careful analysis of the workflow was performed and a list of eligible tasks for (semi-)automation was established and prioritized. The following objectives were achieved: pre and post -processing were semi-automated, and processing was fully automated. The complete automation of the process allowed an entire power-curve calculation to be generated in a single run. Whereas the automation of the post-processing allowed for simplified readouts using a task-dependent synthesis page and for graphs to be automatically created reducing manual plotting.

The desirable amounts of design iterations do not occur because of the complex and lengthy calculations. In order to perform iterations and later MDO, the SAS module integrates a feedback loop to the performance module with the integration of SAS bleeds into the performance model to ensure model alignments.

The aforementioned functionalities have shown great potential. Thus far, non-value-added tasks have been drastically reduced; consequently, time for analysis has been lengthened. In addition, result accuracy will greatly improve thanks to multi-iteration.

Titre traduit

Automatisation et intégration du flux de travail du système d’air secondaire pour l'optimisation multidisciplinaire des turbines à gaz

Résumé traduit

Cette thèse présente l’intégration d’outils servant pour le compte du système d’air secondaire (SAS) dans une plateforme de conception et d’analyse (D&A) développée dans un contexte d’optimisation de conception multidisciplinaire (MDO). Comme la technologie des turbines à gaz requiert une très grande précision et par conséquent un travail méticuleux dans de nombreux domaines d’expertise, les ingénieur.e.s souffrent des tâches sans valeur ajoutée comme la gestion des données, la mauvaise transmission d’information entre les logiciels et les fastidieux pré et post-traitement des données produites. Les éléments décrits précédemment réduisent grandement le temps d’analyse et la qualité du produit final. Une telle plateforme regroupe les logiciels servant à la conception des turbines à gaz afin de permettre leur automatisation. Les outils sont exécutés en mode batch et la plateforme est liée à un système de gestion des données qui garantit une amélioration de l’efficacité du processus.

Le SAS permet le refroidissement de composants tels que les aubes de turbines. Il participe également à l’isolation et à la gestion des charges appliquées sur les roulements à billes. Sans un tel système les turbines à gaz ne pourraient atteindre les puissances atteintes aujourd’hui.

Un outil a été conçu et testé pour les ingénieur.e.s SAS. Au travers d’une scrupuleuse analyse du flux de travail, une liste de tâches éligibles pour l’automatisation a été établie et priorisée. Le pré-traitement a été semi-automatisé. Une pré-configuration basée sur les informations d’entrée permet de grandement réduire les erreurs humaines. Le traitement à proprement parler a été complètement automatisé, permettant le calcul d’une courbe de puissance complète en une seule exécution. Finalement, une autre source d’amélioration fut accomplie grâce au posttraitement. Les outils SAS produisent un grand nombre de valeurs, ainsi, pour simplifier la lecture de ces données, une page de synthèse affichant les paramètres d’intérêt a été créée, un outil pour tracer des graphiques est introduit pour réduire l’utilisation des feuilles de calcul.

De manière à permettre plus d’itérations de conception et plus tard la MDO, le module SAS intègre une boucle de retour vers le module de performance. L’alignement des deux modèles (SAS et performance) est établi grâce à l’intégration des purges d’air du SAS dans le modèle de performance.

Les fonctionnalités décrites ci-dessus ont montré un très grand potentiel. A présent, les tâches sans valeur-ajoutée sont drastiquement réduites; par conséquence, le temps d’analyse est allongé. Ainsi, l’exactitude des résultats sera grandement améliorée grâce aux multiples itérations.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in aerospace engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 109-113)
Mots-clés libres:	moteurs aéro-dérivés, turbines à gaz, automatisation, système d’air secondaire, industrie 4.0
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Moustapha, Hany
Codirecteur:	Codirecteur Garnier, François
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	08 oct. 2019 20:10
Dernière modification:	04 nov. 2019 15:16
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2373

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