An architecture for a multi-disciplinary integrated turbine rotor system optimizer

Twahir, Abdulhalim (2021). An architecture for a multi-disciplinary integrated turbine rotor system optimizer. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The design of gas turbine engine parts such as turbine rotors involves not only designing multiple components but also the incorporation of the knowledge of multiple disciplines and applications to create the ideal rotor for the design conditions. Like a symphony, each discipline has to play a part and work together with other disciplines to create an effective and efficient end product. Traditionally, the design of these components has been separated into the pre-detailed and the detailed design phases. Unfortunately, during the pre-detailed stage of the design, engineers are not afforded enough time to get the perfect rotor thus a delicate balance must then be struck between the fidelity of the results and the time taken to achieve them. In the detailed design however, more emphasis is placed on accuracy of analysis above all else and a final design is achieved. This traditional way of designing can be improved because a suboptimal concept design created in the pre-detailed design step is difficult to correct in the detailed design and attempts to moderate its impact usually come at a steep cost. The use of Multidisciplinary Design Optimization concepts at the pre-detailed design phase (Pre-detailed MDO or PMDO) improves the process by bringing high fidelity knowledge at the pre-detailed stage, allowing for better concepts exiting pre-detailed design. As part of Pratt & Whitney Canada (P&WC) program on Propulsion System Integration and Optimization (PSIO) the author applied concepts of PMDO to create an architecture for the design and optimization of engine parts as well as using that architecture to create an integrated and automated rotor design system (iRSO); a design module that integrated the design of the platform, fixing, disc, and cover plate based on the thermal and mechanical stresses as well as the airfoil based on aerodynamic, thermal and mechanical stresses, and cooling requirements. The architecture allowed more knowledge to be injected into the design process at the early stage of design, allowing the designer to rapidly synthesize a complete rotor and evaluate its attributes over a range of alternative designs. Starting from a set of design conditions, the new architecture allows an engineer to explore many design options, ensuring that a large design space is investigated at the early stages of development with a higher degree of fidelity in all disciplines. This research, due in some part to the fact that it is done in a real world setting (industry), if conducted using the traditional direct research (DR), would have faced obstacle such as: definition of objectives that may not be equally understood and appreciated by the researchers and the end users, the difference in culture and research approaches between the organization and the research institution as well as the importance of academic rigor vs the responsiveness to user requests. These problems were alleviated through the use of Action Design Research (ADR) as it joins the best aspects of traditional DR and the organizational focused Action Research (AR). ADR is helpful as a methodological framework as it recognizes the role of organizational behaviour in shaping the objectives of the research. Research in information systems / technologies (IS/IT) such as this must achieve dual objectives: to build knowledge or a theoretical contribution to the disciple as well as to assist in solving a real world problem in real world settings. Through the creation of an architecture for the design and optimization of engine parts, new methodological knowledge was created on how to best tackle a multidisciplinary design and create optimization capable tools and processes. As an example of the possibilities the system created holds, an optimization of an airfoil was done. The optimization integrated the structural analysis of a 3D airfoil and aerodynamics through CFD. It was able to optimize with the double objective of increasing efficiency and reducing mass and the constraints of peak stress at a certain percentage span range, as per P&WC best practices. The optimization showed great promise in that it did not only give a solution that was the best of both objectives but also provided insight on the degree of dependencies of certain key parameters. For the particular case, it was able to show that the mass could be lowered while increasing efficiencies. It allowed ‘the engineering design process [to] move forward by asking “what if” questions and using the answers to make design changes’ while reducing the time taken and the non-value added work load on the engineer. This also solved the real world problem of mitigating the risk of the traditional two phased approach to design of gas turbine engines. Similar and sometimes higher levels of fidelity were achieved at 20% of the time when using the artifact. Possibility of human error is also mitigated as all the manual transfer of information between the disciplines is now handled autonomously in the system.

Titre traduit

Cadre pour un système de conception de rotor de turbine intègre

Résumé traduit

La conception des pièces d’un moteur à turbine telles que le rotor de la turbine implique non seulement la conception de plusieurs composants, mais nécessite également d’incorporer la connaissance de diverse disciplines et applications afin de créer le rotor idéal pour les conditions de conception. Telle une symphonie, chaque discipline doit jouer un rôle et travailler conjointement avec les autres disciplines afin de créer un produit fini optimal. Traditionnellement, la conception de ces composants est séparée entre les phases de conception préliminaire et détaillée. Malheureusement, durant la phase de conception préliminaire, les ingénieurs n’ont pas le temps d’obtenir le rotor parfait et un équilibre délicat doit être atteint entre la fidélité des résultats et le temps pris pour les produire. C’est durant l’étape de conception détaillée que tout l’effort est dirigé sur la précision des analyses et qu’un concept final est atteint. Cette façon traditionnelle de procéder à la conception d’un moteur a une faiblesse: un mauvais concept produit durant la phase de conception préliminaire ne peut pas complètement être réparé durant la phase de conception détaillée, et les tentatives de modification de ce concept afin d’en amenuiser l’impact sur les performances du moteur coûte cher en temps et efforts. L’utilisation de concepts venant de l’Optimisation Multidisciplinaire durant la phase de conception préliminaire (MDO Préliminaire ou PMDO en anglais) permet d’atténuer cette faiblesse en intégrant des connaissances de haut niveau de fidélité durant la phase de conception préliminaire. Cela permet ainsi d’obtenir de meilleurs concepts à la fin de la phase de conception préliminaire. Au sein du programme de Pratt & Whitney Canada (P&WC) sur l’Intégration et l’Optimisation du Système de Propulsion (PSIO en anglais), l’auteur a appliqué les concepts du PMDO afin de créer une architecture pour la conception et l’optimisation des pièces de moteur et a utilisé cette architecture afin de créer un module de conception automatisé et intégré du rotor (iRSO en anglais); ce système de conception intègre la conception de la plateforme, du système de fixation, du disque et de la plaque protectrice basée sur les contraintes thermiques et mécaniques, ainsi que la conception de l’ailette basée sur les contraintes aérodynamiques, thermiques et mécaniques et sur les besoins de refroidissement de celle-ci. L’architecture a permis d’injecter plus de connaissance tôt dans le processus de conception, permettant ainsi au concepteur de rapidement développer un rotor complet et d’évaluer ses attributs par rapport à un grand nombre de concepts alternatifs. En partant d’un ensemble de conditions de conception, cette nouvelle architecture permet à un ingénieur d’explorer beaucoup plus de concepts qu’il était possible avant, assurant ainsi qu’un espace de conception très large soit investigué durant les étapes préliminaires du développement et ce avec un degré de fidélité accrus dans chaque discipline. Cette recherche, dû en partie au fait qu’elle se passe dans le monde réel (c’est-à-dire en industrie), si elle avait été conduite en suivant une approche traditionnelle de recherche directe (RD), aurait pu se voir confronter à de multiple obstacles (ce qui a été le cas au début) tels que : ne pas définir clairement des objectifs qui sont compris et acceptés par les chercheurs autant que les utilisateurs finaux, la différence de culture et d’approche de recherche entre l’entreprise et le monde académique, ou encore l’importance de la rigueur académique par rapport au besoin de répondre rapidement aux requêtes des utilisateurs. Ces obstacles ont été adressés par l’utilisation de la Recherche-Action Directe (RAD) qui prend les meilleurs aspects de la RD traditionnelle et de la Recherche-Action (RA) de l’industrie. La recherche dans le domaine des systèmes de l’information / des technologies de l’information (SI/TI) telle que ce travail doit atteindre un double objectif : produire de la connaissance ou apporter une contribution à la discipline tout en aidant à solutionner des problèmes réels avec des paramètres du monde réel. Via la création d’une architecture pour la conception et l’optimisation de pièces de moteur, de la connaissance a été créée quant à la méthodologie à employer pour adresser des problèmes de conception multidisciplinaire ainsi que dans le développement d’outils et de procédures d’optimisation. Comme exemple démontrant les possibilités que le système développé promet, l’optimisation d’une ailette a été accomplie. L’optimisation intègre l’analyse structurelle d’une ailette en 3 dimensions ainsi que ses contraintes aérodynamiques obtenues via analyse CFD. Le système a été capable d’optimiser le concept avec l’objectif double d’augmenter l’efficacité et de réduire la masse et les contraintes maximales à un certain pourcentage de l’envergure de l’ailette, comme le requière les règles de bonne pratique de P&WC. L’optimisation a montré de grande promesse en ne délivrant pas seulement une solution optimale pour les deux objectifs mais également en donnant des renseignements sur le degré de dépendance existant entre certains paramètres clés. Dans ce cas particulier, le système a en effet mis en évidence que la masse peut être diminuée lorsque l’efficacité augmente. Ceci a permis au processus de conception d’aller de l’avant en remettant en question certains acquis tout en réduisant le temps de conception et le nombre de tâches n’apportant pas de valeur dans le travail d’un ingénieur. Cela a également permis de réduire le risque lié à l’approche traditionnelle de la conception d’un moteur à turbine à gaz consistant à avoir deux phases distinctes. Des niveaux de fidélité similaires voir parfois supérieurs ont été atteint en 20% du temps normalement requis grâce à l’utilisation de iRSO. De plus, la possibilité d’erreur humaine est éliminée puisque tous les transferts manuels d’information entre les disciplines sont maintenant contrôlés automatiquement par le système.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 119-121).
Mots-clés libres:	optimisation préliminaire et multidisciplinaire d’un concept, recherche-action direct, rotors de turbine, requis structurels d’une ailette
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Moustapha, Hany
Codirecteur:	Codirecteur Doré, Sylvie
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	11 janv. 2022 15:54
Dernière modification:	11 janv. 2022 18:26
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2828

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