Surrogate-based optimization for evaluating turbine cooling impacts on aero-engine performance

Ahmed, Mohamed A. K. I. (2025). Surrogate-based optimization for evaluating turbine cooling impacts on aero-engine performance. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Traditionally, Gas Turbine Engines (GTEs) have been optimized at the component level, with a primary focus on maximizing individual efficiencies to ensure functionality and reliability. However, this approach does not always result in engines with low Specific Fuel Consumption (SFC). Given rising fuel costs and global initiatives targeting net-zero carbon dioxide (CO₂) emissions by 2050, it is increasingly critical to design engines with minimized fuel consumption at the system level.

This research presents the development of an integrated optimization tool that shifts the focus from maximizing component efficiency toward minimizing engine-level SFC. The work concentrates on turbine design, with particular emphasis on airfoil cooling, which represents the largest contributor to turbine cooling demand and has a direct impact on SFC. While cooling is essential for durability, excessive cooling reduces engine performance due to the extraction of compressor bleed air and mixing losses that degrade turbine work output.

The developed tool integrates several in-house platforms from Pratt & Whitney Canada (P&WC): the Turbine Aerodynamic Meanline (TAML) solver for meanline calculation, the Cooling Flow Prediction Tool (CFPT) for estimating airfoil cooling requirements, and the Framework for Design Exploration (FDE) for optimization execution. The workflows combine Design of Experiments (DOE) and Surrogate-Assisted Optimization (SAO) to efficiently explore the design space and accelerate convergence. SFC exchange factors and sensitivity factors are incorporated to estimate the impact of cooling on turbine efficiency and SFC during the preliminary design phase, where rapid but reliable estimates are required.

Two test cases representing turboprop engine configurations were analyzed, exploring variations in airfoil count, axial chord, and turbine inlet tip radius. The tool supports workflows for both turbofan and turboprop/turboshaft engines, including modes where the power of the Power Turbine (PT) may be fixed or allowed to vary for more design flexibility. Results were validated against manually optimized configurations and full-engine computational analyses, demonstrating strong agreement. Sensitivity analyses identified axial chord and tip radius as key drivers influencing SFC through their effects on cooling demand and aerodynamic performance.

The developed tool provides a valuable capability for preliminary turbine design, reducing optimization time, improving accuracy, and minimizing manual iteration between engineering groups. Its application supports P&WC’s efforts to deliver high-performance, fuel-efficient, and environmentally sustainable engines.

In order to provide Pratt & Whitney Canada with a competitive advantage, certain proprietary technical data have been withheld.

Titre traduit

Optimisation basée sur des modèles substituts pour l’évaluation des impacts du refroidissement des turbines sur les performances des moteurs aéronautiques

Résumé traduit

Traditionnellement, les moteurs à turbine à gaz (GTE) sont optimisés au niveau des composants, avec un accent principal sur la maximisation de l’efficacité individuelle afin d’assurer la fonctionnalité et la fiabilité. Cependant, cette approche ne conduit pas toujours à des moteurs à faible consommation spécifique de carburant (SFC). Compte tenu de l’augmentation des coûts du carburant et des initiatives mondiales visant la neutralité carbone d’ici 2050, il devient de plus en plus essentiel de concevoir des moteurs avec une consommation de carburant réduite au niveau système.

Cette recherche présente le développement d’un outil d’optimisation intégré qui déplace l’objectif de l’efficacité des composants vers la minimisation de la SFC au niveau moteur. Les travaux portent principalement sur la conception de la turbine, avec un accent particulier sur le refroidissement des profils aérodynamiques, qui représente la plus grande contribution à la demande de refroidissement de la turbine et qui a un impact direct sur la SFC. Bien que le refroidissement soit indispensable pour la durabilité, un excès de refroidissement réduit les performances du moteur en raison de l’extraction de l’air de prélèvement au compresseur et des pertes de mélange qui dégradent le travail utile de la turbine.

L’outil développé intègre plusieurs plateformes internes de Pratt & Whitney Canada (P&WC): le Turbine Aerodynamic Meanline (TAML) pour les calculs de ligne moyenne, le Cooling Flow Prediction Tool (CFPT) pour l’estimation des besoins en refroidissement des profils, et le Framework for Design Exploration (FDE) pour l’exécution de l’optimisation. Les flux de travail combinent Design of Experiments (DOE) et Surrogate-Assisted Optimization (SAO) afin d’explorer efficacement l’espace de conception et d’accélérer la convergence. Des facteurs d’échange de SFC et des facteurs de sensibilité sont intégrés pour estimer l’impact du refroidissement sur l’efficacité de la turbine et la SFC pendant la phase de conception préliminaire, où des estimations rapides mais fiables sont nécessaires.

Deux cas d’étude représentant des configurations de moteurs turbopropulseurs ont été analysés, explorant les variations du nombre de profils, de la corde axiale et du rayon de pointe à l’entrée de la turbine. L’outil prend en charge des flux de travail adaptés aux moteurs turbofans et turbopropulseurs/turbomoteurs, incluant des modes où la puissance de la Power Turbine (PT) peut être fixée ou autorisée à varier afin d’offrir une plus grande flexibilité de conception. Les résultats ont été validés par comparaison avec des configurations optimisées manuellement et des analyses computationnelles de l’ensemble du moteur, démontrant une forte concordance. Les analyses de sensibilité ont identifié la corde axiale et le rayon de pointe comme des paramètres clés influençant la SFC par leurs effets sur la demande de refroidissement et la performance aérodynamique.

L’outil développé offre une capacité précieuse pour la conception préliminaire des turbines, en réduisant le temps d’optimisation, en améliorant la précision et en limitant les itérations manuelles entre les équipes d’ingénierie. Son application soutient les efforts de P&WC pour proposer des moteurs performants, économes en carburant et respectueux de l’environnement.

Afin de préserver l’avantage concurrentiel de Pratt & Whitney Canada, certaines données techniques propriétaires ont été volontairement omises.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement of the requirements forthe degree of master’s degree with thesis in aerospace engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 79-81).
Mots-clés libres:	optimisation du SFC, refroidissement de la turbine, optimisation des moteurs à turbine à gaz, aéromoteurs
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Moustapha, Hany
Codirecteur:	Codirecteur Germain, Patrick
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	19 sept. 2025 17:58
Dernière modification:	19 sept. 2025 17:58
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3690

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