Knowledge-Based Preliminary Design of Aero-Engine Gas-Generators
1st Edition
Published on 1. February 2011
Book
187 pages
978-3-86624-517-4 (ISBN)
Description
*Deutsch*
Im Zusammenhang mit den Forschungsthemen am Institut für Luftfahrtantriebe der Universität Stuttgart wurde eine Methode entwickelt, die es erlaubt, Ergebnisse aus der Leistungssyntheserechnung mit Forschungsfeldern zu verbinden, die Aussagen über konstruktive Details und mechanische Eigenschaften als Ausgangsbasis benötigen. Durch die Anwendung von Berechnungsmethoden aus dem Gebiet des Vorentwurfs kann diese Verbindung hergestellt werden. Daher ist die Entwicklung eines Modells zur wissensbasierten Vorauslegung von Triebwerks-Gasgeneratoren das Ziel der hier vorgelegten Arbeit. Die Grundlagen des mechanischen Vorentwurfs werden diskutiert und auf das Entwurfsziel Gasgenerator angewandt. Der Ansatz beruht auf der Beobachtung, dass vermarktete Gasgeneratoren sich auf Grund der geltenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten in ihrer allgemeinen Struktur und der Geometrie ihrer wesentlichen Bauteile ähnlich sind. Deswegen ist der konzeptionelle Vorentwurf von dem Prinzip geprägt, dass es möglich ist, verallgemeinerte wissensbasierte Entwurfsregeln mit jeden gewünschten Detailierungsgrad zu entwickeln. Solche Regeln werden zu komplexen Systemen zusammengefasst, die sowohl die automatisierte Dimensionierung von vereinfachten, verallgemeinerten Bauteilen und Komponenten als auch die Untersuchung ihrer mechanischen Eigenschaften erlaubt. Entwurfsregeln werden aus physikalischen Zusammenhängen und/oder empirischem Wissen abgeleitet und ihre Ergebnisse sind abhängig von Eingabeparametern und Randbedingungen. Das jeweilige Technologieniveau wird in der Entwurfsregel in Form von dimensionslosen Größen und vergleichbaren Kennwerten berücksichtigt. Auf Grund der angewendeten Verallgemeinerungen und Vereinfachungen ist es notwendig Entwurfsregeln zu kalibrieren um existierende Konstruktionen nachzubilden. Um den Gasgenerator zu modellieren, wurde eine modulare Programmstruktur ausgewählt. Der Vorentwurf von Hochdruckverdichter, Brennkammer, Welle und Hochdruckturbine ist in einzelnen Modulen umgesetzt. Jedes Modul besteht aus dem statischen Zusammenbau von einzelnen Bauteilen oder Gruppen, sowie aller notwendigen Abhängigkeiten und Regeln, um jedes Element dieses Moduls auszulegen und zu kalibrieren. Turbokomponenten werden aus Elementen zusammengesetzt die eine komplette Stufe modellieren. Dadurch ist es möglich, Komponenten mit unterschiedlichen Stufenzahlen durch gleiche Grundelemente abzubilden. Für alle Bauteile wurden Entwurfsregeln aus den Bereichen Thermodynamik, Aerodynamik und Mechanik entwickelt und detailliert beschrieben. Die aerodynamische Auslegung des Ringraums und der Beschaufelung der Turbokomponenten erfolgt durch die Anwendung von Mittelschnittverfahren und Wirbelgesetzen. Rotor- und Statorschaufeln werden durch radiale Profilschnitte und Boole'sche Operationen erzeugt. Die Form der Schaufelfüße wird durch Methoden der einfachen Balken-Theorie ermittelt. Turbinen- und Verdichterscheiben sind das Ergebnis aus Spannungsberechnungen, für die das Verschiebungsfeld der Scheibe mittels einer 2D Finite-Elemente-Methode ausgewertet wird. Die Berechnung der Gehäusedicke wird durch semi-empirische Schaufelverlustkriterien abgedeckt. Die Dimensionierung der Brennkammer erfolgt über die Abschätzung des Verbrennraumvolumens unter Verwendung von Referenzgeschwindigkeiten. Der gesamte Gasgenerator wird dann durch thermodynamische und geometrische Kopplung seiner Einzelkomponenten zusammengebaut. Auf Basis der entworfenen Einzelteile können Gewichte und Dimensionen ermittelt werden. Die Einsatzmöglichkeiten und das Verhalten des entwickelten Modells werden gezeigt und in Form von Ergebnissen aus Beispielrechnungen für einzelne Turbomaschinenstufen, komplette Verdichter und Turbinen sowie der Brennkammer beschrieben. Die Berechnungen zeigen, wie ausgeführte Konstruktionen durch Kalibrierung der Entwurfsregeln nachgebildet werden können. Auf der Grundlage von kalibrierten Referenzkomponenten kann der wesentliche wissenschaftliche Zweck des Models dargestellt werden: Die Skalierung von Komponenten auf gleichem Technologieniveau. Ein abschließendes Beispiel zeigt die Skalierung eines Gasgenerators mit dem Durchsatz. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die beschriebene Methode nicht nur dazu verwendet werden kann die mechanischen Eigenschaften von Gasgeneratoren zu ermitteln. Die Beispiele zeigen auch, dass es mit dem Modell möglich ist, die Konsequenzen von Entwurfsentscheidungen und die Eigenschaften der mechanischen Skalierung von Gasgeneratoren und/oder ihrer Komponenten zu untersuchen. Die Kombination von Entwurfsalgorithmen und Materialeigenschaften erlaubt zudem eine Einschätzung der Machbarkeitsgrenzen einer Konstruktionsphilosophie. Dadurch können Entwurfsräume sichtbar und verständlich gemacht werden. Auf Grund des gezeigten Potentials wird empfohlen, die Fähigkeiten des Modells im nächsten Entwicklungsschritt auf Gesamttriebwerke auszuweiten.
*English*
Within the context of the academic research fields at the Institute of Aircraft Propulsion Systems, Universität Stuttgart, a methodology was developed which allows the linking of performance synthesis with research fields that require design details and mechanical characteristics of aero-engine components as input. Methods from preliminary design were found well suited for the achievement of this goal. For this reason the objective of this thesis is the development of a tool for the knowledge-based preliminary mechanical design of aero-engine gas generators. The fundamentals of preliminary mechanical design are discussed and applied to the design task of gas generators. The approach is based on the observation that because of the underlying physics marketed gas generators are generally similar in their structure and geometry. Preliminary design is based on the concept that it is possible to establish generalized knowledge-driven design laws at any desired detailing level. Such laws are integrated into complex systems which then allow the automated dimensioning of simplified, parametric geometries and the assessment of their properties from part to component level. Design laws are derived from physics and/or empirical system knowledge and their results are dependent on input parameters and boundary conditions. The individual technology level is inserted by non-dimensional, comparable technology descriptors. Because of the necessary generalizations and simplifications design laws require calibration if a marketed design is to be re-engineered. A modular tool structure was chosen to model the gas generator. The preliminary mechanical design of high-pressure compressor, combustor, shaft and high-pressure turbine is implemented in design bricks where each brick consists of a static arrangement of parts and sub-parts, their interdependencies and all necessary design laws to create and calibrate its content. Turbo-machinery components are assembled from design bricks which represent single stages. This introduces a flexibility to model components with different stage counts by using the same brick type. Design laws from the areas of thermodynamics, aerodynamics and mechanics for all implemented parts and sub-parts were developed and described in detail. An aerodynamic design of annulus and blading of the turbo-machinery components is performed by the integration of mean-line and vortex methods. Rotor blades and stator vanes are obtained from radial profile distributions and Boolean operations. The size of the blade roots is assessed by beam theory methods. Turbine and compressor disks are shaped by taking into account a 2D finite element method which solves the displacement equation and derives disk stress levels. The design of casings is covered by semi-empirical containment formulas. Also a combustor layout based on combustion volumes and reference velocities is included. The whole gas generator is assembled by the thermodynamic and geometric coupling of its components. Assessments of masses and dimensions can be conducted on the basis of the calculated geometries.
The capabilities of the developed preliminary design tool are illustrated and discussed. Example designs are used to demonstrate the model characteristics of turbo-machinery single stages, full compressor and turbine components, as well as the combustor. The computations show that with sufficient information on a real component the implemented physical scaling methods and the specified design rules can be calibrated so that results from preliminary design represent all modeled parts of this component adequately. Based on the definition of calibrated reference components the rule-based scaling is demonstrated and the tool is used for its scientific purpose: the scaling of a component or its substructures at a given technology level. Another example presents how a whole gas generator scales with inlet mass flow as an assembly of compressor, combustor and turbine. This thesis shows that the described preliminary design methodology is not only capable of estimating the mechanical characteristics of gas generators. The presented examples also demonstrate how the tool can be applied to study the consequences of design decisions and how the mechanical scaling of gas generators and/or their components can be investigated. The design algorithms in combination with material properties are used to evaluate the feasibility limits of a design philosophy at a given technology level. In this way design spaces are made visible, transparent and understandable. The demonstrated potential of the methodology recommends itself for a future development into a tool with which the design result of whole aero-engines can be predicted.
Im Zusammenhang mit den Forschungsthemen am Institut für Luftfahrtantriebe der Universität Stuttgart wurde eine Methode entwickelt, die es erlaubt, Ergebnisse aus der Leistungssyntheserechnung mit Forschungsfeldern zu verbinden, die Aussagen über konstruktive Details und mechanische Eigenschaften als Ausgangsbasis benötigen. Durch die Anwendung von Berechnungsmethoden aus dem Gebiet des Vorentwurfs kann diese Verbindung hergestellt werden. Daher ist die Entwicklung eines Modells zur wissensbasierten Vorauslegung von Triebwerks-Gasgeneratoren das Ziel der hier vorgelegten Arbeit. Die Grundlagen des mechanischen Vorentwurfs werden diskutiert und auf das Entwurfsziel Gasgenerator angewandt. Der Ansatz beruht auf der Beobachtung, dass vermarktete Gasgeneratoren sich auf Grund der geltenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten in ihrer allgemeinen Struktur und der Geometrie ihrer wesentlichen Bauteile ähnlich sind. Deswegen ist der konzeptionelle Vorentwurf von dem Prinzip geprägt, dass es möglich ist, verallgemeinerte wissensbasierte Entwurfsregeln mit jeden gewünschten Detailierungsgrad zu entwickeln. Solche Regeln werden zu komplexen Systemen zusammengefasst, die sowohl die automatisierte Dimensionierung von vereinfachten, verallgemeinerten Bauteilen und Komponenten als auch die Untersuchung ihrer mechanischen Eigenschaften erlaubt. Entwurfsregeln werden aus physikalischen Zusammenhängen und/oder empirischem Wissen abgeleitet und ihre Ergebnisse sind abhängig von Eingabeparametern und Randbedingungen. Das jeweilige Technologieniveau wird in der Entwurfsregel in Form von dimensionslosen Größen und vergleichbaren Kennwerten berücksichtigt. Auf Grund der angewendeten Verallgemeinerungen und Vereinfachungen ist es notwendig Entwurfsregeln zu kalibrieren um existierende Konstruktionen nachzubilden. Um den Gasgenerator zu modellieren, wurde eine modulare Programmstruktur ausgewählt. Der Vorentwurf von Hochdruckverdichter, Brennkammer, Welle und Hochdruckturbine ist in einzelnen Modulen umgesetzt. Jedes Modul besteht aus dem statischen Zusammenbau von einzelnen Bauteilen oder Gruppen, sowie aller notwendigen Abhängigkeiten und Regeln, um jedes Element dieses Moduls auszulegen und zu kalibrieren. Turbokomponenten werden aus Elementen zusammengesetzt die eine komplette Stufe modellieren. Dadurch ist es möglich, Komponenten mit unterschiedlichen Stufenzahlen durch gleiche Grundelemente abzubilden. Für alle Bauteile wurden Entwurfsregeln aus den Bereichen Thermodynamik, Aerodynamik und Mechanik entwickelt und detailliert beschrieben. Die aerodynamische Auslegung des Ringraums und der Beschaufelung der Turbokomponenten erfolgt durch die Anwendung von Mittelschnittverfahren und Wirbelgesetzen. Rotor- und Statorschaufeln werden durch radiale Profilschnitte und Boole'sche Operationen erzeugt. Die Form der Schaufelfüße wird durch Methoden der einfachen Balken-Theorie ermittelt. Turbinen- und Verdichterscheiben sind das Ergebnis aus Spannungsberechnungen, für die das Verschiebungsfeld der Scheibe mittels einer 2D Finite-Elemente-Methode ausgewertet wird. Die Berechnung der Gehäusedicke wird durch semi-empirische Schaufelverlustkriterien abgedeckt. Die Dimensionierung der Brennkammer erfolgt über die Abschätzung des Verbrennraumvolumens unter Verwendung von Referenzgeschwindigkeiten. Der gesamte Gasgenerator wird dann durch thermodynamische und geometrische Kopplung seiner Einzelkomponenten zusammengebaut. Auf Basis der entworfenen Einzelteile können Gewichte und Dimensionen ermittelt werden. Die Einsatzmöglichkeiten und das Verhalten des entwickelten Modells werden gezeigt und in Form von Ergebnissen aus Beispielrechnungen für einzelne Turbomaschinenstufen, komplette Verdichter und Turbinen sowie der Brennkammer beschrieben. Die Berechnungen zeigen, wie ausgeführte Konstruktionen durch Kalibrierung der Entwurfsregeln nachgebildet werden können. Auf der Grundlage von kalibrierten Referenzkomponenten kann der wesentliche wissenschaftliche Zweck des Models dargestellt werden: Die Skalierung von Komponenten auf gleichem Technologieniveau. Ein abschließendes Beispiel zeigt die Skalierung eines Gasgenerators mit dem Durchsatz. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die beschriebene Methode nicht nur dazu verwendet werden kann die mechanischen Eigenschaften von Gasgeneratoren zu ermitteln. Die Beispiele zeigen auch, dass es mit dem Modell möglich ist, die Konsequenzen von Entwurfsentscheidungen und die Eigenschaften der mechanischen Skalierung von Gasgeneratoren und/oder ihrer Komponenten zu untersuchen. Die Kombination von Entwurfsalgorithmen und Materialeigenschaften erlaubt zudem eine Einschätzung der Machbarkeitsgrenzen einer Konstruktionsphilosophie. Dadurch können Entwurfsräume sichtbar und verständlich gemacht werden. Auf Grund des gezeigten Potentials wird empfohlen, die Fähigkeiten des Modells im nächsten Entwicklungsschritt auf Gesamttriebwerke auszuweiten.
*English*
Within the context of the academic research fields at the Institute of Aircraft Propulsion Systems, Universität Stuttgart, a methodology was developed which allows the linking of performance synthesis with research fields that require design details and mechanical characteristics of aero-engine components as input. Methods from preliminary design were found well suited for the achievement of this goal. For this reason the objective of this thesis is the development of a tool for the knowledge-based preliminary mechanical design of aero-engine gas generators. The fundamentals of preliminary mechanical design are discussed and applied to the design task of gas generators. The approach is based on the observation that because of the underlying physics marketed gas generators are generally similar in their structure and geometry. Preliminary design is based on the concept that it is possible to establish generalized knowledge-driven design laws at any desired detailing level. Such laws are integrated into complex systems which then allow the automated dimensioning of simplified, parametric geometries and the assessment of their properties from part to component level. Design laws are derived from physics and/or empirical system knowledge and their results are dependent on input parameters and boundary conditions. The individual technology level is inserted by non-dimensional, comparable technology descriptors. Because of the necessary generalizations and simplifications design laws require calibration if a marketed design is to be re-engineered. A modular tool structure was chosen to model the gas generator. The preliminary mechanical design of high-pressure compressor, combustor, shaft and high-pressure turbine is implemented in design bricks where each brick consists of a static arrangement of parts and sub-parts, their interdependencies and all necessary design laws to create and calibrate its content. Turbo-machinery components are assembled from design bricks which represent single stages. This introduces a flexibility to model components with different stage counts by using the same brick type. Design laws from the areas of thermodynamics, aerodynamics and mechanics for all implemented parts and sub-parts were developed and described in detail. An aerodynamic design of annulus and blading of the turbo-machinery components is performed by the integration of mean-line and vortex methods. Rotor blades and stator vanes are obtained from radial profile distributions and Boolean operations. The size of the blade roots is assessed by beam theory methods. Turbine and compressor disks are shaped by taking into account a 2D finite element method which solves the displacement equation and derives disk stress levels. The design of casings is covered by semi-empirical containment formulas. Also a combustor layout based on combustion volumes and reference velocities is included. The whole gas generator is assembled by the thermodynamic and geometric coupling of its components. Assessments of masses and dimensions can be conducted on the basis of the calculated geometries.
The capabilities of the developed preliminary design tool are illustrated and discussed. Example designs are used to demonstrate the model characteristics of turbo-machinery single stages, full compressor and turbine components, as well as the combustor. The computations show that with sufficient information on a real component the implemented physical scaling methods and the specified design rules can be calibrated so that results from preliminary design represent all modeled parts of this component adequately. Based on the definition of calibrated reference components the rule-based scaling is demonstrated and the tool is used for its scientific purpose: the scaling of a component or its substructures at a given technology level. Another example presents how a whole gas generator scales with inlet mass flow as an assembly of compressor, combustor and turbine. This thesis shows that the described preliminary design methodology is not only capable of estimating the mechanical characteristics of gas generators. The presented examples also demonstrate how the tool can be applied to study the consequences of design decisions and how the mechanical scaling of gas generators and/or their components can be investigated. The design algorithms in combination with material properties are used to evaluate the feasibility limits of a design philosophy at a given technology level. In this way design spaces are made visible, transparent and understandable. The demonstrated potential of the methodology recommends itself for a future development into a tool with which the design result of whole aero-engines can be predicted.