<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<export-example>
  <doc>
    <id>6515</id>
    <completedYear>2022</completedYear>
    <publishedYear/>
    <thesisYearAccepted/>
    <language>eng</language>
    <pageFirst/>
    <pageLast/>
    <pageNumber/>
    <edition/>
    <issue/>
    <volume/>
    <type>doctoralthesis</type>
    <publisherName/>
    <publisherPlace/>
    <creatingCorporation/>
    <contributingCorporation/>
    <belongsToBibliography>0</belongsToBibliography>
    <completedDate>2023-10-06</completedDate>
    <publishedDate>--</publishedDate>
    <thesisDateAccepted>2022-11-30</thesisDateAccepted>
    <title language="eng">Concepts development of variable fan nozzle for future generation of aeroengines</title>
    <title language="deu">Konzepte für die Entwicklung variabler Fan-Düsen für die zukünftige Generation von Flugzeugtriebwerken</title>
    <abstract language="eng">The next generation of civil turbofan engines targets the by-pass ratios of up to 20:1, requiring an innovative fan design with a low fan pressure ratio, low specific thrust and a radically increased fan diameter. The aerodynamic stability of such a large slow rotating fan is very sensitive against the back-pressure variations in the by-pass duct, especially during the take-off operations. The back-pressure regulation can be achieved significantly through a Variable Area Fan Nozzle (VAFN). This work deals with the design development of VAFN concepts for ultra-high by-pass ratio engines which was researched in EU funded program ENOVAL and received funding under grant agreement number 604999. &#13;
A system engineering approach was implemented for the VAFN development by following the requirements in conceptual, preliminary and detailed design phases. The design domains in the rear nacelle and under the core fairing were selected for the concept generation. Several qualitative and quantitative trade studies were conducted to down-select the best-fit solution during each design phase. These included the kinematic simulations of various types of VAFN modulations; analytical calculations to understand the thermodynamics of the selected VAFN kinematics; aerodynamic performance predictions using CFD simulations on a large number of preliminary designs; 3D CFD simulations for detailed performance assessments including the design optimization of individual features and distortions due to failed modulations; and FEM calculations for the topology generation and optimization of structural components. The overall weighted effect was determined for each output parameter and the results were presented in percentile changes relative to that with a fixed nozzle reference geometry.&#13;
Two VAFN concepts were selected for the final detailed design phase, Flaps in rear nacelle domain and Variable Inner Fairing Structure (VIFS). Both concepts showed better outputs in terms of specific fuel consumption, noise emission and fan’s safety margin during the take-off, with an over-area exhaust position than those with a fixed nozzle operation. During the climb phase, with an under-area VAFN position, both concepts resulted in drawbacks due to higher aerodynamic losses relative to the fixed nozzle. During MCR, both the VAFN concepts with stowed positions caused losses mainly due to leakages and higher structural weights relative to the fixed nozzle configuration. For each VAFN concept, a detailed system definition was developed and the function trees for each operation were explained. A discrete modulation type with two positions was described and recommended for both concepts. This included an over-area deployed position for the take-off phase and a stowed position for the rest of the flight, based on the beneficial performance of the VAFN concepts over the fixed clean nozzle configuration.</abstract>
    <abstract language="deu">Die nächste Generation der zivilen Turbofan-Triebwerke zielt auf Nebenstrom Verhältnisse von bis zu 20:1 ab, was ein innovatives Fan-Design mit niedrigem Druckverhältnis, niedrigem spezifischen Schub und einem radikal vergrößerten Durchmesser erfordert. Die aerodynamische Stabilität eines so großen langsam laufenden Fans ist sehr empfindlich gegenüber Gegendruck im Nebenstromkanal, insbesondere während des Startvorgangs. Eine Regulierung des Gegendruckes kann durch eine variable Düse „Variable Area Fan Nozzle“ (VAFN) erreicht werden. Diese Arbeit befasst sich mit der Designentwicklung von VAFN Konzepten für Triebwerke mit sehr hohem Nebenstromverhältnis. &#13;
Für die VAFN Entwicklung wurde ein System Engineering Ansatz implementiert, indem die Anforderungen und Auslegungen in Entwurf, Vorauslegung, detaillierte Design Phasen verfolgt wurden. Für die Konzepterstellung wurden die Bauräume in der hinteren Gondel und unter der Kernverkleidung ausgewählt. Mehrere qualitative und quantitative Analysen wurden durchgeführt, um in jeder Auslegungsphase die am besten geeignete Lösung auszuwählen. Dazu gehörten die kinematischen Simulationen verschiedener Arten von VAFN Bewegungen; analytische Berechnungen zum Verständnis der Thermodynamik von VAFN; aerodynamische numerischen Leistungsberechnungen an einer großen Anzahl von Vorentwürfen; 3D Simulationen für detaillierte Leistungsbewertungen, einschließlich der Designoptimierung einzelner Merkmale aufgrund fehlgeschlagener VAFN Kinematik; und FEM Berechnungen zur Topologie Generierung und zur Optimierung von Bauteilen. Der gewichtete Gesamteffekt wurde für jeden Ausgangsparameter quantifiziert und die VAFN Ergebnisse wurden in prozentualen Änderungen relativ zu denen mit einer festen Düse als Referenz dargestellt. &#13;
Für die letzte detaillierte Designphase wurden zwei VAFN-Konzepte ausgewählt, Klappen im hinteren Gondelbereich und Kerntriebwerksverkleidung als variable Segmente (VIFS). Beide Konzepte führten zu besseren Ergebnissen hinsichtlich spezifischen Kraftstoffverbrauchs, Lärmemission und Pumpgrenzenabstand während der Startphase mit vergrößertem Düsenquerschnitt als bei einer festen Düsengeometrie. Während des Steigfluges mit verkleinertem Düsenquerschnitt führten beide Konzepte zu Nachteilen durch höhere aerodynamische Verluste gegenüber der festen Düse. Während des Reisefluges verursachten beide VAFN Konzepte mit verstauten, aerodynamisch angepassten Positionen Verluste hauptsächlich aufgrund von Leckagen und höheren Gewichten gegenüber der festen Düsenkonfiguration. Für jedes VAFN-Konzept wurde eine detaillierte Systemdefinition entwickelt und die Funktionenbäume für jede Operation erklärt. Für beide Konzepte wurde eine diskrete Kinematik mit zwei Positionen beschrieben und empfohlen. Dies beinhaltete eine ausgefahrene VAFN Position für die Startphase und eine verstaute Position für den Rest des Fluges, basierend auf den vorteilhaften Anwendungen der VAFN gegenüber der Konfiguration mit der festen Düse.</abstract>
    <identifier type="doi">10.26127/BTUOpen-6515</identifier>
    <identifier type="urn">urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-65158</identifier>
    <enrichment key="opus.source">publish</enrichment>
    <enrichment key="opus.doi.autoCreate">false</enrichment>
    <enrichment key="opus.urn.autoCreate">true</enrichment>
    <licence>Creative Commons - CC BY-SA - Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International</licence>
    <author>Chetan Kumar Sain</author>
    <subject>
      <language>eng</language>
      <type>uncontrolled</type>
      <value>Variable area fan nozzle</value>
    </subject>
    <subject>
      <language>eng</language>
      <type>uncontrolled</type>
      <value>Ultra high bypass ratio turbofan engine</value>
    </subject>
    <subject>
      <language>eng</language>
      <type>uncontrolled</type>
      <value>Performance analysis</value>
    </subject>
    <subject>
      <language>eng</language>
      <type>uncontrolled</type>
      <value>Bypass duct</value>
    </subject>
    <subject>
      <language>eng</language>
      <type>uncontrolled</type>
      <value>Fan nozzle structural analysis</value>
    </subject>
    <subject>
      <language>deu</language>
      <type>uncontrolled</type>
      <value>Turbofan-Triebwerk</value>
    </subject>
    <subject>
      <language>deu</language>
      <type>uncontrolled</type>
      <value>Variable Fan-Düse</value>
    </subject>
    <subject>
      <language>deu</language>
      <type>uncontrolled</type>
      <value>Leistungsanalyse der Düse</value>
    </subject>
    <subject>
      <language>deu</language>
      <type>uncontrolled</type>
      <value>Düsenkonzept</value>
    </subject>
    <subject>
      <language>deu</language>
      <type>uncontrolled</type>
      <value>Designentwicklung</value>
    </subject>
    <subject>
      <language>deu</language>
      <type>swd</type>
      <value>Mantelstromtriebwerk</value>
    </subject>
    <subject>
      <language>deu</language>
      <type>swd</type>
      <value>Düse</value>
    </subject>
    <subject>
      <language>deu</language>
      <type>swd</type>
      <value>Thermodynamik</value>
    </subject>
    <subject>
      <language>deu</language>
      <type>swd</type>
      <value>Design</value>
    </subject>
    <collection role="ddc" number="629">Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften</collection>
    <collection role="collections" number="">Wiss. Publikationen</collection>
    <collection role="institutes" number="3503">FG Flug-Triebwerksdesign</collection>
    <thesisPublisher>BTU  Cottbus - Senftenberg</thesisPublisher>
    <thesisGrantor>BTU Cottbus - Senftenberg</thesisGrantor>
    <file>https://opus4.kobv.de/opus4-btu/files/6515/Dissertation_Sain_2023.pdf</file>
  </doc>
</export-example>
