Advanced aero engine common preliminary design environment for the automatic construction of secondary air system and thermal models

Integrierte Vorauslegungsumgebung zur automatisierten Erzeugung von Sekundärluftsystem- und Thermalmodellen für Flugtriebwerke

  • The state of the art in aero engine design and analysis methods is based on mature computer programs, which have been developed during several decades. The classical approach to the preliminary design phase of engine subsystems is to split the complex engineering process into disciplines and subtasks. Different experts manage the time-consuming modelling work. Due to the increasing demand for higher aero engine performance and design cycle time reduction, process integration, accuracy and agility have become key assets of the engineering work-flow. The intention of this work is to show how multi-disciplinary integration, work-flow automation and CFD-enhanced thermal modelling methods can be used efficiently to support the aero engine preliminary design phase, with focus on the high pressure turbine subsystem. A Java based common design environment for the engine secondary air system, rotors and thermal design disciplines has been developed. This design environment enables the automatic generation of CAD, flow network and thermalThe state of the art in aero engine design and analysis methods is based on mature computer programs, which have been developed during several decades. The classical approach to the preliminary design phase of engine subsystems is to split the complex engineering process into disciplines and subtasks. Different experts manage the time-consuming modelling work. Due to the increasing demand for higher aero engine performance and design cycle time reduction, process integration, accuracy and agility have become key assets of the engineering work-flow. The intention of this work is to show how multi-disciplinary integration, work-flow automation and CFD-enhanced thermal modelling methods can be used efficiently to support the aero engine preliminary design phase, with focus on the high pressure turbine subsystem. A Java based common design environment for the engine secondary air system, rotors and thermal design disciplines has been developed. This design environment enables the automatic generation of CAD, flow network and thermal models. The improvements in terms of process agility and model prediction accuracy are demonstrated with the application of the implemented process to a reference high pressure turbine subsystem. For validation purposes, the preliminary design definition of the reference turbine case is reproduced. The automatically generated secondary air system and thermal models can replicate the same level of detail as the previous manual approach. It was found that the CFD-enhanced thermal model improves the prediction accuracy in the preliminary design stage, when no engine test data is available.show moreshow less
  • Der Stand der Technik in der Triebwerkskonstruktion und -berechnung sind ausgereifte Methoden, die über Jahrzehnte entwickelt und in Computerprogrammen umgesetzt wurden. Nach dem klassischen Ansatz der Vorauslegung von Flugtriebwerken wird der komplexe Entwicklungsprozess in Disziplinen und Teilaufgaben aufgeteilt. Dadurch führen verschiedene Fachleute die zeitaufwendigen Modellierungsarbeiten durch. Aufgrund der steigenden Anforderungen an die Leistung eines Flugtriebwerks und zur Reduzierung der Entwicklungszeiten entwickeln sich Prozessintegration, Modellgenauigkeit und Prozessgeschwindigkeit zu Schlüsselfaktoren. Mit dieser Arbeit soll gezeigt werden, wie fachübergreifende Integration, Automatisierung und CFD-erweiterte Thermalmodellierungsmethoden zur effizienten Unterstützung in der Triebwerksvorauslegung eingesetzt werden können. Dafür wurde eine Java-basierte Vorauslegungsumgebung für die Integration der Disziplinen Sekundärluftsystemauslegung, Turbinenscheibenkonstruktion und Wärmeübergang entwickelt, welche dieDer Stand der Technik in der Triebwerkskonstruktion und -berechnung sind ausgereifte Methoden, die über Jahrzehnte entwickelt und in Computerprogrammen umgesetzt wurden. Nach dem klassischen Ansatz der Vorauslegung von Flugtriebwerken wird der komplexe Entwicklungsprozess in Disziplinen und Teilaufgaben aufgeteilt. Dadurch führen verschiedene Fachleute die zeitaufwendigen Modellierungsarbeiten durch. Aufgrund der steigenden Anforderungen an die Leistung eines Flugtriebwerks und zur Reduzierung der Entwicklungszeiten entwickeln sich Prozessintegration, Modellgenauigkeit und Prozessgeschwindigkeit zu Schlüsselfaktoren. Mit dieser Arbeit soll gezeigt werden, wie fachübergreifende Integration, Automatisierung und CFD-erweiterte Thermalmodellierungsmethoden zur effizienten Unterstützung in der Triebwerksvorauslegung eingesetzt werden können. Dafür wurde eine Java-basierte Vorauslegungsumgebung für die Integration der Disziplinen Sekundärluftsystemauslegung, Turbinenscheibenkonstruktion und Wärmeübergang entwickelt, welche die automatisierte Erzeugung von CAD-, Strömungsnetzwerk- und Thermalmodellen ermöglicht. Der implementierte Prozess wird auf eine existierende Hochdruckturbine als Bezugsfall angewendet, wodurch die Verbesserung der Prozessgeschwindigkeit und der Genauigkeit der Temperaturvorhersage aufgezeigt wird. Zur Validierung dieser Arbeit wird die Vorauslegung des Bezugsfalls nachgebildet. Dabei wird deutlich, dass mit diesem automatisierten Prozess die gleiche Modelltreue erreicht werden kann, wie mit dem bisher genutzten manuellen Prozess. Außerdem konnte mittels der CFD-erweiterten Thermal-modellierung die Temperaturvorhersage für Turbinenscheiben in der Vorauslegungsphase verbessert werden.show moreshow less

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Metadaten
Author: Jose María Rey Villazón
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-36011
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Arnold Kühhorn, Prof. Dr.-Ing. Klaus Höschler
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2015
Date of final exam:2015/04/29
Release Date:2015/11/19
Tag:Prozessintegration; Sekundärluftsystem; Thermal Modellierung; Triebwerkskonstruktion
Aero engine design system; Process integration; Secondary air system; Thermal modelling; Turbine rotor
GND Keyword:Flugtriebwerk; Konstruktion; Wärmeübertragung; Modellierung
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Strukturmechanik und Fahrzeugschwingungen
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / LS Strukturmechanik und Fahrzeugschwingungen
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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