Development of an integrated system for preliminary design of aircraft gas turbines
Authors: Κόλιας Ιωάννης 
Published: July 2023

Η ανάπτυξη ενός νέου αεριοστροβίλου ξεκινά επίσημα με τις προδιαγραφές για τις επιδόσεις, τη γεωμετρία, και το βάρος της μηχανής που τίθενται από τον πελάτη ή από τον ίδιο τον κατασκευαστή της μηχανής προσπαθώντας να ερευνήσει και να ικανοποιήσει κάποια καινούργια ανάγκη της αγοράς. Το πρώτο βήμα ύστερα από τον ορισμό των προδιαγραφών της μηχανής είναι η φάση του προκαταρκτικού σχεδιασμού όπου αποτιμούνται οι προοπτικές ενός νέου σχεδιασμού ως προς την κατανάλωση καυσίμου, την ευσταθή λειτουργία, και τα κόστη παραγωγής, λειτουργίας και συντήρησης της μηχανής. Στις αεροπορικές μηχανές, ο σχεδιασμός θα πρέπει επίσης να συμμορφώνεται με τις απαιτήσεις του φακέλου πτήσης του αεροσκάφους στο οποίο πρόκειται να τοποθετηθεί η νέα μηχανή, αλλά και με περιβαλλοντικούς περιορισμούς. Για την επίτευξη αυτών των στόχων, απαιτείται η ανάπτυξη ολοκληρωμένων συστημάτων προκαταρκτικού σχεδιασμού τα οποία θα πρέπει να ενσωματώνουν στιβαρά, γρήγορα, και αξιόπιστα υπολογιστικά μοντέλα και εργαλεία για τις διαφορετικές αρχές σχεδιασμού και ανάλυσης που λαμβάνουν χώρα στον προκαταρκτικό σχεδιασμό. Στη διατριβή αυτή γίνεται η ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου συστήματος για τον προκαταρκτικό, πολυκριτηριακό σχεδιασμό και την αξιολόγηση αεροπορικών αεριοστροβίλων. Συνεπώς, στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, αναπτύχθηκαν υπολογιστικά εργαλεία κατάλληλα για προκαταρκτικούς υπολογισμούς. Η ανάπτυξη και ο προγραμματισμός των εργαλείων αυτών έγινε στο ίδιο περιβάλλον προγραμματισμού, μοντελοποίησης, και προσομοίωσης (PROOSIS). Ο όρος «κατάλληλα» σημαίνει εργαλεία χαμηλής πιστότητας (0D/1D) που παρουσιάζουν ένα πλήθος πλεονεκτημάτων έναντι εργαλείων υψηλότερης πιστότητας (2D/3D) όταν χρησιμοποιούνται σε μελέτες προκαταρκτικού σχεδιασμού: 1) είναι υπολογιστικά γρήγορα, 2) απαιτούν πολύ λίγα (και πολύ βασικά) δεδομένα εισόδου που, τυπικά, είναι διαθέσιμα κατά τη διάρκεια ενός προκαταρκτικού υπολογισμού, 3) μπορούν να χρησιμοποιηθούν απροβλημάτιστα για τη δημιουργία μιας νέας υπολογιστικής περίπτωσης και, τέλος, 4) μπορούν να ενσωματωθούν εύκολα σε μια ροή εργασιών για τον ολοκληρωμένο προκαταρκτικό σχεδιασμό μιας μηχανής. Αν και δεν υπάρχει μια γενική «συνταγή», το στάδιο του προκαταρκτικού σχεδιασμού πρέπει, κατ’ ελάχιστον, να περιλαμβάνει εργαλεία για τον αεροθερμοδυναμικό σχεδιασμό των στροβιλοσυνιστωσών της μηχανής, για τον υπολογισμό των επιδόσεων των συνιστωσών της μηχανής σε σημεία λειτουργίας εκτός του σημείου σχεδιασμού τους, για τη μηχανολογική ανάλυση και το σχεδιασμό κρίσιμων δομικών στοιχείων της μηχανής όπως οι άτρακτοι και οι δίσκοι, και για την εκτίμηση του δομικού βάρους των συνιστωσών και της ίδιας της μηχανής. Συνεπώς, στο πλαίσιο της διατριβής, αναπτύχθηκαν αντίστοιχα υπολογιστικά εργαλεία και μοντέλα (0D/1D) που οργανώνονται στις ακόλουθες τέσσερις (4) βιβλιοθήκες: 1) TURBO1D: Στη βιβλιοθήκη αυτή περιλαμβάνονται μοντέλα για τον προκαταρκτικό αεροθερμοδυναμικό σχεδιασμό συνιστωσών ενός αεριοστροβίλου, που είναι κατάλληλα για ταυτόχρονο σχεδιασμό σε πολλά σημεία λειτουργίας της μηχανής. 2) GTMDC: Στη βιβλιοθήκη αυτή περιλαμβάνονται μοντέλα και εργαλεία για τον προκαταρκτικό σχεδιασμό και την ανάλυση κρίσιμων δομικών μερών και εξαρτημάτων μιας μηχανής. 3) GTWC: Στη βιβλιοθήκη αυτή περιλαμβάνονται μοντέλα για την προκαταρκτική εκτίμηση βάρους συνιστωσών ενός αεριοστροβίλου και για γενικές διατάξεις στροβιλοαντιδραστήρων διπλού ρεύματος. 4) MLC: Στη βιβλιοθήκη αυτή περιλαμβάνονται μοντέλα και εργαλεία για τον προκαταρκτικό αεροθερμοδυναμικό σχεδιασμό (MLDC) και την εκτίμηση των επιδόσεων σε σημεία εκτός σχεδιασμού (MLAC) πολυβάθμιων, αξονικών συμπιεστών. Τα προαναφερθέντα εργαλεία αρχικά πιστοποιήθηκαν ξεχωριστά χρησιμοποιώντας διαθέσιμα δεδομένα για πραγματικές μηχανές και συγκρίσεις με προβλέψεις από εργαλεία υψηλότερης πιστότητας (3D). Στη συνέχεια, συνδυάστηκαν στο ίδιο περιβάλλον μοντελοποίησης και προσομοίωσης (PROOSIS) για τη δημιουργία ενός ολοκληρωμένου συστήματος, κατάλληλου για τον προκαταρκτικό σχεδιασμό αεροπορικών κινητήρων. Το σύστημα αυτό επιτρέπει τον αποδοτικό σχεδιασμό και την αξιολόγηση νέων διατάξεων αεροπορικών κινητήρων ορίζοντας εύκολα διαφορετικούς συνδυασμούς μετρικών και περιορισμών σχεδιασμού, που μπορούν να οριστούν σε οποιοδήποτε σημείο λειτουργίας της μηχανής και για οποιαδήποτε αρχή σχεδιασμού και ανάλυσης που περιλαμβάνεται στο σύστημα. Οι υπολογιστικές δυνατότητες, η απόδοση, και η ακρίβεια των αναπτυχθέντων εργαλείων επιδεικνύονται μέσω μελετών βελτιστοποίησης σε επίπεδο συνιστώσας και κινητήρα, θεωρώντας έναν στροβιλοαντιδραστήρα διπλού ρεύματος υπέρ-υψηλού λόγου παράκαμψης, που μελετάται σε μια αποστολή μικρής εμβέλειας. Για τις μελέτες σχεδιασμού διατυπώθηκαν διαφορετικές αντικειμενικές συναρτήσεις, ενώ θεωρούνται δύο (2) διαφορετικές τιμές του λόγου διαμοιρασμού του ολικού λόγου πίεσης της μηχανής μεταξύ των συμπιεστών χαμηλής και υψηλής πίεσης (0.30 και 0.40), που είναι τρέχοντος βιομηχανικού ενδιαφέροντος. Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι κάποια από τα εργαλεία που παρουσιάζονται σε αυτήν τη διατριβή αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της συνεργασίας του ΕΘΣ/ΕΜΠ με Ευρωπαϊκές βιομηχανίες κατασκευής αεροπορικών αεριοστροβίλων και αεροσκαφών. Τέλος, οι καινοτόμες συνεισφορές της παρούσας διατριβής υποστηρίζονται από πέντε (5) δημοσιεύσεις σε διεθνή επιστημονικά συνέδρια και περιοδικά με κριτές.