High by-pass ratio turbofan engines aerothermodynamic design and optimization

Abstract

Uçak Motoru tasarımındaki ilk adım parametrik döngü analizleridir. Bu analizin sonuçları daha sonra bir uçak motorunun tüm uçuş zarfı boyunca göstereceği performans hakkında bilgi sağlayacak olan performans döngüsü analizlerinde kullanılır. Her iki analiz sonucu en son aşamada turbo makine bileşenleri ön tasarımında kullanılır. Belirtilen bu analizleri gerçekleştirmek amacıyla MATLAB Simulink® kullanılarak ayrı akışlı turbofan motorları için bir motor tasarım aracı (Engine Design Model, EDM olarak isimlendirilmiştir) geliştirilmiştir. Tasarım aracında kullanılan bu motor türü havacılık sanayiindeki yaygın kullanımı nedeniyle seçilmiştir, ancak farklı turbofan ve turbojet motor yapılandırmaları içinde ilgili değişiklikler yapılarak kullanılabilir. EDM aracı hesaplamalarında termodinamik parametrelerin en doğru şekilde kullanılabilmesi için Değişken Özgül Isı modeli kullanmaktadır. EDM parametrik ve performans döngü analizlerinde Aircraft Engine Design, 2. Baskı [Mattingly, J.D., Heiser W.H., ve Pratt, D.T., 2002] kaynağında verilmiş olan çözüm algoritmalarını kullanmaktadır. Modelin bu bölümlerinin doğrulaması yine aynı kaynak tarafından geliştirilmiş olan AEDsys yazılımı ile yapılmıştır. Model aynı zamanda parametrik döngü sonuçlarını kullanan aerotermodinamik turbo makine bileşen tasarımı bölümü de içermektedir. Modelin bu bölümünün doğrulaması CFM56-5A ve GE90-94B motorlarına ait gerçek verilerle yapılmıştır. Model doğrulandıktan sonra kullanıcı tarafından belirtilen isteklere göre en iyi motorun seçimini sağlayacak olan bir optimizasyon sürecine sokulmuş ve optimizasyonda SIMPLEX ve Gradient Descent algoritmaları ile çözüm alınmıştır.Anahtar Kelimeler: Turbofan Motor Tasarımı, Aerotermodinamik Motor Tasarımı, Parametrik Döngü Analizi, Performans Döngü Analizi, Aerotermodinamik Turbomakina Tasarımı, Motor Tasarımında Optimizasyon

The first step in Engine Design for an airframe is being the on-design cycle analysis. The results of this analysis are later used in off-design cycle analysis, which gives critical information about the performance of the engine on the whole flight envelope. Both analysis results are later used in turbomachinery component design. In order to accomplish these objectives, an engine design model in MATLAB Simulink® (named as Engine Design Model, EDM) is developed for Separate Flow Turbofan Engines. This engine type is chosen according to its wide usage in Aerospace Industry, but the model can also be extended to the other types of Turbofan and Turbojet Engines. The Engine Design Model uses Variable Specific Heat Model in order to obtain best estimates in thermodynamic parameters throughout the whole cycle. The model use the solution algorithms given in Aircraft Engine Design, 2nd Edition [Mattingly, J.D., Heiser W.H., and Pratt, D.T., 2002] for cycle analysis and its verification is made with AEDsys Software, which also uses the same algorithm. The model also includes an aerothermodynamic turbomachinery design section, which uses the outputs from the cycle analysis and its validation is made with engine data of CFM56-5A and GE90-94B engines. The model is then used in an optimization process, which select the best engine according to the constraints determined by the user by using SIMPLEX and gradient descent algorithms.Keywords: Turbofan Engine Design, Aerothermodynamic Engine Design, On-Design Cycle, Off-Design Cycle, Aerothermodynamic Turbomachinery Design, Optimization in Engine Design