An architecture for a multi-disciplinary integrated turbine rotor system optimizer

Résumé

La conception des pièces d’un moteur à turbine telles que le rotor de la turbine implique non seulement la conception de plusieurs composants, mais nécessite également d’incorporer la connaissance de diverse disciplines et applications afin de créer le rotor idéal pour les conditions de conception. Telle une symphonie, chaque discipline doit jouer un rôle et travailler conjointement avec les autres disciplines afin de créer un produit fini optimal. Traditionnellement, la conception de ces composants est séparée entre les phases de conception préliminaire et détaillée. Malheureusement, durant la phase de conception préliminaire, les ingénieurs n’ont pas le temps d’obtenir le rotor parfait et un équilibre délicat doit être atteint entre la fidélité des résultats et le temps pris pour les produire. C’est durant l’étape de conception détaillée que tout l’effort est dirigé sur la précision des analyses et qu’un concept final est atteint. Cette façon traditionnelle de procéder à la conception d’un moteur a une faiblesse: un mauvais concept produit durant la phase de conception préliminaire ne peut pas complètement être réparé durant la phase de conception détaillée, et les tentatives de modification de ce concept afin d’en amenuiser l’impact sur les performances du moteur coûte cher en temps et efforts. L’utilisation de concepts venant de l’Optimisation Multidisciplinaire durant la phase de conception préliminaire (MDO Préliminaire ou PMDO en anglais) permet d’atténuer cette faiblesse en intégrant des connaissances de haut niveau de fidélité durant la phase de conception préliminaire. Cela permet ainsi d’obtenir de meilleurs concepts à la fin de la phase de conception préliminaire. Au sein du programme de Pratt & Whitney Canada (P&WC) sur l’Intégration et l’Optimisation du Système de Propulsion (PSIO en anglais), l’auteur a appliqué les concepts du PMDO afin de créer une architecture pour la conception et l’optimisation des pièces de moteur et a utilisé cette architecture afin de créer un module de conception automatisé et intégré du rotor (iRSO en anglais); ce système de conception intègre la conception de la plateforme, du système de fixation, du disque et de la plaque protectrice basée sur les contraintes thermiques et mécaniques, ainsi que la conception de l’ailette basée sur les contraintes aérodynamiques, thermiques et mécaniques et sur les besoins de refroidissement de celle-ci. L’architecture a permis d’injecter plus de connaissance tôt dans le processus de conception, permettant ainsi au concepteur de rapidement développer un rotor complet et d’évaluer ses attributs par rapport à un grand nombre de concepts alternatifs. En partant d’un ensemble de conditions de conception, cette nouvelle architecture permet à un ingénieur d’explorer beaucoup plus de concepts qu’il était possible avant, assurant ainsi qu’un espace de conception très large soit investigué durant les étapes préliminaires du développement et ce avec un degré de fidélité accrus dans chaque discipline. Cette recherche, dû en partie au fait qu’elle se passe dans le monde réel (c’est-à-dire en industrie), si elle avait été conduite en suivant une approche traditionnelle de recherche directe (RD), aurait pu se voir confronter à de multiple obstacles (ce qui a été le cas au début) tels que : ne pas définir clairement des objectifs qui sont compris et acceptés par les chercheurs autant que les utilisateurs finaux, la différence de culture et d’approche de recherche entre l’entreprise et le monde académique, ou encore l’importance de la rigueur académique par rapport au besoin de répondre rapidement aux requêtes des utilisateurs. Ces obstacles ont été adressés par l’utilisation de la Recherche-Action Directe (RAD) qui prend les meilleurs aspects de la RD traditionnelle et de la Recherche-Action (RA) de l’industrie. La recherche dans le domaine des systèmes de l’information / des technologies de l’information (SI/TI) telle que ce travail doit atteindre un double objectif : produire de la connaissance ou apporter une contribution à la discipline tout en aidant à solutionner des problèmes réels avec des paramètres du monde réel. Via la création d’une architecture pour la conception et l’optimisation de pièces de moteur, de la connaissance a été créée quant à la méthodologie à employer pour adresser des problèmes de conception multidisciplinaire ainsi que dans le développement d’outils et de procédures d’optimisation. Comme exemple démontrant les possibilités que le système développé promet, l’optimisation d’une ailette a été accomplie. L’optimisation intègre l’analyse structurelle d’une ailette en 3 dimensions ainsi que ses contraintes aérodynamiques obtenues via analyse CFD. Le système a été capable d’optimiser le concept avec l’objectif double d’augmenter l’efficacité et de réduire la masse et les contraintes maximales à un certain pourcentage de l’envergure de l’ailette, comme le requière les règles de bonne pratique de P&WC. L’optimisation a montré de grande promesse en ne délivrant pas seulement une solution optimale pour les deux objectifs mais également en donnant des renseignements sur le degré de dépendance existant entre certains paramètres clés. Dans ce cas particulier, le système a en effet mis en évidence que la masse peut être diminuée lorsque l’efficacité augmente. Ceci a permis au processus de conception d’aller de l’avant en remettant en question certains acquis tout en réduisant le temps de conception et le nombre de tâches n’apportant pas de valeur dans le travail d’un ingénieur. Cela a également permis de réduire le risque lié à l’approche traditionnelle de la conception d’un moteur à turbine à gaz consistant à avoir deux phases distinctes. Des niveaux de fidélité similaires voir parfois supérieurs ont été atteint en 20% du temps normalement requis grâce à l’utilisation de iRSO. De plus, la possibilité d’erreur humaine est éliminée puisque tous les transferts manuels d’information entre les disciplines sont maintenant contrôlés automatiquement par le système.

Date	8 mars 2021
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Saïd Hany Moustapha (Directeur(-trice)) & Sylvie Doré (Codirecteur(-trice))