Surrogate-based optimization for evaluating turbine cooling impacts on aero-engine performance

Résumé

Traditionnellement, les moteurs à turbine à gaz (GTE) sont optimisés au niveau des composants, avec un accent principal sur la maximisation de l’efficacité individuelle afin d’assurer la fonctionnalité et la fiabilité. Cependant, cette approche ne conduit pas toujours à des moteurs à faible consommation spécifique de carburant (SFC). Compte tenu de l’augmentation des coûts du carburant et des initiatives mondiales visant la neutralité carbone d’ici 2050, il devient de plus en plus essentiel de concevoir des moteurs avec une consommation de carburant réduite au niveau système. Cette recherche présente le développement d’un outil d’optimisation intégré qui déplace l’objectif de l’efficacité des composants vers la minimisation de la SFC au niveau moteur. Les travaux portent principalement sur la conception de la turbine, avec un accent particulier sur le refroidissement des profils aérodynamiques, qui représente la plus grande contribution à la demande de refroidissement de la turbine et qui a un impact direct sur la SFC. Bien que le refroidissement soit indispensable pour la durabilité, un excès de refroidissement réduit les performances du moteur en raison de l’extraction de l’air de prélèvement au compresseur et des pertes de mélange qui dégradent le travail utile de la turbine. L’outil développé intègre plusieurs plateformes internes de Pratt & Whitney Canada (P&WC): le Turbine Aerodynamic Meanline (TAML) pour les calculs de ligne moyenne, le Cooling Flow Prediction Tool (CFPT) pour l’estimation des besoins en refroidissement des profils, et le Framework for Design Exploration (FDE) pour l’exécution de l’optimisation. Les flux de travail combinent Design of Experiments (DOE) et Surrogate-Assisted Optimization (SAO) afin d’explorer efficacement l’espace de conception et d’accélérer la convergence. Des facteurs d’échange de SFC et des facteurs de sensibilité sont intégrés pour estimer l’impact du refroidissement sur l’efficacité de la turbine et la SFC pendant la phase de conception préliminaire, où des estimations rapides mais fiables sont nécessaires. Deux cas d’étude représentant des configurations de moteurs turbopropulseurs ont été analysés, explorant les variations du nombre de profils, de la corde axiale et du rayon de pointe à l’entrée de la turbine. L’outil prend en charge des flux de travail adaptés aux moteurs turbofans et turbopropulseurs/turbomoteurs, incluant des modes où la puissance de la Power Turbine (PT) peut être fixée ou autorisée à varier afin d’offrir une plus grande flexibilité de conception. Les résultats ont été validés par comparaison avec des configurations optimisées manuellement et des analyses computationnelles de l’ensemble du moteur, démontrant une forte concordance. Les analyses de sensibilité ont identifié la corde axiale et le rayon de pointe comme des paramètres clés influençant la SFC par leurs effets sur la demande de refroidissement et la performance aérodynamique. L’outil développé offre une capacité précieuse pour la conception préliminaire des turbines, en réduisant le temps d’optimisation, en améliorant la précision et en limitant les itérations manuelles entre les équipes d’ingénierie. Son application soutient les efforts de P&WC pour proposer des moteurs performants, économes en carburant et respectueux de l’environnement. Afin de préserver l’avantage concurrentiel de Pratt & Whitney Canada, certaines données techniques propriétaires ont été volontairement omises.

Date	7 août 2025
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Saïd Hany Moustapha (Directeur(-trice)) & Patrick Germain (Codirecteur(-trice))