Thesis /

ROMDOC-THESIS-2017-1082

Contribuţii privind optimizarea performanţelor unei trepte de turbină axială de aviaţie

Cuciumita, Cleopatra Florentina
2011-09-21

Abstract: UPB – FACULTATEA DE INGINERIE AEROSPAŢIALĂ Titlu teză de doctorat: “Contribuţii privind optimizarea performanţelor unei trepte de turbină axială de aviaţie” Autor: Ing. Cuciumita Cleopatra Florentina; Conducător ştiinţific: Prof.dr.ing. Virgil Stanciu Abstract: Modelarea unei noi turbine cu gaze a fost, din totdeauna, o sarcină extrem de laborioasă din punct de vedere al obţinerii randamentului şi puterii dorite pentru aceasta. Aprecierile teoretice cu privire la performanţele unei turbine cu gaze s-au dovedit, în timp, a fi un compromis între acurateţea şi simplitatea calculului. Metode precum diagrama Smith sunt extrem de simplu de aplicat, dar un calcul exact al performanţelor unei turbine cu gaze ar presupune considerarea unui număr foarte mare de variabile. O metodă suficient de precisă de determinare a pierderilor totale de presiune, bazată pe experimentarea a câtorva zeci de turbine, este cea dezvoltată de Ainley şi Mathieson, având o eroare de sub 2%. Precizia metodei a fost validată prin simulări numerice în mediu CFD şi date experimentale, incluse în lucrare. Deşi metoda nu este o noutate în domeniu, ea asigură rezultate suficient de precise pentru a fi încă folosită pe scară largă la modelarea turbinelor cu gaze. Dificultatea metodei constă în numărul mare de ore de lucru necesare pentru aprecierea performanţelor mai multor variante de turbină, ca urmare a caracterului puternic neliniar al funcţiilor prin care se calculează performanţele turbinei. Deorece determinarea performanţelor se face ulterior definirii geometriei turbinei, în cazul unor rezultate nesatisfăcătoare, este necesară întoarcerea la paşi anteriori, uneori până la etapa de calcul global la raza medie, şi reluarea procesului de calcul. În acest contex, lucrarea de faţă urmăreşte optimizarea randamentului unei turbine nou modelate, păstrând constantă puterea dezvoltată de aceasta. Considerând parametrii gazodinamici necesari în determinarea unei geometrii iniţiale pentru turbină şi influenţa parametrilor geometrici asupra randamentului, conform metodei menţionate mai sus, este propusă o metoda de optimizare de tip Monte Carlo. Metoda de optimizare reprezintă un algoritm genetic original, descris în lucrare. Algoritmul defineşte o pupulaţie de treapte de turbină folosind reprezentarea binară a geometriei lor. Randamentul treptei reprezintă funcţia obiectiv şi este, de asemeni, criteriu de reproducere. Puterea dezvoltată de aceasta, împreună cu un calcul preliminar de rezistenţă mecanică reprezintă criterii de supravieţuire. Mutaţii ale cromozomilor, prin inversarea unui număr de biţi la o poziţie aleasă aleatoriu, sunt introduse în algoritm pentru a evita blocarea acestuia într-un punct de optim local. Parametrii de optimizare sunt limitaţi la un interval de variaţie pentru a evita poteţiale soluţii nerealiste. Abordarea prezentată aici reduce semnificativ timpul de lucru necesar obţinerii unui prototip pentru turbina nou modelată plecând de la tema de proiectare. UPB – FACULTY OF AEROSPACE ENGINEERING Doctoral dissertation title: “Contributions regarding the performance optimization of an aviation axial turbine stage” Author: Eng. Cuciumita Cleopatra Florentina; Conducător ştiinţific: Prof. PhD. Eng. Virgil Stanciu Abstract: Designing a gas turbine from scratch has always been an extremely laborious task in terms of obtaining the desired power output and efficiency. Theoretical prediction of the performances of a gas turbine has proven in time to be a compromise between accuracy and simplicity of the calculus. Methods such as the Smith chart are very easy to apply, but to make an exact prediction of the flow in a turbine would lead to an almost infinite number of variables to be considered. A quite precise method of determining total-loss coefficients for a gas turbine, based on a large number of turbine tests, was developed by D.G. Ainley and G.C.R. Mathieson, with an error of the calculated efficiency within 2%. The accuracy of the method has been validated by Computational Fluid Dynamics simulations and experimental data, included in the paper. Even if it is not a novel approach, the method provides accurate numerical results, and thus it is still widely used in turbine blade design. Its difficulty consists of the large number of man-hours of work required for estimating the performances of many different turbine geometries due to the many interdependent variables involved. Since this calculus must be conducted only once the geometry of the turbine is determined, if the results are not satisfactory one must go back to the preliminary design and repeat the entire process. Taking into account all the above, this paper aims at optimizing the efficiency of a newly design turbine, while maintaining the required power output. Considering the gas-dynamic parameters used for determining the preliminary geometry of a turbine, and the influence of the geometry upon the turbine efficiency, according to the procedure stated above, a Monte Carlo optimizing method is proposed. The optimization method consists in a novel genetic algorithm, presented in the paper. The algorithm defines a population of turbine stage geometries using a binary description of their geometrical configuration as the chromosomes. The turbine efficiency is the fitness function and also acts as the mating probability criterion. The turbine energy output is verified for each member of the population so that the desired turbine power is still within acceptable limits and a stress calculus is conducted as survival criterion. Random mutations carried on by chromosome string reversal are included to avoid local optima. Hard limits are imposed on optimization parameter variation in order to avoid ill defined candidate solutions. The approach presented here significantly reduces the time between design goal definition and the prototype.

Keyword(s): Turbine cu gaze -- Teză de doctorat ; Aeronautică -- Teză de doctorat
OPAC: See record in BC-UPB Web OPAC
Full Text: see files

Similar records

 

People who viewed this page also viewed:

(257)  Optimizarea conceptuală şi operaţională a instalaţiilor chimice multiscop - Voinescu, Sorin - ROMDOC-BC_UPB-THESIS-2003-000000054 (240)  Tehnologiile informării şi comunicării : suport de curs - Curta, Olimpia - ROMDOC-BOOK-2007-005 (238)  Contribuţii privind prelucrarea imaginilor în studiul formei obiectelor - Prodan, Remus Cătălin - ROMDOC-BC_UPB-THESIS-2006-000012139 (236)  Analiza aerosolilor prin tehnici şi metode membrane - Dănciulescu, Valeriu - ROMDOC-THESIS-2017-1399 (235)  Contribuţii la estimarea duratei de viaţă a unor structuri de automobile - Camciuc, Arthur - ROMDOC-BC_UPB-THESIS-2005-000013923

 

Rate this document:

Be the first to review this document.

Discuss this document:

Start a discussion about any aspect of this document.