Transient performance simulation of an ultra high bypass ratio turbofan engine
| datacite.contributor.RelatedPerson | Σούφλας, Κωνσταντίνος | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Παπαδόπουλος, Πολύκαρπος | |
| datacite.contributor.Supervisor | Νικολαΐδης, Θεοκλής | |
| dc.contributor.author | Καλαβρής, Κωνσταντίνος | |
| dc.contributor.other | Kalavris, Konstantinos | |
| dc.date.accessioned | 2026-06-29T06:24:11Z | |
| dc.date.available | 2026-06-29T06:24:11Z | |
| dc.date.issued | 2026-06-27 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.abstract | The constant demand for reductions in fuel consumption and environmental emissions has driven the aviation toward ultra-high bypass ratio turbofan architectures. Due to their enlarged fan diameter, increased rotor inertia and the complicated component coupling, the transient performance prediction is more demanding. This diploma thesis develops a framework to simulate and analyse the transient performance of these engines. A direct comparative assessment of two-spool versus three-spool configuration is conducted. Following design-point optimization and extensive off-design parametric studies – covering the effects of altitude, flight speed, ambient conditions and overboard bleed – transient simulations are conducted for both acceleration and deceleration manoeuvres. Three progressive modelling levels are investigated and compared: a simplified model considering only spool inertia, a heat soakage model, and a full thermal model integrating spool inertia, heat soakage and tip clearance variations. During transient operation, the heat transfer between the working fluid and the engine’s metal parts causes phenomena, such as heat soakage – the thermal energy absorbed by structural components – and tip clearance changes, which represent the changes in blade to casing gaps due to differential thermal expansion. The heat soakage effect creates a time lag in the parameters’ response, while the tip clearance variations have longer influence as they alter slightly the steady-state values. The impact of heat transfer is illustrated in the generated transient operating lines on the compressor maps. Furthermore, the sensitivity of the transient response to fuel flow schedules and shaft inertia is examined. Μore aggressive fuel flow schedules and higher inertia reduce the compressors’ surge margin. | |
| dc.description.translatedabstract | Η διαρκής ανάγκη για τη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου και των περιβαλλοντικών ρύπων έχει στρέψει την αεροπορική βιομηχανία προς τις αρχιτεκτονικές στροβιλοανεμιστήρων εξαιρετικά υψηλού λόγου παράκαμψης. Λόγω της αυξημένης διαμέτρου του ανεμιστήρα, της μεγαλύτερης αδράνειας των αξόνων και της περίπλοκης σύζευξης μεταξύ των επιμέρους στοιχείων, η πρόβλεψη της μεταβατικής απόδοσης αυτών των κινητήρων καθίσταται ιδιαίτερα απαιτητική. Η παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύσσει ένα πλαίσιο για την προσομοίωση και την ανάλυση της μεταβατικής λειτουργίας των εν λόγω κινητήρων. Πραγματοποιείται συγκριτική αξιολόγηση μεταξύ διατάξεων δύο και τριών αξόνων. Κατόπιν της βελτιστοποίησης του σημείου σχεδιασμού και της διεξαγωγής εκτενών παραμετρικών μελετών – εξετάζοντας τις επιδράσεις του υψομέτρου, της ταχύτητας πτήσης, των ατμοσφαιρικών συνθηκών και της εξαίμαξης αέρα – εκτελούνται μεταβατικές προσομοιώσεις τόσο για ελιγμούς επιτάχυνσης όσο και επιβράδυνσης. Εξετάζονται και συγκρίνονται τρία επίπεδα μοντελοποίησης: ένα απλοποιημένο μοντέλο που λαμβάνει υπόψη μόνο την αδράνεια των αξόνων, ένα μοντέλο θερμικής υστέρησης, καθώς και ένα πλήρες θερμικό μοντέλο που ενσωματώνει την αδράνεια των αξόνων, τη θερμική υστέρηση και τις μεταβολές στα διάκενα των κορυφών των πτερυγίων με το περίβλημα. Κατά τη διάρκεια της μεταβατικής λειτουργίας, η μεταφορά θερμότητας μεταξύ του εργαζόμενου μέσου και των μεταλλικών μερών του κινητήρα προκαλεί φαινόμενα όπως η θερμική υστέρηση – δηλαδή η θερμική ενέργεια που απορροφάται από τα δομικά στοιχεία – και οι αλλαγές στα διάκενα των πτερυγίων, οι οποίες αντιπροσωπεύουν τις μεταβολές μεταξύ των πτερυγίων και του κελύφους λόγω διαφορετικής θερμικής διαστολής. Το φαινόμενο της θερμικής υστέρησης προκαλεί χρονική καθυστέρηση στην απόκριση των παραμέτρων, ενώ οι μεταβολές στα διάκενα ασκούν πιο παρατεταμένη επίδραση, μεταβάλλοντας ανεπαίσθητα τις τιμές μόνιμης κατάστασης. Η επίδραση της μεταφοράς θερμότητας αποτυπώνεται στις παραγόμενες μεταβατικές γραμμές λειτουργίας στους χάρτες των συμπιεστών. Επιπλέον, εξετάζεται η ευαισθησία της μεταβατικής απόκρισης ως προς τα προγράμματα παροχής καυσίμου και της αδράνεια των αξόνων. Τα πιο επιθετικά προγράμματα παροχής καυσίμου και η υψηλότερη αδράνεια μειώνουν το όριο ευστάθειας των συμπιεστών. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/32105 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.subject | Ultra-high bypass ratio turbofans | |
| dc.subject | Baseline models | |
| dc.subject | Off-design simulation | |
| dc.subject | Transient performance simulation | |
| dc.subject | Rotor inertia | |
| dc.subject | Heat soakage | |
| dc.subject | Tip clearance variations | |
| dc.subject.alternative | Στροβιλοανεμιστήρες υπερυψηλού λόγου παράκαμψης | |
| dc.subject.alternative | Μοντέλα αναφοράς | |
| dc.subject.alternative | Προσομοίωση λειτουργίας εκτός σημείου σχεδίασης | |
| dc.subject.alternative | Προσομοίωση μεταβατικής λειτουργίας | |
| dc.subject.alternative | Αδράνεια αξόνων | |
| dc.subject.alternative | Θερμική υστέρηση | |
| dc.subject.alternative | Μεταβολές διακένων πτερυγίων-κελύφους | |
| dc.title | Transient performance simulation of an ultra high bypass ratio turbofan engine | |
| dc.title.alternative | Προσομοίωση μεταβατικής απόκρισης στροβιλοανεμιστήρων πολύ υψηλού λόγου παράκαμψης |