Modelling of boundary layer ingestion for aircraft propulsion

Γεώργιος, Αθανασάκος; Georgios, Athanasakos

dc.contributor.author	Γεώργιος, Αθανασάκος	el
dc.contributor.author	Georgios, Athanasakos	en
dc.date.accessioned	2019-06-28T10:47:09Z
dc.date.issued	2019-06-28
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48922
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16755
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Οριακό στρώμα	el
dc.subject	Ηλεκτρικά κατανεμημένη πρόωση	el
dc.subject	Προωστήρες	el
dc.subject	Θεωρία παράλληλων συμπιεστών	el
dc.subject	Αεροσκάφος Ν3-Χ	el
dc.subject	BLI	en
dc.subject	Turboelectric distributed propulsion	en
dc.subject	Propulsors	en
dc.subject	Parallel compressor theory	en
dc.subject	N3-X NASA Aircraft	en
dc.title	Modelling of boundary layer ingestion for aircraft propulsion	en
dc.title	Μοντελοποίηση του φαινομένου εισρόφησης του οριακού στρώματος για πρόωση αεροσκαφών	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Αεροναυτική μηχανολογία και τεχνολογία/Αεροναυπηγική	el
heal.classification	Aeronautical technology and engineering	en
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/28c0e0f9265eb98f8c97c1d9deac29afea6d6792
heal.classificationURI	http://skos.um.es/unesco6/3301
heal.dateAvailable	2020-06-27T21:00:00Z
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-02-28
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία αποσκοπεί στην ανάλυση του φαινομένου της εισρόφησης οριακού στρώματος (BLI), προερχόμενο από το πλαίσιο του αεροσκάφους, στους κινητήρες. Για το σκοπό αυτό, στα πλαίσια της παρούσας εργασίας αναπτύχθηκε ένα μοντέλο συστήματος ηλεκτρικά κατανεμημένης πρόωσης (TeDP) με BLI βασισμένο στο αεροσκάφος N3-X της NASA. Η μοντελοποίηση πραγματοποιήθηκε στο περιβάλλον αντικειμενοστραφούς προγραμματισμού PROOSIS. Με στόχο τη διερεύνηση της επίδρασης της εισρόφησης οριακού στρώματος στις επιδόσεις του συστήματος πρόωσης του αεροσκάφους, πραγματοποιήθηκαν τόσο ανάλυση στο σημείο σχεδίασης, όσο και ανάλυση εκτός σημείου σχεδίασης. Πιο αναλυτικά, στη διπλωματική εργασία αρχικά παρουσιάζεται η διάταξη ενός συστήματος ηλεκτρικά κατανεμημένης πρόωσης, αναφέροντας τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της εφαρμογής της στην πρόωση αεροσκαφών. Πρόσθετα, το φαινόμενο της εισρόφησης οριακού στρώματος αναλύεται σε θεωρητικό επίπεδο παραθέτοντας τις επιδράσεις του στις επιδόσεις του συστήματος πρόωσης. Εν συνεχεία, παρουσιάζονται διάφορες προηγούμενες μοντελοποιήσεις αναφορικά με το φαινόμενο της εισρόφησης οριακού στρώματος σε μηχανές αεροσκαφών. Επίσης, παρουσιάζονται μέθοδοι μοντελοποίησης της ανομοιομορφίας πίεσης στην είσοδο των μηχανών. Οι συγκεκριμένες μέθοδοι βρίσκουν ευρεία χρήση στην ανάπτυξη μοντέλων εισρόφησης οριακού στρώματος σε συστήματα πρόωσης. Στα πλαίσια της εργασία αυτής επιλέχθηκε η θεωρία παράλληλων συμπιεστών (Parallel Compressor Theory), καθώς αποτελεί μια από τις βασικότερες προσεγγίσεις του φαινομένου αυτού. Έπειτα, αναπτύσσεται ένα μοντέλο συμπιεστή με ανομοιομορφία ολικής πίεσης στην είσοδο, με σκοπό την εκτίμηση της επίδρασης της ανομοιομορφίας, τόσο στις επιδόσεις του συμπιεστή όσο και στην διατήρηση της ευσταθούς λειτουργίας του. Κατόπιν, δημιουργείται το συνολικό μοντέλο ενός προωστήρα, συνδυάζοντας το μοντέλο του συμπιεστή, έναν κατάλληλο αγωγό εισόδου που μπορεί να διαχειριστεί την εισρόφηση του οριακό στρώματος και ένα τυπικό συγκλίνων ακροφύσιο. Τέλος το παραπάνω μοντέλο συμπληρώνει ένα ήδη υπάρχων μοντέλο συστήματος ηλεκτρικά κατανεμημένης πρόωσης, το οποίο έχει αναπτυχθεί σε προηγούμενη διπλωματική εργασία. Το τελικό μοντέλο του συστήματος πρόωσης μπορεί να διαχειριστεί την εισρόφηση του οριακού στρώματος. Το συνολικό μοντέλο όπως και τα επιμέρους τμήματά του αξιολογήθηκαν τόσο με πειραματικά δεδομένα όσο και με αντίστοιχα αποτελέσματα μοντέλων άλλων ερευνητών που είναι διαθέσιμα στην ανοιχτή βιβλιογραφία. Ενδεικτικά οι αποκλίσεις του τρέχοντος μοντέλου συμπιεστή κυμαίνονται σε τιμές κοντά στο 0.6% για τον λόγο πίεσης και 3.1% για τον βαθμό απόδοσης σε σύγκριση με αντίστοιχο μοντέλο, ενώ σε σύγκριση με αποτελέσματα CFD οι αποκλίσεις είναι ακόμα μικρότερες της τάξης του 0.34% και 1.1% αντίστοιχα. Με βάση το αναπτυχθέν μοντέλο πραγματοποιήθηκαν μελέτες τόσο στο σημείο σχεδίασης όσο και εκτός σημείου σχεδίασης του αεροσκάφους N3-X. Το σύστημα πρόωσης σχεδιάστηκε σε λόγο πίεσης ανεμιστήρα (FPR) 1.3 και λόγο πίεσης ακροφυσίου αεριοστροβίλου 1.4, δίνοντας ένα TSR της τάξης του 95.6%. Το TSFC μειώνεται κατά 11.4% και ο προωθητικός βαθμός απόδοσης αυξάνεται κατά 2.765% εξαιτίας του BLI. Οι τιμές αυτές συμφωνούν με τις προβλέψεις της βιβλιογραφίας. Η ανάλυση στο σημείο σχεδίασης για διαφορετικά FPR έδειξε ότι το TSFC αυξάνει σε υψηλά FPR ενώ το βέλτιστο TSR για διαφορετικά FPR είναι πάντα πάνω από 90%. Τέλος συμπεραίνεται ότι η βέλτιστη θέση της διάταξης των προωστήρων είναι στο πίσω μέρος της ατράκτου όπου το σχηματιζόμενο οριακό στρώμα είναι μεγαλύτερο.	el
heal.abstract	The purpose of the current diploma thesis is to develop a model of Turboelectric Distributed Propulsion (TeDP) system with Boundary Layer Ingestion (BLI) in order to investigate the impact of BLI on propulsion system performance and finally quantify the BLI benefits in terms of fuel consumption and propulsive efficiency. At first, the TeDP systems and the BLI phenomenon are analyzed at theoretical level. The advantages and disadvantages of enabling them in aircraft propulsion systems are also presented. In addition, the N3-X aircraft is described and analyzed since the model developed in this thesis is based on it. After that, previous works on BLI and inlet distortion modelling are presented. Main emphasis is given on Parallel Compressor Theory because it is one of the most basic approaches followed in order to estimate the BLI effects on engine stability and operability. Following, a model of a distorted inlet compressor is created and then is used in order to develop a model of BLI propulsor. Finally, the BLI propulsor model is added in an already existed model of TeDP system and so a model of TeDP system with BLI is finally developed. Both models are validated using model predictions and experimental data from open literature. Also, several studies in both design and off-design analysis are performed. The entire modelling procedure is carried out in PROOSIS. It is observed that the model of distorted inlet compressor is characterized by 0.6% and 3.1% deviations in predicted pressure ratio and efficiency respectively, compared to calculation results made by models using the Parallel Compressor Theory. Also, the model of distorted inlet compressor is compared to CFD results for further validation in which 0.34% deviation was observed in pressure ratio and 1.1% in efficiency. At next, the propulsion system model was designed at ADP with propulsor fan design pressure ratio of 1.3 and turboshaft nozzle pressure ratio of 1.4 giving a thrust split ratio of 95.6%. TSFC is also predicted with 1% deviation compared to similar predictions of open literature. TSFC is reduced by 11.4% and the propulsive efficiency is increased by 2.765% due to BLI. A design point analysis of FPR showed that TSFC increases in higher FPRs, while the most preferable TSR is above 90%. The design point analysis also showed that the propulsors array location is more beneficial to be mounted as closer as possible to the trailing edge of the BWB configuration, due to higher gains in TSFC and propulsive efficiency. Finally, an off-design analysis of total net thrust at ADP is carried out which showed that the low pressure compressor of the turboshaft and the propulsor fan tend to operate close to their surge lines for low thrust levels.	en
heal.advisorName	Νικόλαος, Αρετάκης	el
heal.advisorName	Nikolaos, Aretakis	en
heal.committeeMemberName	Κωνσταντίνος, Μαθιουδάκης	el
heal.committeeMemberName	Konstantinos, Mathioudakis	en
heal.committeeMemberName	Κυριάκος, Γιαννάκογλου	el
heal.committeeMemberName	Kyriakos, Giannakoglou	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ρευστών. Εργαστήριο Θερμικών Στροβιλομηχανών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	194 σ.
heal.fullTextAvailability	true