Gradient-based aerodynamic optimization of a splittered turbine vane frame through the adjoint method

This work presents a 2D optimization of a splittered Turbine Vane Frame, a particular component of new turbofan engines which, used in combination with the Intermediate Turbine Diffuser, allows to guide the flow from the High Pressure turbine to the Low Pressure turbine. Current designs have a mid turbine duct equipped with non-lifting bodies, which have structural and servicing functions. The novel configuration is instead characterized by an upstream shift of the Low Pressure stator vanes, now located amid the long-chord aerodynamically-loaded struts. This design architecture consists therefore of a multi-body nozzle row, where Low Pressure splitters and struts coexist. It is typically referred to as Integrated Concept. Considerable advantages of the investigated layout are the reduction in total pressure losses, the shortening of the shafts and the decrease in weight. However, the bulky struts cause significant losses, penalize the aerodynamics of the small vanes and have a decisive impact on the overall weight of the component: broad margins for improvement have been assessed. In the thesis, the geometry of the splittered Turbine Vane Frame is numerically optimized by means of a gradient-based algorithm coupled with the Adjoint method; this enables to have avery rich design space. Three optimization campaigns are carried out, each of them introducing improvements for critical aspects: aerodynamic losses, weight and off-design behaviour. Every campaign investigates three topologically different layouts: the number of splitters in between two adjacent struts varies from one to three. Steady-state CFD simulations have been used to this end. The aim of this study is eventually to find the best geometry for the Turbine Vane Frame, which is subject to several aerodynamic and structural constraints. Results evaluate the potential improvements introduced by the optimized geometry, quantify the influence of the different design parameters on the total pressure losses and weight and, finally, assess the most suitable design.

Questo lavoro presenta un’ottimizzazione 2D di un Turbine Vane Frame in configurazione multi-splitter, un componente particolare della nuova generazione di motori aeronautici turbofan che, usato in combinazione con l’Intermediate Turbine Diffuser, permette di guidare la corrente fluida dalla turbina di alta pressione a quella di bassa pressione. L’architettura attuale prevede un condotto inter-turbina in cui vengono inseriti corpi aerodinamicamente scarichi con funzione strutturale e di servizio per il passaggio di cavi elettrici per la strumentazione e di tubi per olio/aria di raffreddamento. La configurazione oggetto di questa tesi si caratterizza per una traslazione verso monte, all’interno dell’Intermediate Turbine Diffuser, della prima schiera statorica della turbina di bassa pressione, le cui pale si trovano ora ad inframezzare i vani strutturali, tipicamente a corda ampia e, contrariamente alla versione tradizionale, aerodinamicamente carichi. Questa soluzione consiste di una schiera multi-corpo, in cui pale di bassa pressione (splitter) coesistono con corpi tozzi a funzione strutturale (strut). Viene generalmente denominata come Integrated Concept. L’architettura in questione risulta particolarmente vantaggiosa rispetto a quella tradizionale per via di una riduzione delle perdite di pressione totale, per la possibilità di contenere l’ingombro assiale dell’albero e per una diminuzione di pesi. Ciononostante, le pale strutturali introducono perdite non trascurabili, penalizzano l’aerodinamica degli splitter e hanno un impatto considerevole sul peso complessivo del componente: esistono, in definitiva, ampi margini di miglioramento. In questa tesi la geometria del Turbine Vane Frame in configurazione multi-splitter viene ottimizzata numericamente tramite un algoritmo gradient-based accoppiato con il metodo delle equazioni aggiunte per il calcolo del gradiente; l’utilizzo di quest’ultima tecnica permettere di sfruttare uno spazio delle variabili di progetto molto ampio. Nel qui presente lavoro, vengono portate a termine tre campagne di ottimizzazione, ognuna delle quali vede l’introduzione di particolari accorgimenti per far fronte ad aspetti ritenuti critici: le perdite aerodinamiche, il peso e le prestazioni in condizioni di fuori-progetto. Ogni campagna studia tre layout topologicamente diversi: il numero degli splitter fra due vani strutturali consecutivi viene variato da uno a tre. Scopo di questo progetto è trovare la miglior geometria per il Turbine Vane Frame, che rispetti i vincoli aerodinamici e strutturali imposti. I risultati vagliano i potenziali miglioramenti portati da una geometria ottimizzata, quantificano l’influenza dei parametri principali su perdite e peso e, infine, cercano di stabilire la configurazione migliore.