SURGE-RELATED AERODYNAMIC LOADS IN GAS TURBINE INLET AND BYPASS DUCT

The surge hammershock, the shock wave that follows the engine surge and moves toward the inlet of the engine, has always represented the intake worst-case scenario in terms of structural load, particularly for military jet engine; its effect has been historically taken into account through experimental or empirical approach and, since 90s, through a computational approach as well. The intake and bypass duct design of modern high-bypass ratio turbofan engine is still based on empirical correlations; therefore, this thesis looks at alternative methods for the hammershock assessment, based on a hybrid empirical and unsteady Computational Fluid Dynamic (CFD) approach. More specifically, the empirical correlations have aimed at providing the time-dependent surge boundary condition and, therefore, the core engine hammershock modelling; for the purpose of this project, the empirical correlations used are based on the “Guillotine Analogy” and on the Mazzawy’s chart. Thus, the surge wave propagation in inlet and bypass duct has been monitored, and the peak overpressure assessed through a CFD approach. In order the make this analysis reliable, a preliminary steady-state validation process has been carried out focused on three different flight conditions; this has revealed a good alignment with the Sponsor’s performance data. Then, the inlet and bypass duct peak-pressure obtained with the CFD approach has been verified with the Sponsor’s empirical approach.

L'hammershock, l'onda d'urto che si forma all'interno di un turbocompressore a seguito del pompaggio, ha sempre rappresentato la peggior condizioni di carico possibile per l'intake di un motore a getto. Gli effetti di questa onda d'urto sono stati storicamente valutati attraverso dati raccolti sperimentalmente o correlazioni empiriche e, solo a partire dagli anni 90, attraverso un approccio computazionale. La progettazione strutturale di intake e condotto di bypass di motori turbofan, in merito al fenomeno dell'hammershock, è ancora basata su correlazioni empiriche; l'obbiettivo di questa tesi è investigare la validità di un approccio ibrido basato su correlazioni empiriche e fluidodinamica computazionale. In particolare, le correlazioni empiriche hanno l'obbiettivo di simulare il pompaggio attraverso opportune condizioni al contorno; le due correlazioni empiriche utilizzate sono: "il modello ghigliottina" e la correlazione sviluppata da Mazzawy. Con queste condizioni al contorno, l'hammershock è stato monitorato, insieme ai picchi di pressione raggiunti, attraverso un opportuno modello CFD. La tesi si è sviluppata in due principale fasi: quella di validazione, in cui il modello CFD del turbofan anlizzato è stato validato in condizioni di funzionamento stazionario con i dati sperimentali forniti dalla compagnia sponsorizzatrice. In seguito, i picchi di pressione raggiunti sono stati comparati con quelli ottenibili con l'approccio empirico utilizzato dallo Sponsor.