Οικογένειες Αεριοστροβίλων Κοινού Πυρήνα (Common Core Aero-engines)

Εισαγωγή

Η ανάπτυξη ενός προγράμματος αεριοστροβίλου από μηδενική βάση, μπορεί να αποδειχθεί εγχείρημα ύψους αρκετών δισεκατομμυρίων δολαρίων άρα και υψηλού ρίσκου [1]. Η υλοποίησή του καθορίζεται αρχικά, από τρεις βασικούς παράγοντες: τον χρόνο, το κόστος και την απόδοση [2]. Εάν ο στόχος είναι η καλύτερη δυνατή απόδοση, ανεξαρτήτως κόστους, τότε προτιμάται η σχεδίαση ενός νέου κινητήρα αλλά αυτή η προσέγγιση σπάνια υλοποιείται από τις κατασκευάστριες εταιρίες αεροπορικών κινητήρων. Αντίθετα, εάν ο χρόνος παράδοσης είναι κρίσιμος και κάποιοι συμβιβασμοί στις επιδόσεις μπορούν να γίνουν αποδεκτοί, τότε η ανάπτυξη ενός αεριοστροβίλου με βάση κάποιον που ήδη βρίσκεται σε παραγωγή και χρησιμοποιείται, μπορεί να αποτελέσει  τη βέλτιστη  λύση [3].

Στο πλαίσιο αυτό, οι κατασκευάστριες εταιρίες αεροπορικών κινητήρων μελετάνε την επιλογή χρήσης ενός γεωμετρικά σταθερού ή παρόμοιου πυρήνα (engine core) σε μια οικογένεια κινητήρων (engine family), προσέγγιση η οποία επιτρέπει την κατανομή του επενδυτικού ρίσκου σε μεγαλύτερη γκάμα προϊόντων [4]. Ο πυρήνας ενός αεριοστρόβιλου θέτει τα πιο απαιτητικά και υψηλού κόστους προβλήματα ανάπτυξης, λόγω τόσο των υψηλών θερμοκρασιών όσο και των επιπέδων καταπόνησης [5]. Ο πυρήνας αποτελείται από το σύστημα υψηλής πίεσης (HP), δηλαδή τον συμπιεστή υψηλής πίεσης (HPC), τον θάλαμο καύσης, τον στρόβιλο υψηλής πίεσης (HPT) και τους ενδιάμεσους αγωγούς, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1 για έναν τυπικό στροβιλοανεμιστήρα (turbofan) δύο αξόνων [3].

 

Βασικές αρχές σχεδίασης οικογένειας κινητήρων κοινού πυρήνα

Οι κινητήρες κοινού πυρήνα σχεδιάζονται για να πληρούν διάφορες προδιαγραφές. Ειδικά σε ό,τι αφορά τους στροβιλοανεμιστήρες που χρησιμοποιούνται σε πολιτικά αεροσκάφη, οι προδιαγραφές αυτές συνήθως αποτελούνται από το επιθυμητό επίπεδο ώσης (thrust),  την βέλτιστη ειδική κατανάλωση καυσίμου (SFC), καθώς και τις απολήψεις αέρα (air bleeds) αλλά και ισχύος για τα υποσυστήματα του αεροσκάφους. Παρόλο που ο εκάστοτε σχεδιαστής έχει συνήθως μια γενική εικόνα για το εύρος του επιπέδου ώσης που πρέπει να καλύπτει ο υπό ανάπτυξη κινητήρας, ώστε να προσελκύσει περισσότερους πελάτες, η πρόβλεψη των πιθανών μελλοντικών απαιτήσεων των επιδόσεων του κινητήρα εξακολουθεί να αποτελεί ένα ιδιαίτερα δύσκολο εγχείρημα. Οι προβλέψεις αυτές, οι οποίες περιλαμβάνουν επίσης και τη γεωμετρία του κινητήρα, τα επίπεδα θορύβου, τις εκπομπές επιβλαβών αερίων, όπως οι εκπομπές NOx, πρέπει να γίνονται κατά την αρχική ανάπτυξη ενός επιτυχημένου προγράμματος. Επιπλέον, οι μελλοντικές τεχνολογικές εξελίξεις (technology infusion) πρέπει να ληφθούν υπόψη για τις πιθανές εφαρμογές του υπό ανάπτυξη κινητήρα σε βάθος χρόνου [4].

Ο πρωταρχικός ρόλος του πυρήνα ενός κινητήρα είναι η παραγωγή ισχύος, μέσω της προσθήκης ενέργειας στο αέριο που τον διαρρέει, ώστε να παράξει έργο. Στη συνέχεια, το αέριο καθώς εξέρχεται του πυρήνα, εκτελεί έργο στον στρόβιλο χαμηλής πίεσης προκειμένου να παράξει ισχύ για τον συμπιεστή χαμηλής πίεσης (LPC), εφόσον υπάρχει, αλλά και για τον ανεμιστήρα (fan).

Το μεγαλύτερο μέρος της ώσης που επιτυγχάνεται από έναν κινητήρα υψηλού λόγου παράκαμψης (bypass ratio), παράγεται από το ρεύμα παράκαμψης, το οποίο συμπιέζεται από τον ανεμιστήρα και διαστέλλεται στο ακροφύσιο παράκαμψης, αυξάνοντας την ταχύτητα ροής και επομένως την ορμή του ρεύματος παράκαμψης. Ο πυρήνας του κινητήρα πρέπει να διαστασιολογηθεί έτσι, ώστε να μπορεί να παρέχεται επαρκής ενέργεια στον στρόβιλο χαμηλής πίεσης, η οποία επιτρέπει στον κινητήρα να επιτυγχάνει τα επιθυμητά επίπεδα ώσης, παραμένοντας εντός των προβλεπόμενων ορίων θερμοκρασίας.

Τα προγράμματα ανάπτυξης κινητήρων που βασίζονται σε κοινό πυρήνα, ακολουθούν κατά κανόνα μία από τις ακόλουθες παραλλαγές [3]:

• Γεωμετρικά σταθερός πυρήνας (Geometrically-fixed core): Ο πυρήνας που χρησιμοποιείται στις διάφορες παραλλαγές του κινητήρα (engine variants) της ίδιας οικογένειας, έχει σταθερή γεωμετρία με πιθανές αλλαγές στην παραγόμενη ώση και στο σημείο λειτουργίας.
• Κοινός ή γεωμετρικά παρόμοιος πυρήνας (Common or geometrically-similar core): Ο πυρήνας που χρησιμοποιείται στις διάφορες παραλλαγές του κινητήρα της ίδιας οικογένειας έχει τροποποιημένη σχεδίαση, με πιθανές αλλαγές στη γεωμετρία, στην παραγόμενη ισχύ και στη θερμοκρασία, σύμφωνα πάντα με συγκεκριμένους κανόνες σχεδίασης, ώστε να διασφαλίζεται η ομοιοτυπία (core commonality).

 

Μεθοδολογία σχεδίασης οικογένειας κινητήρων κοινού πυρήνα

Το βασικό πλαίσιο της μεθοδολογίας σχεδίασης μιας οικογένειας κινητήρων κοινού πυρήνα απεικονίζεται στο Σχήμα 2, όπου περιγράφονται τα πέντε στάδια που απαρτίζουν τη διαδικασία επιλογής [3].

 

Αρχικά, η ανάλυση της αγοράς πραγματοποιείται με μια στρατηγική τμηματοποίησής της, για να διευκολυνθεί ο εντοπισμός των κενών, που είναι ζωτικής σημασίας για την αρχική εκτίμηση του είδους των αναγκών που θα κληθεί να καλύψει μια νέα οικογένεια κινητήρων, ώστε να καθοριστεί η βάση στην οποία θα ξεκινήσει η ανάπτυξή της.

Στη συνέχεια, η αρχική αυτή εκτίμηση μπαίνει σε πιο συγκεκριμένο πλαίσιο, με τον καθορισμό των μεταβλητών σχεδίασης, των περιορισμών και των στόχων, καθώς και τον καθορισμό εν ενέργεια κινητήρων που θα λειτουργήσουν ως σημείο αναφοράς και σύγκρισης. Το στάδιο αυτό προκαθορίζει το επίπεδο ομοιότητας για τις παραλλαγές του κινητήρα που θα προκύψουν και βασίζεται στις εναλλακτικές σχεδιάσεις και στους περιορισμούς που ανακύπτουν, κατά τον αυστηρότερο καθορισμό του πλαισίου της υπό ανάπτυξη οικογένειας κινητήρων. Σε γενικές γραμμές, ένα πρόγραμμα ανάπτυξης μιας νέας οικογένειας κινητήρων κοινού πυρήνα, μπορεί να βασιστεί στις ακόλουθες τέσσερις αρχές:

• Βασική σχεδίαση πυρήνα. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί πυρήνας σταθερής ή παρόμοιας γεωμετρίας. Πυρήνας σταθερής γεωμετρίας επιλέγεται όταν δεν απαιτείται επιπλέον ροή εντός του πυρήνα για να καλυφθούν απαιτήσεις ή περιορισμοί που προκύπτουν από τις διαφορετικές εφαρμογές. Αντιθέτως, όταν αναμένεται να απαιτηθεί περισσότερη ισχύς από τον πυρήνα (υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας ή/και αυξημένη ροή εντός του πυρήνα) σε κάποιες εφαρμογές, επιλέγεται πυρήνας παρόμοιας και όχι σταθερής γεωμετρίας, με την προϋπόθεση τήρησης συγκεκριμένων κανόνων σχεδίασης ώστε να διασφαλιστεί η ομοιότητα του πυρήνα.

• Σχεδίαση συστήματος χαμηλής πίεσης (LP). Τα μέρη του αεριοστροβίλου που συνδέονται με τον άξονα χαμηλής πίεσης, αποτελούν σημαντικό κομμάτι της σχεδίασης κινητήρων κοινού πυρήνα, καθώς η σχεδίαση τους προσαρμόζεται πάντα στις απαιτήσεις ώσης ή ισχύος για την εκάστοτε παραλλαγή της οικογένειας κινητήρων. Η σχεδίαση αυτών των τμημάτων μπορεί να παραμείνει σταθερή ή να επανακαθοριστεί πλήρως, χωρίς να χρειάζεται να ακολουθούνται κανόνες εξασφάλισης ομοιότητας. Στην περίπτωση ελικοστροβίλου (turboprop), ο LPT αντικαθίσταται από ελεύθερο στρόβιλο (FPT).

• Τεχνολογικό επίπεδο. Το επίπεδο τεχνολογίας του πυρήνα του κινητήρα και του συστήματος χαμηλής πίεσης, μπορεί να ποικίλλει μεταξύ κινητήρων της ίδιας οικογένειας. Οι επιμέρους αποδόσεις των τμημάτων και οι θερμοκρασίες μετάλλου του στροβίλου, αποτελούν αντιπροσωπευτικές παραμέτρους για την προσαρμογή των επιπέδων τεχνολογίας, ανάλογα με το προβλεπόμενο χρονικό πλαίσιο ένταξης σε χρήση (Entry into Service).

• Συνολική αρχιτεκτονική του κινητήρα. Μπορεί να εφαρμοστεί είτε μια σταθερή είτε μια τροποποιημένη διάταξη. Στα πιo συντηρητικά προγράμματα οικογενειών κινητήρων, η αρχιτεκτονική των κινητήρων της ίδιας οικογένειας παραμένει σταθερή (είτε αποκλειστικά στροβιλοανεμιστήρες είτε ελικοστρόβιλοι), διατηρώντας τον ίδιο αριθμό αξόνων. Υπάρχουν μελέτες, ωστόσο, όπου ένας κοινός πυρήνας μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διαφορετικές αρχιτεκτονικές κινητήρων, όπως στην περίπτωση της οικογένειας κινητήρων CFM56, η οποία ξεκίνησε από έναν πυρήνα αεριοστροβίλου στρατιωτικής εφαρμογής.

 

Στο τρίτο στάδιο, διατυπώνεται με σαφήνεια το πρόβλημα σχεδίασης της οικογένειας προϊόντων ενδιαφέροντος (αεριοστροβίλων), με τη βοήθεια μιας υποστηρικτικής πλατφόρμας λήψης αποφάσεων. Λαμβάνονται υπόψη πιθανές αβεβαιότητες (uncertainties) σχετικά με τις απαιτήσεις σχεδίασης, τους στόχους και τη ζήτηση της αγοράς. Έπειτα, στο πλαίσιο της πλατφόρμας αυτής, πρέπει να ενσωματωθούν εξελιγμένα και γρήγορα εργαλεία προσομοίωσης σχεδίασης κινητήρων, για την υλοποίηση των υπολογιστικά αποδοτικότερων σχεδιάσεων των επιθυμητών παραλλαγών κινητήρων [6].

Για το τελικό στάδιο παρουσιάζονται δύο επίπεδα αξιολόγησης. Στο πρώτο επίπεδο αξιολογείται κάθε παραλλαγή κινητήρα σε σχέση με τους μεμονωμένα βελτιστοποιημένους κινητήρες που έχουν ληφθεί ως σημεία αναφοράς (βλ. στάδιο 2). Στο δεύτερο επίπεδο επιχειρείται μια ολιστική αξιολόγηση της οικογένειας κινητήρων, εντοπίζοντας τους συμβιβασμούς που προκύπτουν μεταξύ της απαίτησης ομοιοτυπίας (το οποίο σημαίνει άμεση παραγωγή και ένταξη στην αγορά με μειωμένο κόστος) και των απαραίτητων συμβιβασμών στις επιδόσεις.

 

Επισκόπηση επιτυχημένων προγραμμάτων και συμπεράσματα

Τέλος, ως χαρακτηριστικά παραδείγματα, παρουσιάζονται δύο από τα πιο επιτυχημένα προγράμματα οικογενειών κινητήρων στην ιστορία της αεροπλοΐας για διατάξεις στροβιλοανεμιστήρων και ελικοστροβίλων – οι οικογένειες κινητήρων CFM56 και PT6, αντίστοιχα. 

 

 

Τα Σχήματα 3 και 4 απεικονίζουν τα σχέδια ανάπτυξης των κινητήρων CFM56 και PT6, σε μια ποιοτική συσχέτιση των επιπέδων τεχνολογίας του πυρήνα σε συνάρτηση με το έτος ένταξή τους σε χρήση και επισημαίνονται τα βασικά χαρακτηριστικά κάθε παραλλαγής.

 

Τα διδάγματα που αντλήθηκαν και από τα δύο αυτά προγράμματα, αποτελούν πολύτιμη εμπειρία αλλά και οδηγό για μελλοντικές εφαρμογές και μπορούν να συνοψιστούν σε δύο βασικά σημεία [3]:

• Διεξοδική ανάλυση της αγοράς και εντοπισμός πιθανών κενών που θα παρουσιαστούν βραχυπρόθεσμα και μακροπρόθεσμα και
• Εξελιγμένα ευέλικτα σχέδια κινητήρων λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι η απλότητα στη σχεδίαση εξασφαλίζει και αξιοπιστία.

 

Βιβλιογραφικές Αναφορές

1. Kurzke, J., and Halliwell, I., 2018, Propulsion and Power: An Exploration of Gas Turbine Performance Modeling, Springer, Cham, Switzerland.
2. Dix, D., and Gissendanner, D., 1985, “Derivative Engines Versus New Engines: What Determines the Choice?,” ASME J. Eng. Gas Turbines Power, 107(4), pp. 808–814.
3. Kavvalos, M., Kyprianidis, K., and Padulo, M., 2024, “The Growth Engine Concept and Its Potential for an Electrified Aviation Future,” ASME J. Eng. Gas Turbines Power, 146, pp. 070901-1–070901-17.
4. Sands, J. S., 2015, “Robust Design Methodology for Common Core Gas Turbine Engines,” Ph.D. thesis, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA.
5. Saravanamuttoo, H., Rogers, G., and Cohen, H., 2001, Gas Turbine Theory, Pearson Education, Harlow, England.
6. Kyprianidis, K., 2017, “An Approach to Multi-Disciplinary Aero Engine Conceptual Design,” International Symposium on Air Breathing Engines, ISABE 2017, Manchester, UK, Sept. 3–8, Paper No. ISABE-2017-22661.
7. Lehmann, E., 1980, “Multiple Application Core Engine: Sizing and Usage Criteria,” J. Aircr., 17(11), pp. 802–809.
8. Bradbrook, S. J., 2004, “Common Solutions to Commercial and Military Propulsion Requirements,” Proceedings of the 24th ICAS Congress, Yokohama, Japan, Online, Paper No. 2004-6.4.1.