Generalized fan stage loss model

Abstract

The aerodynamic performance of the fan stage in modern civil turbofan engines is crucial for thrust generation, fuel efficiency, and operational stability. Conventional loss models, however, are often limited in their ability to predict behavior under transonic and off-design conditions, such as stall, choke, or non-standard operating regimes. In contrast, high-fidelity approaches such as CFD-based geometrical models can capture these effects in detail, but at the cost of significant computational effort and a large number of independent parameters, which limits their applicability in early design phases and system-level studies. Existing simplified approaches, including classical throughflow-based models, offer improved computational efficiency but often rely on empirical correlations with restricted validity and limited physical transparency. This lack of generality and interpretability restricts their use in design optimization and accurate performance estimation, particularly for unconventional configurations or adverse operating conditions. Therefore, the objective of this work is to develop a generalized fan stage loss model that remains simple, requires a low number of independent parameters, and preserves physical insight while being sufficiently flexible to accurately represent both design and off-design operating regimes. This thesis develops a generalized fan stage loss model that integrates mean line analysis with empirically validated loss correlations for profile, end wall, and shock phenomena. A systematic methodology is implemented to capture off-design flow behavior, estimate efficiency and pressure ratio, and identify stall and choke limits. The model is designed to reduce dependency on case-specific parameters while preserving physical interpretability. MATLAB-based routines are employed to construct performance maps, evaluate radial loss distributions, and conduct sensitivity analyses with respect to hub-to-tip ratio and Mach number variations. Validation against experimental data and high-fidelity simulations demonstrates that the proposed model successfully predicts performance trends across a broad operational envelope. The results confirm the accuracy of pressure ratio and efficiency estimations while capturing stall and choke boundaries with improved robustness compared to existing models. This work contributes a versatile framework for fan stage performance prediction, supporting flexible design exploration and paving the way for future extensions to multi-stage and three-dimensional CFD-based analyses.

Die aerodynamische Leistung der Fan-Stufe in modernen zivilen Turbofan-Triebwerken ist entscheidend für Schuberzeugung, Treibstoffeffizienz und Betriebssicherheit. Konventionelle Verlustmodelle sind jedoch oft nur eingeschränkt in der Lage, das Verhalten unter transsonischen und Nichtauslegungsbedingungen wie Stall, Choke oder ungewöhnlichen Betriebsregimen vorherzusagen. Diese mangelnde Allgemeinheit und physikalische Interpretierbarkeit begrenzt ihre Anwendbarkeit bei der Optimierung des Designs und der genauen Leistungsschätzung,insbesondere bei ungewöhnlichen Konfigurationen oder unter schwierigen Umgebungsbedingungen. Daher wird ein robusteres und flexibleres Modellierungsframework benötigt.In dieser Arbeit wird ein verallgemeinertes Verlustmodell für die Fan-Stufe entwickelt, das Mittelachsenrechnung mit empirisch validierten Verlustkorrelationen für Profilverluste, Seitenwandverluste und Stoßverluste kombiniert. Eine systematische Methodik wird eingesetzt, um das Strömungsverhalten außerhalb des Auslegungspunktes zu erfassen, Wirkungsgrad und Druckverhältnis zu bestimmen sowie Stall- und Choke-Grenzen zu identifizieren. Das Modell ist darauf ausgelegt, die Abhängigkeit von fallspezifischen Parametern zu verringern und gleichzeitig die physikalische Interpretierbarkeit zu bewahren. MATLAB-basierte Routinen dienen der Erstellung von Kennfeldern, der Bewertung radialer Verlustverteilungen und der Durchführung von Sensitivitätsanalysen in Bezug auf Naben-Spitzen-Verhältnis und Machzahl. Die Validierung anhand experimenteller Daten und hochaufgelöster Simulationen zeigt, dass das vorgeschlagene Modell Leistungstrends über ein breites Betriebsspektrum hinweg zuverlässig vorhersagt. Die Ergebnisse bestätigen die Genauigkeit der Schätzungen von Druckverhältnis und Wirkungsgrad und erfassen gleichzeitig Stall- und Choke-Grenzen mit höherer Robustheit als bestehende Modelle. Diese Arbeit liefert somit ein vielseitiges Framework für die Leistungsprognose von Fan-Stufen, unterstützt flexible Entwurfsstudien und eröffnet Perspektiven für zukünftige Erweiterungen auf mehrstufige und dreidimensionale CFD-Analysen.