TY - THES A1 - Extra, Simon Karl T1 - Ein Beitrag zur ganzheitlichen Optimierung in der Kerntriebwerksvorauslegung T1 - A contribution to holistic optimization in core engine design N2 - Die etablierte Methode der Kerntriebwerksvorauslegung, die den Pfad immer größerer Komplexität und Abbildungsgenauigkeit bei abnehmender Abstimmung und Interaktion zwischen den Komponenten des Kerntriebwerks beschreitet, kann eine Systemverbesserung nicht zuverlässig herbeiführen. Dabei beginnt die Betrachtung des zu entwerfenden Triebwerks mit einer Gesamtbetrachtung und wird anschließend an weitgehend getrennte Expertengruppen übergeben. In diesen wird dann mit Auslegungswerkzeugen steigenden Detailgrads von analytischen Rechnungen mit empirischer Unterstützung über Stromlinienkrümmungsverfahren hin zu 3D-CFD-Methoden der Entwurf durchgeführt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Entwurfsprozess für das Kerntriebwerk weg von einer Optimierung einzelner Komponenten mit detaillierten Methoden hin zu einer ganzheitlichen Betrachtung der Qualität des Entwurfs zu führen. Dies überwindet die oben beschriebenen Einschränkungen in der Auslegung und ist trotzdem in der Lage, auf bestehende validierte Analysewerkzeuge zurückzugreifen. Dazu werden die dafür genutzten Kopplungsstrategien einer vergleichenden Untersuchung mithilfe eines analytischen Kerntriebwerksmodells unterzogen. Dabei wird die Wichtigkeit einer leistungsfähigen Kopplungsstrategie in Verbindung mit einem passenden Optimierungsalgorithmus dargestellt. Dies führt nicht nur zu einer Verbesserung der Ergebnisqualität, sondern ermöglicht oftmals erst den Einsatz kooperativer Methoden. Ein Verfahren mit stochastischem Sampling und der Nutzung von Antwortflächen wird in diesem Kontext erläutert und weiterentwickelt. Den Schnittstellen zwischen den Komponenten und ihrer Definition, Abbildung und Beeinflussung durch das Optimierungsverfahren kommt dabei entscheidende Bedeutung zu. Auf Basis dieses Vergleichs werden auf industriellen Methoden basierende Komponentenprozesse für die Analyse und Optimierung von Verdichter, Brennkammer und Turbine auf ihre Eignung im Rahmen einer ganzheitlichen Optimierung hin zunächst untersucht und dann angepasst. Die evaluierten Kopplungsstrategien und die angepassten Komponentenoptimierungsprozesse werden in einen Systemoptimierungsprozess überführt. Dazu wird die gewählte Kopplungsstrategie hierfür angepasst und demonstriert nach der Optimierung eine Verbesserung hinsichtlich der Systemzielfunktion, wodurch die Anwendbarkeit von kooperativen Auslegungsmethoden im industriellen Kontext gezeigt wird. N2 - The state-of-the-art method for the preliminary design of aero engines uses the path of increasing complexity and details while decreasing interaction and interdependence of the components of the core engine. This method is not able to provide a meaningful improvement of the overall system performance. Whilst the initial steps of the engine design are deeply integrated, the current method steps away from that and gives design decisions to separate groups of experts, where methods with ever-increasing level of detail are applied to design. This covers analytical tools with correction factors taken from empirical methods Meanline analysis methods as well as 3D-CFD methods. The objective of the present work is to move the design process for the core engine away from an optimization of isolated components towards a holistic approach assessing the overall system quality. This allows the designer to overcome the limitations described above whilst retaining the knowledge inherent to established design methods. The used coupling strategies are, therefore, applied to an analytical representation of a core engine model and compared. This shows the importance of finding the right coupling strategy in conjunction with an appropriate optimization strategy. It not only improves the results but may be the key to using a specific coupling method in the first place. A method using stochastic sampling in combination with response surfaces is described in detail and expanded. The interfaces between components are a major focus and are important with respect to their definition, representation and modification. Based on this, industrial methods for the analysis and optimization of compressor, combustor and turbine are checked for their performance and modified accordingly. A system optimization process is created using the coupling methods and system processes discussed earlier. The chosen coupling strategy is modified and shows its potential to improve the system goal function during the optimization process. This shows the validity of using cooperative design methods in the context of industrial aero engine design. KW - Luftfahrtantriebe KW - Kerntriebwerk KW - Antwortflächen KW - Vorauslegung KW - Kopplungsstrategien KW - Aero engines KW - Core engine KW - Response surfaces KW - Pre-design KW - Coupling methods KW - Flugtriebwerk KW - Entwurf KW - Optimierung KW - Komplexes System KW - Bemessung Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-71459 ER -