Ein Beitrag zur interdisziplinären Prozessintegration und automatischen Mehrzieloptimierung am Beispiel einer Verdichterrotorschaufel

A contribution for multidisciplinary process integration and automated multi-objective optimisation supporting compressor blade design

  • Im Unterschied zu den letzten Jahrzehnten müssen bei der derzeitigen und zukünftigen Verdichterauslegung die einzelnen Teilbereiche des Entwurfsprozesses wie aerodynamische Auslegung, Konstruktion und Festigkeitsanalyse, immer enger miteinander verzahnt werden. Grund dafür sind die gestellten Forderungen der Flugzeughersteller nach Triebwerksgenerationen mit, im Vergleich zu vorangegangenen Triebwerken, weniger Verbrauch und längeren Laufzeiten bzw. Wartungsintervallen. Um diese Anforderungen umsetzen zu können, werden Verdichterschaufeln entwickelt, die sich in der Regel in Form sowie aerodynamischen und strukturmechanischen Verhalten von früheren Entwürfen unterscheiden. Der dafür benötigte Entwurfsprozess soll hinsichtlich der Zeit so kurz wie möglich werden. Um die aufgezählten Punkte erfüllen zu können, ist der Einsatz von interdisziplinärer Optimierung am erfolgversprechendsten, wofür zum einen die einzelnen Teilschritte in einen automatisch ablaufenden Prozess eingebetet und zum anderen die einzelnen Entwurfskriterien erfasstIm Unterschied zu den letzten Jahrzehnten müssen bei der derzeitigen und zukünftigen Verdichterauslegung die einzelnen Teilbereiche des Entwurfsprozesses wie aerodynamische Auslegung, Konstruktion und Festigkeitsanalyse, immer enger miteinander verzahnt werden. Grund dafür sind die gestellten Forderungen der Flugzeughersteller nach Triebwerksgenerationen mit, im Vergleich zu vorangegangenen Triebwerken, weniger Verbrauch und längeren Laufzeiten bzw. Wartungsintervallen. Um diese Anforderungen umsetzen zu können, werden Verdichterschaufeln entwickelt, die sich in der Regel in Form sowie aerodynamischen und strukturmechanischen Verhalten von früheren Entwürfen unterscheiden. Der dafür benötigte Entwurfsprozess soll hinsichtlich der Zeit so kurz wie möglich werden. Um die aufgezählten Punkte erfüllen zu können, ist der Einsatz von interdisziplinärer Optimierung am erfolgversprechendsten, wofür zum einen die einzelnen Teilschritte in einen automatisch ablaufenden Prozess eingebetet und zum anderen die einzelnen Entwurfskriterien erfasst und mathematisch formalisiert werden müssen. In der vorliegenden Arbeit soll ein Weg zur interdisziplinären Prozessintegration und eine darauf aufsetzende Mehrzieloptimierung mit Kriterien aus den einzelnen Teilbereichen der Auslegung aufgezeigt werden. Dabei wird sowohl auf verschiedene Probleme näher eingegangen und Lösungsansätze aufgezeigt, als auch einzelne Auslegungskriterien vorgestellt sowie formalisiert. Der automatisierte Auslegungsprozess wird exemplarisch auf eine Verdichterrotorschaufel mit zugehörigen aerodynamischen und strukturmechanischen Kriterien angewendet. Die einzelnen Optimierungsziele stammen aus beiden Auslegungsteilbereichen und werden gleichberechtigt betrachtet, wodurch eine echte interdisziplinäre Mehrzieloptimierung zur Anwendung kommt.show moreshow less
  • In contrast to the recent years, the future compressor blade design process must be a strong combination of aerodynamic airfoil design, blade design and stress behaviour. This has been brought about by the requirement of the customers for jet engine generations with lower fuel consumption and longer maintenance intervals in comparison with former engine generations. To meet these requirements it is necessary to develop new blades, or rather blade shapes, with better aerodynamic and structural mechanical behaviour by using a faster design process. Due to the need to achieve all named issues an automated multidisciplinary integration process, which embeds all necessary design steps, as well as multi-objective optimisation, becomes more and more important. Therefore the different design criteria must be identified, covered and transferred into mathematical equations, which are useable for optimisation. The intention of this work is to show a way for multidisciplinary process integration which involves different programmes, like aIn contrast to the recent years, the future compressor blade design process must be a strong combination of aerodynamic airfoil design, blade design and stress behaviour. This has been brought about by the requirement of the customers for jet engine generations with lower fuel consumption and longer maintenance intervals in comparison with former engine generations. To meet these requirements it is necessary to develop new blades, or rather blade shapes, with better aerodynamic and structural mechanical behaviour by using a faster design process. Due to the need to achieve all named issues an automated multidisciplinary integration process, which embeds all necessary design steps, as well as multi-objective optimisation, becomes more and more important. Therefore the different design criteria must be identified, covered and transferred into mathematical equations, which are useable for optimisation. The intention of this work is to show a way for multidisciplinary process integration which involves different programmes, like a CAD-System, a FE solver and a CFD solver. A multi-objective optimisation with goals of all blade design parts is also part of this thesis. Main focuses are some problems which appear as part of the automation of the whole process and recommendations to solve them within the cur-rent design criteria are given. Both, the automated process and the optimisation are demonstrated for a typical industrial blade design process.show moreshow less

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Metadaten
Author: Otto, Dierk
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-11397
ISBN:978-3-8322-8572-2
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Bestle, Dieter
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2009
Date of final exam:2009/07/02
Release Date:2009/12/03
Tag:Datentransfer; Interdisziplinär; Mehrzieloptimierung; Prozessintegration; Verdichterauslegung
Compressor blade design; Data transfer; Multi-objective optimisation; Multidisciplinary; Process integration
GND Keyword:Axialverdichter; Optimierung
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Technische Mechanik und Fahrzeugdynamik
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / LS Technische Mechanik und Fahrzeugdynamik
Other Notes:Dissertation ist erschienen im Shaker Verlag