Process integration and automated multi-objective optimization supporting aerodynamic compressor design

Prozessintegration und automatisierte Mehrkriterien-Optimierung zur Unterstützung des aerodynamischen Verdichterentwurfs

  • Nowadays industrial aerodynamic compressor design is based on mature computer programs developed during several decades. State of the art is to split the complex design process into subsequent design subtasks which are solved by different experts via time-consuming parameter studies. Isolated design of subproblems based on human intuition, however, will result in sub-optimal solutions only. Due to the increasing demand on higher aero engine performance and design cycle time reduction the aspects of process integration and automation as well as numerical optimization become more and more important in today’s aerodynamic compressor design. The intention of this work is to show how process integration and optimization can be used efficiently to support engineering design work in optimal solution finding. Since the aerodynamic compressor design is characterized by many design parameters, multiple constraints and contradicting objectives, multi-objective optimization is used to find Pareto-optimal solutions from which the design engineerNowadays industrial aerodynamic compressor design is based on mature computer programs developed during several decades. State of the art is to split the complex design process into subsequent design subtasks which are solved by different experts via time-consuming parameter studies. Isolated design of subproblems based on human intuition, however, will result in sub-optimal solutions only. Due to the increasing demand on higher aero engine performance and design cycle time reduction the aspects of process integration and automation as well as numerical optimization become more and more important in today’s aerodynamic compressor design. The intention of this work is to show how process integration and optimization can be used efficiently to support engineering design work in optimal solution finding. Since the aerodynamic compressor design is characterized by many design parameters, multiple constraints and contradicting objectives, multi-objective optimization is used to find Pareto-optimal solutions from which the design engineer can choose trade-offs for his particular design problem. The improvements in terms of process acceleration and design optimization are demonstrated for three selected, but typical industrial engineering design tasks required in three different design phases of the aerodynamic compressor design process, namely preliminary design, throughflow off-design, and blading procedure.show moreshow less
  • Der aerodynamische Verdichterentwurf wird heutzutage in der Industrie mit Hilfe von ausgereiften Computerprogrammen durchgeführt, die über Jahrzehnte entwickelten wurden. Stand der Technik ist es, den komplexen Entwurfsprozess in mehrere einzelne Entwurfsaufgaben aufzuteilen, welche durch zeitaufwändige Parameterstudien von unterschiedlichen Experten gelöst werden. Ein isolierter Entwurf basierend auf menschlicher Intuition führt jedoch nur zu sub-optimalen Lösungen. Auf Grund der ansteigenden Anforderung an die Leistung eines Flugtriebwerks und der Reduzierung der Entwicklungszeiten gewinnen die Aspekte der Prozessintegration und -automatisierung als auch der numerischen Optimierung in dem heutigen Verdichterentwurfsprozess an stärkerer Bedeutung. Die Intention dieser Arbeit ist es, Möglichkeiten aufzuzeigen, wie Prozessintegration und Optimierung effizient genutzt werden können, um die Entwurfsaufgabe des Ingenieurs durch automatische Lösungssuche zu unterstützen. Da der aerodynamische Verdichterentwurfsprozess durch eine VielzahlDer aerodynamische Verdichterentwurf wird heutzutage in der Industrie mit Hilfe von ausgereiften Computerprogrammen durchgeführt, die über Jahrzehnte entwickelten wurden. Stand der Technik ist es, den komplexen Entwurfsprozess in mehrere einzelne Entwurfsaufgaben aufzuteilen, welche durch zeitaufwändige Parameterstudien von unterschiedlichen Experten gelöst werden. Ein isolierter Entwurf basierend auf menschlicher Intuition führt jedoch nur zu sub-optimalen Lösungen. Auf Grund der ansteigenden Anforderung an die Leistung eines Flugtriebwerks und der Reduzierung der Entwicklungszeiten gewinnen die Aspekte der Prozessintegration und -automatisierung als auch der numerischen Optimierung in dem heutigen Verdichterentwurfsprozess an stärkerer Bedeutung. Die Intention dieser Arbeit ist es, Möglichkeiten aufzuzeigen, wie Prozessintegration und Optimierung effizient genutzt werden können, um die Entwurfsaufgabe des Ingenieurs durch automatische Lösungssuche zu unterstützen. Da der aerodynamische Verdichterentwurfsprozess durch eine Vielzahl von Entwurfsparametern, mehreren Nebenbedingungen und gegensätzlichen Entwurfszielen charakterisiert ist, wird die Mehrkriterien-Optimierung zum Auffinden Pareto-optimaler Lösungen verwendet, von denen der Entwurfsingenieur Kompromisslösungen für seine spezielle Entwurfsaufgabe auswählen kann. Anhand von drei ausgewählten, typisch industriellen Entwurfsaufgaben aus drei unterschiedlichen Entwurfsphasen der aerodynamischen Verdichterauslegung wie der Mittelschnittsrechnung, des Stromlinienkrümmungsverfahrens sowie des Schaufelentwurfs werden verbesserte Ergebnisse in Bezug auf Prozessbeschleunigung und optimierten Entwurf demonstriert.show moreshow less

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Metadaten
Author: Keskin, Akin
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-484
ISBN:978-3-8322-5875-7
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Bestle, Dieter
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2006
Date of final exam:2006/11/30
Release Date:2007/02/16
Tag:Aerodynamik; Mehrkriterien-Optimierung; Prozessintegration; Verdichterauslegung
Aerodynamics; Compressor design; Multi-objective optimization; Process integration
GND Keyword:Aerodynamik; Optimierung; Verdichter
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 bei: Shaker-Verlag