Application of multi-objective optimization to axial compressor preliminary design

Der Axialverdichter stellt eine der wichtigsten Komponenten eines Flugtriebwerks dar. Der hochgradig komplizierte und multidisziplinäre Entwurf unterteilt sich in mehrere Entwurfsphasen, die sich hinsichtlich des Detailierungsgrades unterscheiden. Typischerweise wird mit der Mittelschnittsrechnung begonnen, bei der die Festlegung grundlegender Entwurfsgrößen erfolgt. Innerhalb des Verdichterentwurfsprozesses ist die aerodynamische Vorauslegung ein essentieller Aspekt, da eine schlechte Wahl von Entwurfsgrößen im nachfolgenden Prozess meist nicht mehr korrigiert werden kann. Der Entwurf eines Verdichters ist stets ein Kompromiss zwischen gegensätzlichen Anforderungen wie hohem Wirkungsgrad, geringer Stufenanzahl und hohem Pumpgrenzabstand. Diese Problematik ist typisch für ein Mehrkriterien-Optimierungsproblem mit einer Vielzahl von erforderlichen Entwurfsanalysen und einer geeigneten Methode zum Auffinden von Kompromisslösungen. Der vorliegende Artikel zeigt, wie der gegebene Rolls-Royce Vorentwurfsprozess automatisiert werden kann, um Pareto-optimale Kompromisslösungen zu finden. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Beschleunigung des Entwurfprozesses zur Entlastung des Entwurfsingenieurs von zeitintensiven Parameterstudien. Die Anwendung von modernen Werkzeugen zur Prozessintegration, Mehrkriterien-Entscheidungskonzepten und nichtlinearer Programmierung sind hierbei die wesentlichen Elemente für eine Prozessbeschleunigung. Es werden Ergebnisse einer Mehrkriterien-Optimierung in Bezug auf Maximierung des Wirkungsgrades, des Pumpgrenzabstandes und des Gesamtdruckverhältnisses, basierend auf einem vorgegebenen Rolls-Royce Verdichterentwurf vorgestellt, bei der sowohl deterministische als auch stochastische Algorithmen eingesetzt werden.