AbstractThe axial compressor is one of the most challenging components for aero engine design. The highly complex and multi-disciplinary design process is built up from several separate design phases differing with respect to the number of details. Typically, meanline prediction is the first step of the aerodynamic design process where the goal is to provide a first guess and proper choice of basic design parameters. As a preliminary design procedure it is one of the most important parts of the compressor design process since a poor design decision on these parameters cannot be corrected by subsequent development efforts. The design of a compressor is always a compromise between contradicting requirements like high efficiency, low number of stages and high surge margin. This is typical for multi-criterion optimization problems requiring a high number of design analyses and a well-designed procedure for finding trade-off solutions. The paper will show how to automate a given Rolls-Royce preliminary design process in order to find Pareto-optimal trade-off solutions for design conditions. The aspect of process acceleration is also an important goal to release the design engineer from time-consuming parameter studies. Essential elements for speeding up the design process are the use of modern process integration tools, multi-criterion decision concepts, and nonlinear programming algorithms. Results will be shown based on a given Rolls-Royce compressor design for multi-objective optimization with respect to maximum efficiency, maximum surge margin, and maximum overall pressure ratio, where different deterministic and stochastic algorithms are used.
ZusammenfassungDer 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.
Application of multi-objective optimization to axial compressor preliminary design&z.star;This article was presented at the German Aerospace Congress 2005.
Anwendung von Mehrkriterien-Optimierung in der Axialverdichtervorauslegung
Aerospace Science and Technology ; 10 , 7 ; 581-589
2006-03-23
9 pages
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