Das in dieser Arbeit vorgestellte Verfahren ist in der Lage, den Rotorblattgrundriss sowohl im Schwebe- als auch im Vorwärtsflug anhand eines mathematischen Optimierungsalgorithmus sowie unter Verwendung hochwertiger Strömungssimulationen und unter Berücksichtigung der Fluid-Struktur-Wechselwirkung automatisch zu optimieren. Hierzu wird eine Parametrisierung der Geometrie vorgenommen, die mit einem Minimum an Entwurfsparametern auskommt und dennoch eine große Bandbreite von möglichen Grundrissformen erlaubt. Aufgrund der langen Rechenzeiten der CFD-Verfahren werden die Optimierungen auf groben Rechennetzen durchgeführt. Im Vorwärtsflug erfolgt die Strömungssimulation darüber hinaus auf Basis von Einzelblattrechnungen. Im Anschluss an die Optimierung wird das Ergebnis anhand von Berechnungen auf feinen Netzen und im Vorwärtsflug durch eine Mehrblattrechnung unter Verwendung der Chimera-Technik verifiziert. Im Schwebeflug werden die Unterschiede zwischen einer Optimierung mit starrer und elastischer Blattmodellierung analysiert. Während die Fluid-Struktur-Wechselwirkung einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Optimierung der Verwindung ausübt, muss sie bei der Optimierung anderer Parameter wie z.B. der Pfeilung unbedingt berücksichtig werden. Durch die Optimierung aller Parameter wird im Schwebeflug eine Verbesserung der Gütezahl von fast 11% erreicht. Im Vorwärtsflug werden aufgrund der langen Rechenzeiten nur Optimierungen mit einzelnen Parametern durchgeführt. Hierbei zeigt sich, dass sich die Verwindung und die V-Stellung des Ausgangsrotors bereits sehr nah an den optimalen Werten befinden. Durch die Optimierung der Pfeilung bzw. der Profiltiefe lässt sich noch eine geringe Verbesserung erzielen. Die Einzel- und Mehrblattrechnungen zeigen in allen Fällen eine hervorragende Übereinstimmung. Die letzte Untersuchung widmet sich der Mehrpunktoptimierung der Verwindung mithilfe eines Wichtungsansatzes. Dadurch gelingt es, die Pareto-Front für den Schwebe- und Vorwärtsflug darzustellen, um so einen geeigneten Kompromiss zwischen den beiden Flugzuständen zu finden.

    The approach documented in this thesis describes a procedure for an automatic optimization of the rotor blade planform in hover and forward flight using high-fidelity CFD-CSD simulations. Therefore a parameterization has been adopted that uses a minimum of design parameters while allowing the modelling of a wide variety of blade planforms. The optimizations are carried out on coarse meshes due to the high computational cost of the CFD simulations. In addition the computations in forward flight are done using a single blade approach. The results of the optimizations are verified by computations on fine meshes. In forward flight a multiblade computation with the C himera-approach is used. In hover the differences between a rigid and soft blade modelling assumption are analyzed. While the effect of fluid-structure-interaction on the optimization of the twist is negligible, it has to be taken into account with other design parameters such as the sweep.The optimization of all parameters in hoveryieldsan improvement of almost 11%. Design parameters in forward flight are optimized separately. The optimizations of twist and anhedral show almost no benefit since the baseline rotor already shows the optimal values. Small gains are achieved with the optimization of sweep and chord. The single blade approach shows excellent agreement with the multiblade approach in all cases. The last analysis deals with a multipoint optimization using a weighted sum approach. Therefore it is possible to visualize the pareto-front for hover and forward flight in order to find a suitable compromise between the two flight conditions.


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    Title :

    Mehrpunktoptimierung eines Hubschrauberrotors unter Berücksichtigung der Fluid-Struktur-Wechselwirkung


    Additional title:

    Multipoint optimization of a helicopter main rotor with respect to fluid-structure-interaction


    Contributors:


    Publication date :

    2012


    Size :

    112 Seiten, 74 Bilder, 17 Tabellen, 73 Quellen



    Type of media :

    Theses


    Type of material :

    Print


    Language :

    German