Mehrpunktoptimierung eines Hubschrauberrotors unter Berücksichtigung der Fluid-Struktur-Wechselwirkung

Abstract

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.