Flexibilisierung des Formoptimierungsprozesses am Beispiel eines Schaufelprofils

Abstract

Die Entwicklung von Nachhaltigkeitsstrategien stellt sowohl auf sozialer als auch wirtschaftli-cher Ebene eine grundlegende Herausforderung des 21. Jahrhunderts dar. Die Erhöhung von Ressourceneffizienz, sei es beim Einsatz von Werkstoffen oder der Verwertung von Energie-trägern, kann einen entscheidenden Beitrag dazu leisten, diese Herausforderungen zu meis-tern. Im Rahmen der Energieerzeugung und Energienutzung spielen hier insbesondere Strö-mungsmaschinen eine wesentliche Rolle. Dabei obliegt es speziell der Produktentwicklung, mit modernen Technologien und innovativen Methoden eine Schlüsselrolle einzunehmen. Die Forderungen nach nachhaltigen, ressourcen-schonenden und trotzdem marktfähigen Produkten führt auch zur Notwendigkeit der Gestal-tung effizienter, nachhaltiger Produktentwicklungsprozesse. Eine wesentliche Aufgabe im Pro-duktentwicklungsprozess ist die Formoptimierung der Produkte. Durch effiziente Formoptimie-rungsmethoden kann sowohl die anwendungsspezifische Gebrauchsfähigkeit und Einsatzeffi-zienz als auch der erforderliche Ressourceneinsatz eines Produktes entsprechend dem An-forderungsprofil perfektioniert werden. Insbesondere bei der Auslegung von Strömungsma-schinen, speziell bei der Gestaltung von Schaufelprofilen ist die Formoptimierung ein Kernele-ment der Produktentwicklung. Bestehende Methoden gewährleisten aufgrund einer eingeschränkten geometrischen Para-metrisierung des Schaufelprofils nicht die geforderte Flexibilität und Anpassungsfähigkeit auf sich ändernde strömungsdynamische Restriktionen. Der zur Verfügung stehende Suchraum wird schon zu Beginn des Formoptimierungsprozesses eingeschränkt und das potentielle Spektrum an Schaufelprofilvarianten reduziert. Bei der Anwendung von Formoptimierungsme-thoden stellt sich außerdem im Hinblick auf marktfähige Produkte auch immer die Frage nach Aufwand und Nutzen. Im Formoptimierungsprozess ist das erforderliche Zeitinvestment, das zur optimalen Ausformung des Schaufelprofils benötigt wird, eine entscheidende Zielgröße. Ziel der hier vorgestellten Forschungsarbeit ist es, neue Ideen zur Modellierung des Schaufel-profils zu nutzen, um eine flexible und gleichzeitig effiziente Methode aufzubauen, die unter Berücksichtigung von strömungs- und strukturmechanischen Restriktionen und mit einem ak-zeptablen Zeitinvestment die optimale Ausformung eines Schaufelprofils ermöglicht. Dafür müssen zu jedem Zeitpunkt des Formoptimierungsprozesses eine möglichst hohe Schaufelprofildiversität und die damit einhergehende geometrische Flexibilität auf sich verän-dernde Strömungssituationen gewährleistet werden. Durch eine signifikante Erhöhung der ge-ometrischen Parameterstruktur auf Basis einer hochdimensionierten Wolke diskreter Koordi-natenpunkte (Design-Punkte) kann die Ausformung der Profilkontur sehr filigran und restrikti-onsspezifisch gesteuert werden. Zur Reduzierung des Berechnungsaufwandes und des damit einhergehenden Zeitinvestments wurde ein Kalkulationsmechanismus erarbeitet, der schnell und präzise das zur Bewertung der einzelnen Schaufelprofilvarianten erforderliche dynamische Druckprofil berechnen kann. Das in die erarbeitete Methode zur Formoptimierung von Schaufelprofilen integrierte, neu ent-wickelte FEMSeq-Verfahren erlaubt eine sequentielle Kontrolle der lokalen strukturellen Integ-rität eines Schaufelprofils und ermöglicht dadurch die optimale Verteilung und Reduzierung des Werkstoffeinsatzes, ohne ein Versagen der Gesamtstruktur zu bewirken. Es können somit Schaufelprofile ausgeformt werden, die über eine maximale Effizienz bei einem minimalen Werkstoffeinsatz verfügen. Die Steuerung der dazu notwendigen Modellierungs- und Berech-nungsschritte erfolgt durch einen evolutionären Algorithmus. Genetische Operatoren (Selek-tion, Rekombination, Mutation) kombinieren und positionieren die einzelnen Design-Punkte und gestatten dadurch die individuelle Ausformung des Schaufelprofils. Das Modell wurde im Rahmen dieser Forschungsarbeit in die zeitsparende Software-Applika-tion MAXii (Multikriterieller evolutionärer Algorithmus zur hochflexiblen Schaufelprofiloptimie-rung) überführt, die automatisiert und iterativ die Form des initiierten Schaufelprofils optimiert. Die Eignung, Realisierbarkeit und Validität der neu entwickelten Methode sowie die Leistungs-fähigkeit der Software-Applikation MAXii wurden abschließend durch experimentelle Studien unter Beweis gestellt. Im Rahmen der Versuchsdurchführungen und der dabei gewonnenen und analysierten Daten konnte innerhalb der Formoptimierung eine sehr hohe Schaufelprofil-diversität und ein damit einhergehender entsprechend breit gefächerter Suchraum ermittelt werden. Die entwickelte Methode erlaubt durch die umgesetzte geometrische Parametrisie-rung und durch die Fähigkeit, eine sehr hohe Anzahl an Schaufelprofilen zuverlässig und vor allem zeitsparend zu analysieren, eine nahezu endlose Kombinatorik verschiedenartiger Schaufelprofilvarianten zu generieren. Die Anzahl an notwendigen numerischen strömungs-mechanischen Berechnungen konnte durch den Kalkulationsmechanismus signifikant redu-ziert werden. Es bedarf lediglich einer numerischen strömungsmechanischen Analyse inner-halb einer Formoptimierungsiteration, um das dynamische Druckprofil von beliebig vielen Schaufelprofilen kalkulieren zu können. Im Rahmen eines Validierungsprozesses wurde die Eignung von MAXii geprüft. Unter den vordefinierten Restriktionen konnte das charakteristi-sche Gleitverhältnis eines NACA-2412 Schaufelprofils um über 69 % erhöht werden. Der se-quentielle strukturelle Kontrollmechanismus auf Basis des FEMSeq-Verfahrens gewährleistet die strukturelle Integrität der generierten Schaufelprofile und ermöglicht eine Werkstoffverteilung entsprechend den vorliegenden mechanischen Vergleichsspannungen. Dadurch ist es möglich, bei einem identischen Werkstoffeinsatz einen höheren Optimierungserfolg zu erzielen. Schlussendlich wurde mit der entwickelten Methodik ein effizientes und leistungsfähiges Werk-zeug zur Formoptimierung von Schaufelprofilen entwickelt und technisch realisiert. Eine Erhö-hung des Detaillierungsgrads hin zu einer dreidimensionalen Modellierungsebene erscheint als nächste logische Konsequenz.

The development of sustainability strategies is a fundamental challenge of the 21st century, both on a social and economic level. Increasing resource efficiency, whether in the utilization of materials or of energy sources can make a decisive contribution to meeting this challenges. In the context of energy generation and utilization, turbomachinery in particular plays an es-sential role. Here, it is especially incumbent on product development to play a key role with regard to modern technologies and innovative methods. The demand for sustainable, resource saving and yet marketable products makes it necessary to design efficient, sustainable product development processes. An important task in the product development process is the shape optimization of products. Efficient shape optimization methods can perfect both the application-specific usability and application as well as the consumption of resources for a product accord-ing to its requirement profile. In the design of turbomachinery, especially in the design of blade profiles, shape optimization is a core element of product development. Existing methods do not guarantee the required flexibility and adaptability to changing flow dynamic restrictions, due to a limited geometric parameterization of the blade profile. The available search space is already limited at the beginning of the shape optimization process and the potential spectrum of blade profile variants is reduced. In addition, when shape optimization methods are applied, the question of effort and benefit always arises with regard to marketable products. In the shape optimization process, the time investment required to optimally shape the blade profile is a decisive target value. The goal of the research work presented here is to use new ideas for modelling the blade profile in order to build up a flexible yet efficient method that enables the optimal shaping of a blade profile while taking flow and structural-mechanical restrictions into account, coupled with an acceptable time investment. For this purpose, the highest possible blade profile diversity and the associated geometric flexibility in response to changing flow situations must be en-sured at all times during the shape optimization process. By significantly increasing the geo-metric parameter structure based on a high-dimensional cloud of discrete coordinate points (design points), the shaping of the airfoil contour can be controlled in a very intricate and re-striction-specific manner. To reduce the calculation effort and the associated time investment, a calculation mechanism was devised that can quickly and precisely calculate the dynamic pressure profile required to evaluate the individual blade profile variants. The newly developed FEMSeq method integrated into the developed method for the shape optimization of blade profiles allows for sequential control of the local structural integrity of a blade profile and thus enables the optimal distribution and reduction of the material input without causing a failure of the overall structure. Blade profiles can thus be formed that have maximum efficiency with minimum material input. An evolutionary algorithm controls the necessary modelling and calculation steps. Genetic opera-tors (selection, recombination, mutation) combine and position the individual design points and thus allow the individual shaping of the blade profile. Within the scope of this research work, the model was transferred into the timesaving software application MAXii (Multicriteria Evolu-tionary Algorithm for Highly Flexible airfoil Optimisation), which automatically and iteratively optimizes the shape of the initiated blade profile. The suitability, feasibility and validity of the newly developed method as well as the perfor-mance of the MAXii software application were finally proven by experimental studies. In the course of the experiments and from the data, which was obtained and analysed, a very high blade profile diversity and a correspondingly broad search space were determined within the shape optimization. Due to the implemented geometric parameterization and the ability to an-alyse a very high number of blade profiles in a reliable and, above all, time-saving manner, the developed method allows nearly limitless combinations of different blade profile variants to be generated. The number of necessary numerical fluid mechanical calculations could be sig-nificantly reduced by the calculation mechanism. Only one numerical fluid mechanical analysis within a shape optimization iteration is required to calculate the dynamic pressure profile of any number of blade profiles. The suitability of MAXii was tested in a validation process. Under the predefined restrictions, the characteristic slip ratio of a NACA-2412 blade profile could be increased by over 69%. The sequential structural control mechanism based on the FEMSeq method ensures the structural integrity of the generated blade profiles and enables a material distribution according to the existing mechanical equivalent stresses. This makes it possible to achieve a higher optimization success with an identical material input. Finally, with the devel-oped methodology, an efficient and powerful tool for the shape optimization of blade profiles was realized and technically realized. Increasing the level of detail to a three-dimensional mod-elling level appears to be the next logical consequence.