Ein Beitrag zur automatisierten Triebwerksvorauslegung

Der Beginn einer Triebwerksentwicklung wird in den meisten Fällen durch die Anfrage eines Flugzeugherstellers angestoßen, der ein Antriebssystem für ein neues Flugzeug sucht. Wegen der Komplexität von Flugtriebwerken definieren die vom Flugzeughersteller formulierten Anforderungen nur einen Bruchteil der für die Auslegung benötigten Systemvariablen. Damit bleibt Spielraum und die Aufgabe der Ingenieure, ein Konzept zu entwickeln, welches den Anforderungen in möglichst effizienter, sicherer und zuverlässiger Weise genügt. Die hier betrachtete Triebwerksvorauslegung folgt dem verbreiteten Ansatz, die Auslegung mit der Leistungsrechnung zu beginnen, um die thermodynamischen Zustandsgrößen an den verschiedenen Triebwerkspositionen für verschiedene Betriebspunkte zu bestimmen. Für eine verbesserte Abbildung des Verhaltens einzelner Triebwerkskomponenten wird auf Charakteristiken vermessener Systeme zurückgegriffen, wobei deren wesentliche Parameter mit empirischen Skalierungsverfahren an das aktuelle System adaptiert werden. Damit können Wirkungsgrade und spezifische Parameter einzelner Triebwerkskomponenten sowie deren geometrische Eckpunkte zur Darstellung erster Triebwerksquerschnitte genauer vorausgesagt werden. Die vorliegende Arbeit präsentiert einen Ansatz, wie die für die Triebwerksvorauslegung verwendeten Prozesskomponenten in einen automatisierten Prozess integriert werden können, um eine Vielzahl an Entwürfen in kurzer Zeit auszuwerten. Dafür werden die Vorteile von Programmiersprachen wie Java gegenüber von Excel erläutert und ein Ansatz für die Überführung von Excel-Tabellen in Java-Programme vorgestellt. Die Automatisierung ermöglicht die Unterstützung der Auslegung durch numerische Mehrkriterienoptimierungsverfahren. Deren industrielle Anwendbarkeit wird anhand von Beispielen demonstriert, bei denen gleichzeitig die Triebwerksmasse und der spezifische Treibstoffverbrauch minimiert werden. Es wird außerdem dargelegt, wie gut sich Antwortflächenverfahren für die Triebwerksvorauslegung eignen und diese zu einer hohen Prozessbeschleunigung beitragen. Eine mögliche Verknüpfung der Gesamtvorauslegung und Komponentenvorauslegung wird am Beispiel des Hochdruckverdichters demonstriert. Hier wird die Mehrkriterienoptimierung als Werkzeug verwendet, um initiale Datensätze für weiterführende Auslegungsverfahren mit erhöhtem Detailierungsgrad zu generieren.