Innerhalb von Optimierungsprozessen, in denen durch Parametervariationen eine Vielzahl von Rotoren generiert und hinsichtlich bestimmter Zielvorgaben beurteilt werden, um dann entweder Ausgangsschritt für weitere Varianten oder verworfen zu werden, ist es zwar wünschenswert, im Verlauf der Optimierung die Flatterfreiheit der Varianten mit zu berücksichtigen, aber aufgrund der hohen Anzahl der dafür notwendigen linearisierten CFD-Rechnungen nicht in einem vertretbaren zeitlichen Rahmen durchführbar. Um dennoch einen Eindruck der Flatterneigung des Rotors zu erhalten, muss der CFD-Rechenaufwand reduziert werden. Das kann einerseits durch Verfahren erfolgen, die mithilfe einer reduzierten Formulierung der instationären Aerodynamik (ROM) schneller instationäre Luftkräfte liefern und andererseits durch eine Reduktion der notwendigen Rechnungen, indem der Parameterraum gezielt verringert wird.
Die Auslegung der Profilgeometrie für den im Rahmen des Projekts CRISP II geplanten Versuchsträger mit gegenläufigem Rotor in moderner CFK-Bauweise lag in den Händen des Instituts für Antriebstechnik, die hierfür ihren Optimierungsalgorithmus AutoOpti einsetzte. Da nicht auszuschließen war, dass der auf hohe aerodynamische Wirkungsgrade getrimmte Optimierer gerade solche Konfigurationen erzeugt, die aeroelastisch instabil sind, wurde besonderer Wert auf optimierungsbegleitende Stabilitätsuntersuchungen gelegt. Das Bild oben zeigt den Arbeitsaustausch zwischen dem Fluid und der Beschaufelung einer CRISP2-Konfiguration. Hierfür wurde ein Modul geschaffen, welches im Optimierungsprozess nach einer gewissen Anzahl von Optimierungsschritten eine reduzierte Flatteruntersuchung anstößt, die zumindest offensichtliche Flatterfälle erkennen kann und dadurch Einfluss auf die folgende Optimierung nimmt. Ein hinreichender Flatternachweis ist zur Bestätigung der Vorgehensweise zum Ende der Optimierung geplant.
Die reduzierte Flatteruntersuchung basiert momentan auf der Annahme einer bekannten Abhängigkeit der aerodynamischen Dämpfung von einem Parameter, dem sogenannten Phasendifferenzwinkel. Für diesen Parameter werden nur noch wenige Rechnungen durchgeführt und über die Abhängigkeit die minimale Dämpfung abgeschätzt und durch eine weitere Rechnung überprüft. Hierdurch können je nach Schaufelanzahl 50% bis 75% der für instationäre, linearisierte CFD-Rechnungen erforderlichen Rechenzeit eingespart werden.
Darüber hinaus können weitere Rechnungen für die Optimierung eingespart werden, wenn von Optimierungsschritt zu Optimierungsschritt nur jene Fälle neu überprüft werden, die sich stärker geändert haben. Hierzu wird auf strukturdynamischer Seite das „Modal Assurance Criterion“ (MAC-Wert) herangezogen. Unter der Voraussetzung gleichbleibender stationärer Aerodynamik und der Annahme, dass signifikante Änderungen in der Profilform sich auch in den modalen Parametern und damit auch in der Eigenform niederschlagen, werden die Eigenvektoren aufeinanderfolgender Schritte mit dem MAC-Wert verglichen und nur bei Unterschreitung eines Schwellwertes neue Rechnungen ausgelöst.
Es sei bei den Verfahren nochmals betont, dass sie der Reduktion der Rechenzeit für eine vorläufige Bestimmung der Flatterneigung innerhalb eines Optimierungsprozesses dienen. Eine abschließende Flatterbeurteilung des letztendlich ausgewählten Rotorentwurfs ist unverändert notwendig und kann hierdurch keinesfalls ersetzt werden.
Literatur: