Morali

Das Projekt MORALI (Multi-Objective Robust Assessment of heLicopter Improvements) verfolgt drei unterschiedliche Zielrichtungen zur Verbesserung der Entwicklungsmöglichkeiten für neue Rotoren:

• Blattelementetheorie mit Dynamic Stall Modellen und Wirbelleiterverfahren
• Gekoppelte CFD/CSD-Simulationen mit Transitionsvorhersage und automatisierter Trimmung
• Automatisierte Optimierung von Geometrieparametern unter Einbeziehung von Surrogates

Schließlich ist es vorgesehen, die entwickelten Methoden auch einzusetzen, um einen Rotor für spezifische Anforderungen auszulegen.
Die Arbeiten - insbesondere zur Optimierung - finden in enger Zusammenarbeit mit der bulgarischen Firma MACROS Solutions Ltd. statt, Industripartner und Impulsgeber als Verantwortlicher für den Call for Proposals im Rahmen des JTI CleanSky (Green Rotorcraft) ist Eurocopter Deutschland.

Blattelementetheorie

In frühen Entwicklungsphasen sind schnelle, einigermaßen belastbare Ergebnisse für verschiedene Entwurfsideen erforderlich, ohne Anspruch an allerhöchste Genauigkeiten. Allerdings sollten wesentliche Abhängigkeiten von typischen Parametern physikalisch korrekt abgebildet werden. Hierzu eignen sich Blattelementeverfahren, die den Rotor spannweitig in Blattschnitte aufteilen und jeweils einzeln Kräfte und Momente aus statischen Polaren bestimmen sowie die Rückwirkung über die Nachlaufentwicklung auf den Rotor.
Der erste Arbeitspunkte hier besteht deshalb aus der Berücksichtigung dynamischer Effekte, vor allem am rücklaufenden Blatt, wo kurzzeitig hohe Anstellwinkel auftreten. Existierende empirische Modelle sollen hier genutzt werden und ihren Einstellparameter an den Anwendungsbereich Rotor angepasst werden.
Darüber hinaus besteht der Wunsch nach einer detaillierten Abbildung des Rotornachlaufes - insbesondere der Randwirbel - über schnelle Potenzialverfahren, die einen numerisch verlustfreien Wirbeltransport gewährleisten. Betrachtungen zur Blatt-Wirbel-Interaktion unter Berücksichtigung der elastischen Verformung können hier einigermaßen zügig angestellt werden, und damit werden auch akustische Aussagen möglich.

CFD/CSD-Simulation

Die Königsdisziplin der Rotorsimulation besteht aus der Kopplung von Strömungsmechanik und Strukturdynamik, verbunden mit der Trimmung von Steuerwinkeln auf vorgegebene Kräfte und Momente. Damit können sehr detaillierte Untersuchungen angestellt und hochgradig lokale (sowohl räumlich wie auch zeitlich) Phänomene betrachtet werden, der dafür zu treibende numerische Aufwand ist allerdings auch enorm.
Die Genauigkeit gilt es hier zu verbessern durch Berücksichtigung des laminar-turbulenten Umschlages am Rotorblatt. Bislang wird im wesentlich noch voll turbulent gerechnet, was zu einer systematischen Überschätzung des Leistungsbedarfs führt. Bewährte Umschlagsmodelle für 2D-Profilströmungen sind aber nur bedingt übertragbar auf den sehr instationären und dreidimensonalen Fall des Rotorblattes.
Darüber hinaus besteht Bedarf an einer Beschleunigung und Zuverlässigkeit der Trimmkonvergenz. Häufig ist unklar, nach wie vielen Rotorumdrehungen ein hinreichend periodischer Zustand erreicht ist, um den nächsten Trimmschritt zuverlässig in die richtige Richtung zu führen - so früh wie möglich, um schnelle Konvergenz zu bekommen, aber gleichzeitig so spät wie nötig, um Oszillationen zu vermeiden. Anstelle händischer Betrachtungen des Kraft- und Momentenverlaufes sollen hier systematische Kriterien entwickelt werden zur automatischen Erkennung eines geeigneten Zeitpunktes.

Optimierung

Die automatisierte Optimierung wird im wesentlichen vom Verbundpartner MACROS Solutions Ltd. getragen, die hierzu den von ihnen entwickelten Optimierer MACROS einsetzen. Da eine einzelne Funktionsauswertung in Form einer vollständigen CFD/CSD-Simulation enorm aufwändig ist, wird versucht, mit Hilfe von schnell auswertbaren Surrogate-Modellen die wesentlichen Abhängigkeiten von Geometrieparametern abzubilden. Ein wichtiger Bestandteil dabei ist die Definition der Gütefunktion, die es zu optimieren gilt, und die nicht nur globale Kennzahlen wie den Leistungsbedarf enthalten sollte, sondern auch das nach der Simulation ja ohnehin vorhandene Strömungsfeld ähnlich eines erfahrenen Ingenieurs nach bekannten Eigenschaften für günstige oder weniger günstige Entwürfe untersucht. Beispielsweise wären hier zu nennen die Gleichförmigkeit der Schubverteilung über der Kreisscheibe, die Abwesenheit lokaler Lastspitzen, aber unter Umständen auch die Lärmentwicklung unter spezifischen Flugbedingungen.