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Ölstrahl-Zahnrad-Interaktion / Einspritzkühlung

Überblick

Das Planetengetriebe hat sich als eine instrumentelle Komponente für eine effizientere Triebwerkkonstruktion in Form des Getriebefan-Triebwerks etabliert. Das sich zwischen der Niederdruckturbine und dem Fan befindende Planetengetriebe (vgl. Abbildung 1) ermöglicht, dass diese Komponenten jeweils in ihrem optimalen Drehzahlbereich betrieben werden können. Die im Getriebe bei der Leistungsübertragung entstehende Wärme muss möglichst effektiv abgeführt werden, damit ein sicherer Betrieb gewährleistet werden kann. Dennoch basiert die Kühlungsauslegung in hohem Maße auf empirischen Erfahrungswerten, da der komplexe Wärmeübergangsmechanismus bei der Einspritzkühlung schnelllaufender Zahnräder nicht genügend beschrieben ist.

Abbildung 1: Der Getriebefan und schematische Darstellung der Einspritzschmierung und -kühlung

Am Institut für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) wird der Wärmeübergang und das Strömungsverhalten bei der Einspritzkühlung untersucht. Dabei kommen zum einen numerische Verfahren und zum anderen Experimente an dem Prallkühlversuchsstand zum Einsatz.

Numerische Untersuchungen mittels CFD

Die Untersuchung der Einspritzkühlung wird am ITS auch mittels numerischer Strömungssimulation (CFD) vorangetrieben. Der Fokus der CFD-Untersuchungen liegt auf der Analyse der fundamentalen Strömungsmechanismen beim Aufprall von Ölstrahlen auf schnelllaufende Zahnräder. Dieser Vorgang tritt im Ölsystem von Getriebefan-Triebwerken auf, wo dadurch maßgeblich die erzielte Kühlwirkung bestimmt wird. Die numerischen Untersuchungen erfolgen komplementär zu den experimentellen und analytischen Arbeiten am ITS.

Ziele und Vorgehen

Im Fokus der Untersuchung steht die Charakterisierung der ÖZI, der Ölverteilung über den Zahnradflanken und des Wärmeübergangsprozesses. Dafür sollen zunächst die numerischen Simulationsmodelle gebildet und die Anwendbarkeit geeigneter CFD-Methoden evaluiert werden. Im Anschluss wird der Einfluss verschiedener Betriebsparameter, wie der Strahlgeschwindigkeit, des Strahldurchmessers und der Zahnraddrehzahl, auf die ÖZI untersucht. Die Ergebnisse werden stets mit den experimentellen und analytischen Untersuchungen am ITS verknüpft und tragen zum Verständnisaufbau und zur Bildung in der Praxis einfach anwendbarer Auslegungsrichtlinien bei.

Herausforderungen

Durch die starke Interaktion des Ölstrahls mit dem schnelllaufenden Zahnrad bildet sich eine komplexe Zweiphasenströmung aus, die durch einen großen Zeit- und Längenskalenbereich (μm - cm / ns - μs) gekennzeichnet ist. Die Herausforderung in der numerischen Modellierung liegt darin, den Strömungsprozess in einem ausreichenden (räumlichen und zeitlichen) Detaillierungsgrad zu erfassen und gleichzeitig den Rechenaufwand gering zu halten, um umfangreiche Parameterstudien zu ermöglichen. Der Strömungsprozess wird stark durch die Kinematik des Getriebesystems (Zahnradrotation) beeinflusst, deren Berücksichtigung in den CFD-Simulationen zu deformierenden Rechengebieten führt und eine weitere Herausforderung in der numerische Modellierung darstellt.

  • Hochdynamische, komplexe Zweiphasenströmung
  • Große Spanne an Längen- und Zeitskalen
  • Große Dichteverhältnisse (1000)
  • Deformierendes Rechengebiet (durch die Zahnradrotation bzw. den Zahnradeingriff)

Methoden

Durch die langjährige Erfahrung in der Modellierung komplexer Mehrphasenströmungen am ITS kann in diesem Projekt auf unterschiedliche methodische Ansätze zurückgegriffen werden. Konkret kommen die folgenden CFD-Methoden zum Einsatz:

Volume-of-Fluid (VoF) Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)
  • gitterbasiert / Euler'sche Formulierung
  • Kommerzielle Software / ANSYS Fluent
  • Adaptive Netzverfeinerung
  • Zahnradrotation durch ein "Sliding-Interface"
  • partikelbasiert / Lagrange'sche Formulierung
  • ITS-Forschungscode / turboSPH
  • Keine Grenzflächendiffusion
  • Native Modellierung der Zahnradbewegung

Ergebnisse

Die in diesem Rahmen erzielten Simulationsergebnisse stellen die bislang detailliertesten CFD-Simulationen dieses Strömungsprozesses dar und ermöglichen erstmals eine umfangreiche quantitative Charakterisierung der ÖZI. In Abbildung 2 werden exemplarische Simulationsergebnisse gezeigt. Für weiterführende Erläuterungen und Ergebnisse der numerischen Arbeiten am ITS wird auf die angegebenen Referenzen verwiesen.

Abbildung 2: Exemplarisches Simulationsergebnis -- Ölverteilung zu drei Strömungsphasen der ÖZI

[Quelle: Keller et al. (2020): CFD study of oil-jet gear interaction flow phenomena in spur gears. In: The Aeronautical Journal. DOI: 10.1017/aer.2020.44]

Experimentelle Untersuchungen

An dem Prallkühlversuchsstand am ITS wird der Wärmeübergang bei der Einspritzkühlung eines rotierenden Zahnrades untersucht. Durch das eingespritzte Öl wird über die Zahnflanken dem Zahnrad Wärme zugeführt, während das hohle Zahnrad innen durch eine Luftprallkühlung gekühlt wird. Sowohl an den Zahnflanken als auch an der Innenfläche wird die Temperatur mittels Thermoelemente gemessen. Durch ein iteratives Auswerteverfahren auf Basis der Finite-Elementen-Methode wird der Wärmeübergangskoeffizient auf der Zahnflanke bestimmt. Die Untersuchungen dienen dazu, dass erstmals experimentelle Erkenntnisse über den ortsaufgelösten Wärmeübergangkoeffizienten auf der Zahnflanke vorliegen. Der Einfluss verschiedener Betriebsparameter auf den mittleren Wärmeübergangkoeffizienten und dessen örtliche Verteilung wird untersucht, um einerseits das Verständnis für den zugrunde liegenden Wärmeübergangsmechanismus zu erweitern und andererseits Auslegungsrichtlinien für eine optimale Kühlungslösung abzuleiten.

Abbildung 3: Ansichten des Prallstrahlprüfstands

Neben der experimentellen Untersuchung der Ölstrahl-Zahnrad-Interaktion wird am ITS die Prallkühlung eines rotierenden Zylinders grundlegend untersucht. Mit diesem Versuchsaufbau sollen die dominanten Einflussfaktoren auf die Prallkühlung bewegter Wände identifiziert werden. Die Erkenntnisse sollen dazu dienen, die Einspritzkühlung am Zahnrad zu verbessern.

Abbildung 4: Experimentelle Untersuchung der Prallkühlung eines rotierenden Zylinders

Quellen und relevante Veröffentlichungen


Dissertationen
Untersuchung des Wärmeübergangs durch Einspritzkühlung für ein Höchstleistungsgetriebe. Dissertation
von Plehwe, F. C.
2022, Februar 22. Logos Verlag Berlin. doi:10.30819/5436
Zeitschriftenaufsätze
CFD study of oil-jet gear interaction flow phenomena in spur gears
Keller, M. C.; Kromer, C.; Cordes, L.; Schwitzke, C.; Bauer, H.-J.
2020. The aeronautical journal, 124 (1279), 1301–1317. doi:10.1017/aer.2020.44
Analytical Solution to the Heat Transfer in Fling-Off Cooling of Spur Gears
Kromer, C.; Cordes, L.; Keller, M. C.; Schwitzke, C.; Bauer, H.-J.
2019. Journal of heat transfer, 141 (8), 082103–1. doi:10.1115/1.4043894
Smoothed Particle Hydrodynamics Simulation of Oil-jet Gear Interaction
Keller, M. C.; Braun, S.; Wieth, L.; Chaussonnet, G.; Dauch, T. F.; Koch, R.; Schwitzke, C.; Bauer, H.-J.
2019. Journal of tribology, 141 (7), Art.-Nr. 071703. doi:10.1115/1.4043640
Proceedingsbeiträge
Experimental Determination of Heat Transfer Coefficient on Impingement Cooled Gear Flanks: Validation of the Evaluation Method
Ayan, E.; von Plehwe, F. C.; Keller, M. C.; Kromer, C.; Schwitzke, C.; Bauer, H.-J.
2021. ASME Turbo Expo 2021: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, June 7–11, 2021, Virtual, Online - Volume 5B: Heat Transfer — General Interest; Internal Air Systems; Internal Cooling, GT2021–58838, The American Society of Mechanical Engineers (ASME). doi:10.1115/GT2021-58838
Heat Transfer by Impingement Cooling of Spur Gears
Kromer, C.; von Plehwe, F. C.; Cordes, L.; Schwitzke, C.; Bauer, H.-J.
2020. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2019, Darmstadt, 30 September - 2 Oktober 2019, Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt (DGLR). doi:10.25967/490085
Effect of Design Parameters on Oil-jet Gear Interaction - A CFD Study
Keller, M. C.; Kromer, C.; Cordes, L.; Schwitzke, C.; Bauer, H.-J.
2019. Proceedings of the 24th ISABE Conference
Numerische Simulation der Ölstrahl-Zahnrad-Interaktion bei Flugtriebwerken mit hohem Nebenstromverhältnis: Stand der Forschung
Keller, M. C.; Schwitzke, C.; Bauer, H.-J.
2018. Ideen und Innovationen für die Energie von morgen : Wissenschaftliche Beiträge des KIT zu den Jahrestagungen 2014, 2016 und 2017 des KIT-Zentrums Energie. Hrsg.: W. Breh, 75–82, KIT Scientific Publishing. doi:10.5445/IR/1000085339
Smoothed Particle Hydrodynamics Simulation of Oil-Jet Gear Interaction
Keller, M. C.; Braun, S.; Wieth, L.; Chaussonnet, G.; Dauch, T. F.; Koch, R.; Schwitzke, C.; Bauer, H.-J.
2017. Proceedings of ASME Turbo Expo 2017: Turbomachinery Technical Conference and Exposition : Volume 2B - Turbomachinery, Charlotte, North Carolina, USA, 26th - 30th June 2017, Art.Nr. GT2017–63594, The American Society of Mechanical Engineers (ASME). doi:10.1115/GT2017-63594
Numerical Modeling of Oil-Jet Lubrication for Spur Gears using Smoothed Particle Hydrodynamics
Keller, M. C.; Braun, S.; Wieth, L.; Chaussonnet, G.; Dauch, T.; Koch, R.; Höfler, C.; Bauer, H.-J.
2016. Proceedings of the 11th International SPHERIC Workshop, Munich, June 13-16, 2016, 69–76
Vorträge
Experimental Determination of Heat Transfer Coefficient on Impingement Cooled Gear Flanks : Validation of The Evaluation Method
Ayan, E.; von Plehwe, F. C.; Keller, M. C.; Kromer, C.; Schwitzke, C.; Bauer, H.-J.
2021, Juni 9. ASME Turbo Expo: Turbomachinery Technical Conference and Exposition (GT 2021), Online, 7.–11. Juni 2021