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.

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.

• Zu den numerischen Untersuchungen
• Zu den experimentellen Untersuchungen

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:

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.

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.

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.