Zur numerischen Simulation der Ölstrahl-Zahnrad-Interaktion in Flugtriebwerken: Eine Studie mit SPH und VOF
Creators: name: Keller, Marc
Publisher: name: Logos Verlag Berlin
Year: 2022
Subjects: Getriebefan-Flugtriebwerk
Zahnradkühlung
Öl-Einspritzschmierung
Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)
Numerische Strömungsmechanik (CFD)

description: Das Getriebefan-Triebwerk gilt als zeitnahe Antwort auf ökonomische, ökologische und gesellschaftliche Forderungen nach effizienten und leisen Antrieben für die zivile Luftfahrt. Bei dieser Triebwerksarchitektur ist die Optimierung des Ölsystems im integralen Höchstleistungsgetriebe unerlässlich, insbesondere hinsichtlich dessen Kühlfunktion. Vorangegangene Untersuchungen haben gezeigt, dass der Ölausbreitung über die Zahnflanken infolge der Ölstrahl-Zahnrad-Interaktion (ÖZI) eine wichtige Rolle für die mittels Einspritzschmierung erzielte Kühlwirkung zukommt. Dennoch existiert bislang keine geeignete analytische oder experimentelle Methodik zur quantitativen Analyse der ÖZI, weshalb deren Charakterisierung lückenhaft ist. An diesem Punkt knüpft die vorliegende Arbeit an. Mittels numerischer Strömungssimulation (CFD) wird die ÖZI zugänglich gemacht. Dabei werden die gitterbasierte Methode Volume of Fluid (VOF) und erstmals die partikelbasierte Methode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) eingesetzt. Letztere verspricht Limitierungen gitterbasierter Methoden bei der Modellierung der Zahnradbewegung – insbesondere des Zahnradeingriffs – und der komplexen Öl/Luft-Zweiphasenströmung zu überwinden. In vergleichenden Studien wird zunächst unter Einbeziehung experimenteller Beobachtungen die Anwendbarkeit beider CFD-Verfahren hinsichtlich der Modellierungsmöglichkeiten, der Genauigkeit und der Recheneffizienz evaluiert und die Ergebnisse plausibilisiert. Die präsentierten SPH-Simulationen der ÖZI sind weltweit die ersten ihrer Art und zeigen eindrücklich das große Potenzial der Methode auf. Im Weiteren wird mittels der VOF-Methode der Einfluss ausgewählter Betriebs- und Geometrieparameter (Ölstrahlgeschwindigkeit, -durchmesser, -winkel und Zahnraddrehzahl) untersucht. Dazu wird die Ölstrahl-Interaktion mit einem einzelnen Zahnrad in 21 Betriebspunkten simuliert. Zur Analyse der Simulationsergebnisse werden mit dem zeitlichen Verlauf der Eindringtiefe, der Benetzungsfläche und des Ölfilmvolumens neue Metriken eingeführt. Dadurch wird die bisherige Beschreibung der ÖZI um quantitative räumliche und zeitliche Informationen zur Ölausbreitung auf den Zahnflanken erweitert. Als Haupteinflussgrößen werden die Aufpralltiefe, das Effektivvolumen und die Aufprall-Reynolds-Zahl identifiziert, die alle a priori bestimmbar sind. Die Erkenntnisse werden genutzt, um auf der generierten Datenbasis Korrelationen für die maximale Benetzungsfläche und die maximale Eindringtiefe zu bilden. Abschließend wird mittels der SPH-Methode die Ölstrahl-Interaktion mit zwei ineinandergreifenden Zahnrädern für drei Einspritzvarianten simuliert. Die Strömungsprozesse der ÖZI vor und hinter dem Eingriff einer Zahnradpaarung werden dadurch erstmals simulativ erfasst. Mit den beschriebenen Simulationsmodellen, den detaillierten Simulationsergebnissen sowie den daraus gewonnenen Daten, Korrelationen und Erkenntnissen wird durch diese Arbeit die Optimierung des Ölsystems für Getriebefan-Triebwerke maßgeblich unterstützt und der Einsatz von CFD auf diesem Gebiet, speziell von SPH, weiter motiviert.