Υπολογιστική μοντελοποίηση και πειραματική μελέτη της ροής σε θαλάμους εδράνων κύλισης αεροπορικών κινητήρων:
Creators: name: Αϊδαρίνης, Ιωάννης Κ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2011
Subjects: Υπολογιστική Ρευστομηχανική
Θάλαμος Εδράνων
Μετρήσεις LDA
Πορώδες Μέσο
CFD
Bearing Chamber
LDA
Porous Medium

description: Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η υπολογιστική μοντελοποίηση και η πειραματική διερεύνηση του ροϊκού πεδίου του αέρα στεγανοποίησης του εμπρόσθιου θαλάμου εδράνου αεροπορικού κινητήραΗ ανάπτυξη ενός υπολογιστικού μοντέλου CFD, για τη μελέτη και την πρόβλεψη της ροής του αέρα εντός του θαλάμου, το οποίο θα παρέχει τη δυνατότητα υπολογιστικής βελτιστοποίησης του θαλάμου όσον αφορά τα λειτουργικά και γεωμετρικά χαρακτηριστικά, αποτέλεσε το κύριο στόχο της παρούσας διατριβής. Οι πειραματικές μετρήσεις της ταχύτητας του αέρα πραγματοποιήθηκαν με την χρήση της μεθόδου Laser Doppler Anemometry (LDA) σε συνθήκες διφασικής ροής αέρα / ελαίου εντός του θαλάμου στην πειραματική διάταξη που κατασκευάσθηκε και μοντελοποιεί σε κλίμακα 1:1 τον εμπρόσθιο θάλαμο εδράνου ενός αεροπορικού κινητήρα. Η τρισδιάστατη υπολογιστική μοντελοποίηση (CFD) του θαλάμου πραγματοποιήθηκε με τη χρήση του λογισμικού CFD ANSYS FLUENT 13, ενώ για την μοντελοποίηση της τύρβης χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο Reynolds Stress Transport (RSM). Ο χώρος του εδράνου με την παρουσία του ελαίου λίπανσης μοντελοποιήθηκε ως μια ζώνη ανισότροπου πορώδους μέσου με προκαθορισμένο νόμο πτώσης πίεσης. Η βαθμονόμηση του αρχικού υπολογιστικού μοντέλου του θαλάμου έγινε με τη σύγκριση των προφίλ της αξονικής ταχύτητας των υπολογισμών και των πειραμάτων. Η υπολογιστική διερεύνηση της ροής εντός του εδράνου έγινε με τη μοντελοποίηση της ροής του αέρα εντός του εξωτερικού διάκενου του εδράνου κύλισης. Η τύρβη μοντελοποιήθηκε με τη χρήση του μοντέλου SST k-ω, ενώ εφαρμόσθηκε η μοντελοποίηση ανισότροπου πορώδους μέσου, προκειμένου να υποκατασταθεί η παρουσία του ελαίου λίπανσης εντός του εδράνου. Εξήχθησαν συναρτήσεις της πτώσης πίεσης με την ταχύτητα εισόδου του αέρα και την περιστροφική ταχύτητα του εδράνου για σειρά συντελεστών του αδρανειακού όρου του πορώδους μέσου, καθώς και συναρτήσεις της εφαπτομενικής ταχύτητας εξόδου του αέρα από το έδρανο ως συνάρτησης της περιφερειακής ταχύτητας του κλωβού και της αξονικής ταχύτητας εισόδου του αέρα. Οι σχέσεις αυτές χρησιμοποιήθηκαν στους υπολογισμούς της βελτιωμένης υπολογιστικής μοντελοποίησης του θαλάμου. Από τα αποτελέσματα των νέων υπολογισμών για τις ίδιες συνθήκες λειτουργίας με τις πειραματικές μετρήσεις και μετά από τη διαδικασία σύγκρισης με τα πειραματικά δεδομένα επελέγησαν νέα σημεία λειτουργίας που οδήγησαν στην εξαγωγή του Νόμου Πτώσης Πίεσης του ‘Λιπαινόμενου’ Εδράνου Κύλισης. Η εφαρμογή του νόμου πτώσης πίεσης του ‘λιπαινόμενου’ εδράνου και της σχέσης μοντελοποίησης της εφαπτομενικής ταχύτητας εξόδου του αέρα από το έδρανο, στο υπολογιστικό μοντέλο του θαλάμου συνιστά τη Βελτιωμένη Υπολογιστική Μοντελοποίηση του Θαλάμου Εδράνου κύλισης με την οποία παρέχεται η δυνατότητα της βελτιστοποίησης όλων των γεωμετρικών και λειτουργικών χαρακτηριστικών του θαλάμου εδράνου αεροπορικού κινητήρα. Η συνολική εικόνα του ροϊκού πεδίου που παράγεται με την βελτιωμένη υπολογιστική μοντελοποίηση είναι όμοια με αυτήν των πειραματικών μετρήσεων τόσο στην ποσοτική της καταγραφή όσο και στην παρουσία και αποτύπωση των κύριων δομών της ροής του αέρα εντός του θαλάμου. Ως πρωτότυπα στοιχεία της διατριβής μπορούν να θεωρηθούν τα παρακάτω: -Η εξαγωγή ενός νόμου για τη μοντελοποίηση της πτώσης πίεσης διαμέσου ενός ένσφαιρου εδράνου κύλισης αεροπορικού κινητήρα, ο οποίος είναι ανεξάρτητος από τη γεωμετρία του θαλάμου και εξαρτάται από την γεωμετρία του εδράνου, την ταχύτητα εισόδου του αέρα και την περιστροφική ταχύτητα του εδράνου. -Η υπολογιστική μοντελοποίηση του θαλάμου ένσφαιρου εδράνου κύλισης αεροπορικού κινητήρα με την εφαρμογή ενός νόμου για τη μοντελοποίηση της πτώσης πίεσης διαμέσου του εδράνου, και τη μοντελοποίηση της περιστροφικής ταχύτητας του εδράνου, με δυνατότητες βελτιστοποίησης των λειτουργικών παραμέτρων και των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του θαλάμου. -Η πειραματική διερεύνηση του ροϊκού πεδίου του θαλάμου εδράνου αυτού του τύπου σε συνθήκες πραγματικής λειτουργίας. -Η χρήση της μεθόδου LDA στη μέτρηση αέρα σε περιβάλλον διφασικής ροής αέρα / ελαίου, χωρίς τη χρήση τεχνητών σωματιδίων (seeding). -Ο σχεδιασμός και η εφαρμογή του δακτυλίου συλλογής του ελαίου λίπανσης που οδήγησε στη βελτίωση της ποιότητας του εξερχόμενου μίγματος αέρα / ελαίου από την απαγωγή εξαερισμού του θαλάμου.
description: The scope of this doctoral thesis is the the experimental investigation and the computational modelling and of the flow field of the sealing air in the front bearing chamber of an aero-engine. The development of a CFD model, for the study and the prediction of the air flow inside the chamber, which will provide the potential for computational optimization of the chamber in relation to operational and design specifications, constituted the main objective of the present thesis. The experimental measurements of the air velocity were carried out with the use of Laser Doppler Anemometry (LDA) method in two-phase air / oil flow conditions inside the chamber in a test rig which was manufactured and it is a 1:1 scale model of the front bearing chamber of an aero-engine. 3D Computational modelling (CFD) of the chamber was performed with the use of ANSYS FLUENT 13 CFD software, while for the modelling of turbulence the model Reynolds Stress Transport (RSM) was used. The bearing gap and the presence of lubrication oil was modelled as an anisotropic porous medium with predefined pressure losses law. The calibration of the initial computational model of the chamber was performed with the comparison of profiles of axial velocity of the calculations and the experiments. The computational investigation of the flow through the bearing was performed by modelling the air flow through the outer gap of the bearing. The turbulence was modelled with the use of model SST k-ω model, while an anisotropic porous medium model was applied to substituted the presence of oil inside the bearing. Relashionships of the pressure drop with the mass flow of the air entering the bearing and of the rotational speed of the bearing for a series of constant coefficients of the inertial term of the porous medium were derived, and also relationships of the circumferential speed of the air exiting the bearing as a function of the rotational speed of the cage and the axial speed of the air entering the gap. These functions were used subsequently in the calculations of the enhanced computational modelling of the chamber. The comparison of the new computational results for the same operational conditions with the experimental measurements with the experimental data led to the selection of new points of operation points which led to the development of the Law of Pressure Drop of a `Lubricated' Bearing. The application in the computational model of the chamber of the pressure drop law of the `lubricated' bearing and the function of modelling the circumferential speed of the air exiting the bearing, resulted in the Enhanced Computational Modelling of the Bearing Chamber. This model has the potential of optimization of the design and operational characteristics of an aero-engine bearing chamber. The total picture of the airflow field that is predicted with the enhanced computational modelling is similar with the one given by the experimental measurements in quantitative terms as well as in the capturing of all the main structures of the air flow inside the chamber. The innovative parts of the thesis can be considered the following: -The formulation of a law modelling the pressure drop through an aero-engine ball bearing, which is independent from the geometry of the chamber and depends on the geometry of the bearing, the speed of the air entering the bearing and the rotational speed of the bearing. -The Computational Modelling of the Bearing Chamber with the application of the pressure drop law of the `lubricated' bearing and the function of modelling the circumferential speed of the air exiting the bearing, which has the potential of optimization of the design and operational characteristics of an aero-engine bearing chamber. -The experimental investigation of the air flow field of this type of bearing chamber under real operational conditions. -The use of LDA method in the measurement of air flow in two-phase air / oil flow environment, without the use of artificial particles (seeding). -The design and the application of a ring of collection of lubrication oil, that led to the improvement of quality of the outgoing air / oil mixture from the vent of the chamber.