Zur numerischen Simulation der Ölstrahl-Zahnrad-Interaktion in Flugtriebwerken
Eine Studie mit SPH und VOF
Marc Keller
Mit der Getriebefan-Technologie werden hohe Nebenstromverhältnisse und damit effizientere und leisere Flugantriebe möglich. 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 ist die Charakterisierung der ÖZI bislang lückenhaft.
In dieser Arbeit wird die ÖZI mittels numerischer Strömungssimulation (CFD) zugänglich gemacht. Der dreidimensionale und transiente Strömungsprozess wird hochaufgelöst abgebildet, wodurch dessen quantitative Analyse möglich wird. Zum Einsatz kommen die gitterbasierte Volume-of-Fluid(VOF)-Methode und erstmals die partikelbasierte Smoothed-Particle-Hydrodynamics(SPH)-Methode. Unter Variation von Betriebsparametern wird die Datenbasis zur Charakterisierung der ÖZI geschaffen. Außerdem wird der Zahnradeingriff erstmals simulativ berücksichtigt. Als Haupteinflussgrößen für die Zahnflankenbenetzung werden die Aufpralltiefe, das Effektivvolumen und die Aufprall-Reynolds-Zahl identifiziert. Auf dieser Basis gebildete Korrelationen für die Benetzungsfläche und die Eindringtiefe sind durch die vorliegende Arbeit erstmals verfügbar. Dies unterstützt die Optimierung des Ölsystems für Getriebefan-Triebwerke und motiviert den weiteren Einsatz von CFD in Praxis und Forschung auf diesem Gebiet.
