Zur numerischen Simulation der Ölstrahl-Zahnrad-Interaktion in Flugtriebwerken: Eine Studie mit SPH und VOF

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. ... mehrAn 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.

The geared turbofan engine is seen as a short-term response to economic, ecological and societal demands for efficient and quiet propulsion systems in civil aviation. For this jet engine architecture, optimization of the oil system in the integral ultrahigh-power gearbox is essential, in particular with regard to its cooling function. Previous studies have shown that the oil distribution over the tooth flanks resulting from the oil jet-gear interaction (OGI) plays an important role for the cooling effect achieved by means of oil-jet lubrication. However, to date there is no suitable analytical or experimental methodology for quantitative analysis of the OGI, which is why its characterization is incomplete. ... mehrThis work aims to address this point. By means of computational fluid dynamics (CFD), the OGI is made accessible. Here, the grid-based volume of fluid (VOF) method and, for the first time, the particle-based smoothed particle hydrodynamics (SPH) method are used. The latter promises to overcome limitations of grid-based methods in modeling the gear motion – in particular the gear meshing – and the complex oil/air two-phase flow.

In comparative studies and considering experimental observations, the applicability of both CFD methods is first evaluated in terms of modeling capabilities, accuracy, and computational efficiency. Also, plausibility checks of the results are performed. The presented SPH simulations of the OGI are the world’s first simulations of this kind and clearly highlight the great potential of the method. Further, the effect of selected operational and geometrical parameters (oil-jet velocity, oil-jet diameter, oil-jet angle and gear speed) is investigated by means of the VOF method. To this end, the oil-jet interaction with a single gear is simulated at 21 operating points. Through the time history of the penetration depth, the wetting area and the oil film volume, new metrics are introduced to analyze the simulation results. This extends the current description of the OGI by quantitative spatial and temporal information about the oil distribution on the tooth flanks. The impingement depth, the effective volume and the impingement Reynolds number are identified as the main influencing parameters, all of which can be determined a priori. The findings are exploited to build correlations for the maximum wetting area and the maximum penetration depth using the generated database. Finally, the SPH method is used to simulate the oil-jet interaction with two interlocking gears for three injection variants. The into-mesh and out-of-mesh flow details of the OGI are thus simulated for the first time.

With the simulation models build, the detailed simulation results presented and the data, correlations and findings gained, this work substantially contributes to the optimization of the oil system for geared turbofan engines and motivates the further application of CFD, in particular of SPH, in this field.