Towards Efficient Cooling Strategies for Gears in High-Speed High-Load Applications: Experimental Study and Model Development for Heat Transfer in Jet Impingement Cooling

Hochlast- und Hochgeschwindigkeitsgetriebe sind ein wesentlicher Bestandteil der modernen Triebwerke. Ein kritischer, aber noch nicht ausreichend erforschter Aspekt ist die Kühlung von Zahnrädern, bei der die derzeitigen Konstruktionen aufgrund begrenzter Daten zur Wärmeübertragung stark auf die Erfahrung von Experten und iterative Verbesserungen angewiesen sind. Die vorliegende Arbeit schließt diese Lücke, indem sie die wichtigsten Parameter, die die Wärmeübertragung beeinflussen, experimentell charakterisiert und ihren Einfluss quantifiziert.

Der bestehende Versuchsaufbau und die Methodik werden verbessert und validiert. ... mehrEin neuartiges Kalibrierungsverfahren wird eingeführt, um die Genauigkeit der Temperaturmessungen erheblich zu erhöhen. Die Düsenströmung wird experimentell und numerisch untersucht, wodurch die Ursache für die beobachtete Strömungsablösung in dem sogenannten „hydraulic flip“ gefunden wird. Thermische Messungen über eine Reihe von Betriebsparametern wie Ölvolumenstrom, Zahnraddrehzahl, Strahlwinkel, Düsenanzahl und -durchmesser werden zur Charakterisierung der so genannten signifikanten Parameter verwendet. Der Einfluss dieser signifikanten Parameter auf den flächengemittelten Wärmeübergangskoeffizienten sowie dessen räumliche Verteilung auf der Zahnradoberfläche wird anhand einer optimierten Testmatrix untersucht. Basierend auf den Ergebnissen wird ein neuartiges empirisches Wärmeübergangsmodell entwickelt. Die Vorhersagen des Modells werden mit numerisch bestimmten benetzten Zahnradflächen aus der Literatur verglichen. Verschiedene Optimierungsszenarien werden diskutiert, um die Fähigkeiten des Modells zu demonstrieren. Die Ergebnisse stellen einen wichtigen Beitrag zum Stand der Forschung für die Charakterisierung von Getriebekühlsystemen in Hochlast- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen dar und zeigen das Potenzial für eine verbesserte Kühlleistung durch gezielte konstruktive Anpassungen auf.

High-speed high-load gearboxes are an essential component of modern jet engines. A critical yet under-researched aspect is the cooling of gears, where current designs rely heavily on expert experience and iterative improvements due to limited heat transfer data. This study addresses this gap by experimentally characterising the key parameters that influence heat transfer and quantifying their impact.

The existing test setup and methodology are improved and validated. A novel calibration method is introduced to significantly increase the accuracy of temperature measurements. ... mehrThe nozzle flow is investigated experimentally and numerically, identifying the cause of the observed flow separation in the so-called hydraulic flip. Thermal measurements across a range of operating parameters, such as oil volume flow rate, gear rotational speed, jet angle, nozzle number and nozzle diameter, are used to characterise the so-called significant parameters. The influence of these significant parameters on the surface-averaged heat transfer coefficient and its spatial distribution on the gear surface is investigated using an optimised test matrix. Based on the results, a novel empirical heat transfer model is developed. The predictions of the model are compared with numerically determined wetted areas from the literature. Various optimisation scenarios are discussed to demonstrate the capabilities of the model. The results make a significant contribution to the state of research on gearbox cooling system characterisation in high-speed high-load applications, highlighting the potential for improved cooling performance through targeted design modifications.