Wärmeübergang bei Prallkühlung eines rotierenden Zylinders
Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Kühlung thermisch hochbelasteter Bauteile stellt eine Herausforderung in vielen aktuellen Forschungsbereichen dar. Eine effektive Kühlmethode stellt die Prallkühlung dar, mittels derer hohe Wärmeströme lokal gezielt abgeführt werden können. Flüssige Prallkühlung mittels Öl hat außerdem den Vorteil, gleichzeitig als Schmierung zu fungieren, beispielsweise in Getrieben. Die Prallkühlung statischer Oberflächen ist in der Literatur bereits ausführlich beschrieben, wohingegen die flüssige Prallkühlung bewegter Oberflächen bisher kaum untersucht wurde. Zentrales Thema des vorliegenden Projekts ist deshalb die eingehende Untersuchung der flüssigen Prallkühlung eines rotierenden Zylinders durch einen Ölstrahl. Zur Analyse der Strömung wurden Hochgeschwindigkeitsaufnahmen des Strahlaufpralls realisiert. Dabei wurden die Eingangsgrößen Öltemperatur, Ölvolumenstrom, Drehzahl und Düsendurchmesser variiert. Anschließend wurden die Aufnahmen nach Strömungsregimen klassifiziert. Es konnten vier unterschiedliche Strömungsregime identifiziert und charakterisiert werden. Ein mit Thermoelementen bestückter Rotor ermöglichte eine thermische Untersuchung des Wärmeübergangs zwischen Ölstrahl und Zylinder. Ein neu entwickeltes Korrekturverfahren reduzierte systematische Unsicherheiten bei der Temperaturmessung. In einer Parameterstudie wurden die zuvor genannten Eingangsparameter systematisch variiert und umfangsgemittelt ausgewertet. Mittels einer Finite-Elemente-Simulation konnte im Anschluss an die Temperaturmessungen auf den Wärmestrom geschlossen werden. Es stellte sich heraus, dass Dissipation durch Scherung des Öls einen signifikanten Einfluss auf den Wärmeübergang hat. Die Auswertung nach dem Superpositionsprinzip ermöglichte die Ableitung der adiabaten Wandtemperatur und der zugehörigen Nußeltzahl. Die Anwendbarkeit des Superpositionsprinzips für Flüssigkeiten wurde durch die Analyse einer vereinfachten Strömung mittels einer analytischen Ähnlichkeitslösung überprüft. Für die Zielgrößen Nußeltzahl, Recovery-Faktor und Ölfilmbreite konnten Korrelationen abgeleitet werden, die über einen großen Betriebsparameterbereich Gültigkeit besitzen. Abschließend wurde die Übertragbarkeit auf die Zahnradkühlung geprüft. Vorhergehende Untersuchungen konnten zeigen, dass der Wärmeübergang bei der Zahnradkühlung von der benetzten Fläche und dem Aufprallvorgang dominiert wird. Für die benetzte Fläche konnte ein vereinfachtes analytisches Werkzeug entwickelt werden, dessen Ergebnisse eine gute Übereinstimmung mit hochaufgelösten numerischen Ergebnissen aufwiesen. Die Zylinder-Korrelationen konnten unter Einhaltung dimensionsloser Kenngrößen auf das Zahnrad übertragen werden. Der Vergleich mit thermischen Messungen am Zahnrad wies eine gute Übereinstimmung auf. Die detaillierten Ergebnisse am Zylinder können nun auf verschiedene Anwendungen mit flüssiger Prallkühlung auf bewegte Oberflächen übertragen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Experimental Investigation of the Oil Jet Heat Transfer on a Rotating Cylinder for an Aero Engine Gearbox,“ in 25th Conference of the International Society for Air Breathing Engines, Ottawa, Canada
C. Kromer, E. Ayan, C. Schwitzke & H.-J. Bauer
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Similarity solutions of a Blasius flow with variable fluid properties and viscous dissipation. Heat and Mass Transfer, 59(12), 2285-2298.
Kromer, Christian; Schwitzke, Corina & Bauer, Hans-Jörg
