Was das Öl über ein Flugzeugtriebwerk erzählen kann
Neue Bauformen bei Mantelstromtriebwerken, die einem größeren Wirkungsgrad dienen, schaffen neue Herausforderungen in Bezug auf die Motorölkühlung. Mit finanzieller Unterstützung der EU bewerten Forscher in Belgien im Rahmen des Projekts ACOC-TH neue Wärmetauscherkonzepte für luftgekühlte Ölkühler (Air-Cooled Oil Cooler, ACOC). Luftgekühlte Ölkühler bzw. Motoroberflächenkühler werden üblicherweise dazu verwendet, um wiederzuverwendendes Öl im Ölkreislauf eines Flugzeugtriebwerks zu kühlen. Die thermische Leistungsfähigkeit wird durch Hinzufügen von Längsrippen zur Vergrößerung der zum Wärmeaustausch zu Verfügung stehenden Oberfläche erhöht, was allerdings die aerodynamische Leistung beeinträchtigen kann. Vor diesem Hintergrund entwickeln die ACOC-TH-Wissenschaftler mathematische Beschreibungen des thermischen Verhaltens luftgekühlter Ölkühler und erproben neue Konzepte in einem transsonischen Windkanal und auf einem Oberflächen-ACOC-Prüfstand, um deren aerothermische Leistung zu maximieren. Mathematische Beschreibungen der Wärmeübertragung für den Fall luftgekühlter Ölkühler erfordern Wissen über Wärmeeigenschaften an Stellen, an denen nicht immer Messungen möglich sind. So wird die Lösung eines sogenannten inversen Problems erforderlich, für das keine Lösung garantiert ist, wie es bei einem direkten Problem der Fall ist. Außerdem muss, wenn eine Lösung gefunden wird, diese nicht eindeutig sein. Derartige Probleme können außerdem instabil gegenüber Störungen in den Eingangsdaten sein. Im Lauf der ersten 18 Monate des ACO-TH-Projekts entwickelten die Forschenden eine inverse Wärmeleitungsmethode (Inverse Heat Conduction Method, IHCM) zum Abschätzen der Wärmeflussverteilung mit Hilfe von Infrarotthermografie-Temperaturmessungen. Die neue IHCM ist robust gegenüber verrauschten Dateneingaben und stellt eine Lösung für das 3D-Wärmeübertragungsproblem mit einer mittleren Unsicherheit unterhalb von 20 % dar. Die Wissenschaftler entwarfen außerdem einen Windkanalprüfstand, der einen optischen Zugriff und Messungen zur fortgeschrittenen Wärmeübertragungsanalyse ermöglicht, und brachten diesen zum Einsatz. Der optische Zugriff auf eine vollständige Lamelle war jedoch nicht möglich. Das Team setzte die neue IHCM allerdings mit Erfolg bei der Bewertung des 3D-Wärmeübertragungsprozesses ein. Zum Abschluss realisierte man einen Oberflächen-ACOC-Testaufbau, welcher der Durchführung aerothermischer Vergleiche verschiedener vielversprechender Technologien durch Modifizieren von Parametern seitens der Luft oder des Öls diente. ACOC-TH konnte die erforderlichen mathematischen und experimentellen Testwerkzeuge zur Bewertung der ACOC-Technologien für die umweltfreundlichen Turbofan-Triebwerke von morgen bereitstellen. Die Arbeit stellt sicher, dass die Wärmemanagementtechnologien mit den Fortschritten im Triebwerkbau Schritt halten und die EU-Luftfahrtindustrie auch in Zukunft ihre Konkurrenten überflügeln kann.
