Einfluss der geometrischen Kanalform auf die Charakteristik von Trilok-Drehmomentwandlern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
2.1 Allgemein verständliche Darstellung der wesentlichen Ergebnisse Grundlegende Zusammenhänge zwischen der Geometrie und der Strömung sind in hydrodynamischen Drehmomentwandlern noch weitgehend unerforscht. Die globalen Kenn- A/f D Äff großen wie die Leistungszahl A - —^Sr, die Drehmomentwandlung //— i/"™"" und 0 u pW-Lf " '"Pumpe der Wirkungsgrad 77 — ß • v werden mit den heutigen numerischen Modellen schon sehr gut wiedergegeben. Dieses Projekt soll zum tieferen Verständnis der Strömung beitragen, indem die Navier- StokeS'Gleichungen, die eine Strömung beschreiben, erstmals im gesamten Drehmomentwandler untersucht werden. Dazu werden Geometriemodelle der beiden aus der Literatur bekannten Wandlermodelle W240 und W254 der ZF Sachs AG erstellt. Für diese Geometrien werden unstrukturierte Hexaeder-Maschennetze erzeugt, mit denen anschließend durch das kommerzielle Berechnungsprogramm CFX die Strömung simuliert wird. Aus dem berechneten dreidimensionalen Strömungsfeld lassen sich die Viskositäts-, Konvektions-, Druck-, Zentrifugal- und Coriolis-Terme bestimmen. Diese werden in jedem Bauteil auf 100 Strömungsquerschnitten entlang der Stromfadenrichtung impulsgemittelt berechnet, wobei eine stationäre, dimensionslose Form der Gleichungen gewählt wird, um so die Vergleichbarkeit der unterschiedlichen Drehmomentwandler zu erhöhen. Die anschließende Auswertung in Microsoft-Excel ermöglicht sowohl die generelle Betrachtung der Vektoren der einzelnen Komponenten als auch die Analyse projizierter Terme. Die Komponentenzerlegung erfolgt mittels des Steigungswinkels 7 und des Umlenkwinkels <5, die ausgehend von der N AG A-Definition derart festgelegt werden, dass sie eine Betrachtung auch innerhalb der radialen Bauteile ermöglichen. Die Untersuchung der cos 7-Komponenten liefert Erkenntnisse bezüglich der Beschleunigung bzw. der Verzögerung entlang der Strömungsrichtung, während die sin Ö-Terme Auskunft über die Verteilung der senkrecht auf die Schaufelfläche wirkenden Kräfte geben. Ein deutlicher Zusammenhang zwischen den cos 7-Anteilen der Navier-Stokes-Gleichung und der Beschleunigung konnte durch den Vergleich der summierten Komponenten und der mittleren Geschwindigkeit auf den Auswertungsebenen gezeigt werden. Das Fluid wird beschleunigt, wenn die Summe der cos7-Terme größer null ist und bei Werten kleiner null verzögert. Für die Belastung der Schaufeln bzw. für die Verteilung der Anteile, die für die Übertragung der Momente verantwortlich sind, werden die sin<5-Terme der Navier-Stokes- Gleichung verwendet. So kann Auskunft darüber gegeben werden, welche Terme an welcher Stelle in den einzelnen Bauteilen an der Übertragung der Momente teilnehmen und wie groß ihr Anteil dabei ist. Im Hinblick auf die Abhängigkeit der Kennlinien der Wandler wird die Krümmung der Kanäle in den einzelnen Rechengebiete untersucht. Obwohl die Krümmung im zweidimensionalen (Meridian-) Schnitt sehr verschieden ist, wurde bei den analysierten Modellen festgestellt, dass der Verlauf der dreidimensionalen Krümmung, die eine Verwindung der Schaufeln im Raum berücksichtigt, weniger unterschiedlich als erwartet ist. Die Betrachtung der Beträge der N avier-Stokes-Terme zeigt, dass die Komponenten, die durch die Rotation der Bauteile bedingt sind, einen vergleichsweise geringen Einfluss durch die Krümmung erfahren. Wesentlich dominanter ist die Auswirkung der Drehzahl auf diese Terme. Für niedrige Drehzahlverhältnisse kann ein Zusammenhang zwischen der dreidimensionalen Krümmung und den wirksamen Druck- und Konvektionstermen festgestellt werden. Während der viskose Term wegen der vorliegenden Reynolds-Zahlen im gesainten Betreibsbereich eine untergeordnete Rolle spielt, sind die Drehzahlen in den Betriebspunkten niedriger Drehzahlverhältnisse von Abtrieb zu Antrieb noch zu gering, um Auswirkungen durch Coriolis- und Zentrifugalterme zu erzeugen. Daher kann in den Leiträdern und den Turbinen beobachtet werden, dass die Navier-Stokes-Terme dem Verlauf der Krümmung tendenziell folgen. An der Stelle, an der die Krümmung in der Turbine des Modells W254 ein lokales Minimum hat, löst die Strömung bei geringen Drehzahlen ab. Ein möglichst kontinuierlicher Verlauf der Krümmung ist daher wünschenswert. 2.2 Ausblick auf künftige Arbeiten und Beschreibung möglicher Anwendungen Zur Validierung der Erkenntnisse wäre es sinnvoll, weitere Geometrien hydrodynamischer Drehmomentwandler nachzurechnen. Allerdings sind nahezu keine exakten Daten öffentlich verfügbar, daher wäre eine Kooperation mit einem Industriepartner anzustreben. Dieser könnte unterschiedlichste Geometrien zur weiteren Bearbeitung zur Verfügung stellen. Auch wäre es möglich, auf diesem Weg, die Erkenntnisse in neue Geometrien einfließen zu lassen und so Schaufelformen zu gestalten, die entlang der Stromfadenposition aufgrund eines gewählten Krümmungsverlaufs gleichmäßiger belastet werden. Dadurch könnte der Wirkunsgrad gerade in Bereichen niedriger Drehzahlverhältnisse erhöht und so der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden. Neben einem gezielten stetigen 3D-Krümmungsverlauf des Stromfadens durch Vorgabe entsprechender Schaufelkanaigeometrien ist die Turbulenzmodellierung im hydrodynamischen Drehmomentwandler von Interesse. Zur Zeit laufen am Lehrstuhl für Fluidenergiemaschinen Arbeiten zum Thema Diffusorauslegung axialer Turbomaschinen, die u. a. die Turbulenzmodellierung in diesen Maschinen betrachten. Diese Untersuchungen könnten auf Automobil-Drehmomentwandler ausgeweitet werden, um so neuere Turbulenzmodelle zu testen. Bei dem abgeschlossenen Projekt wurde mit dem Standard "k-e-Modell gerechnet, da das in CFX implementierte "Shear Stress Transport"-Model l versagte. In der neueren Version des kommerziellen Strömungslösers sind weitere Varianten der Turbulenzmodelle eingebaut, die bisher noch nicht auf den Wandler angewendet wurden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- M. Wollnik, W. Volgmann und H. Stoff. Importance of the navier-stokes forces on the flow in a hydrodynamic torque converter. In H.J. Catrakis, S,H. Sohrab und S. Necasova (Hrsg.), Proceedings of the 4th WSEAS International Conference on Fluid Mechanics and Aerodynamics, Elounda, Greece, August 21-23, 2006, S. 168- 173. WSEAS, Mai 2006.
- M. Wollnik, W. Volgmann und H. Stoff. Importance of the navier-stokes forces on the flow in a turbine of a hydrodynamic torque converter. WSEAS Transactions on Fluid Mechanics, l{5):363-369, Mai 2006,
