Modello CFD semplificato per la stima del windage negli ingranaggi cilindrici delle trasmissioni aeronautiche = Simplified CFD model for spur gears windage prediction in aeronautical gearboxes

Nell’attuale contesto industriale, uno degli obiettivi principali in campo aeronautico è l’ottimizzazione del consumo di carburante da parte dei velivoli. Come diretta conseguenza, si osserva una crescente richiesta di componenti meccanici con efficienze sempre maggiori che, talvolta, si traduce in una complessa sfida ingegneristica. Avvalorata dal livello di accuratezza raggiunto negli ultimi decenni, la simulazione numerica ha assunto un ruolo sempre più importante nella stima della potenza dissipata, comportando al contempo un incremento del costo computazionale. Nelle gearboxes aeronautiche di ultima generazione, la Windage Power Loss (WPL) può superare il 50% delle perdite totali nelle configurazioni ad alta velocità. Lo scopo di questa tesi è dunque di sviluppare un modello per la predizione delle perdite fluidodinamiche associate al windage nelle trasmissioni aeronautiche, contestualizzandolo in un’ottica industriale. Da una ricerca preliminare, la letteratura disponibile offre due possibili soluzioni: l’impiego di correlazioni, immediate nell’utilizzo ma inesatte in casi limite, e le simulazioni CFD 3D, accurate ma complesse e onerose. Da qui nasce la necessità di ricavare una metodologia robusta che consenta di valutare in modo pratico la WPL su singole ruote cilindriche. Chiaramente, a tale scopo, è necessario evitare le simulazioni 3D per ridurre i tempi di calcolo ad una frazione vantaggiosa per l’applicazione industriale. Esplorando i Modelli di Ordine Ridotto (ROMs), si è giunti alla definizione di un modello CFD semplificato, basato sulle simulazioni bidimensionali. A seguito di una prima fase di caratterizzazione aerodinamica del singolo dente, l’analisi numerica si è concentrata sul confronto dei campi di moto ottenuti dalle simulazioni 2D e 3D della singola cavità di ruota. In accordo con la letteratura pregressa, dal confronto dei risultati con una serie di valori sperimentali è emersa un’elevata sottostima da parte dell’approccio bidimensionale. Tuttavia, le analogie e le differenze con il campo di moto tridimensionale hanno suggerito la suddivisione dell’aerodinamica lungo la cavità di dente in tre zone diverse. Ciò ha permesso di sviluppare un modello CFD di ordine ridotto basato su una funzione di trasferimento, dipendente dalla profondità di fascia e dalla velocità di pitch della ruota. Comportandosi come un fattore moltiplicativo, la funzione tiene conto degli effetti 3D per correggere il momento resistente calcolato con le simulazioni bidimensionali. Successivamente ad un’estensiva validazione su 33 sessioni sperimentali che includono diverse condizioni di velocità angolare, geometria di ruota, pressione e densità del fluido, i risultati del modello hanno dimostrato una robusta congruenza con i dati empirici, sia in termini di linearità (R2=99.88%), sia di errore medio relativo (4.22%). La metodologia qui proposta per la stima della WPL rappresenta dunque un’alternativa pratica e veloce alle più onerose simulazioni tridimensionali, offrendo così un mezzo accurato e robusto, applicabile estensivamente a ruote con diverse geometrie, in diverse condizioni operative. L’intero documento è stato redatto in collaborazione con Avio Aero.