Fachgebiet Fluidtechnik

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http://hdl.handle.net/2003/35367

Ziel der grundlagen- und anwendungsorientierten Forschung am FG Fluidtechnik ist es, durch ein vertieftes Verständnis der physikalischen Arbeitsweise von Rotationsverdrängern sowie deren Wechselwirkung mit der umgebenden Anlage zu einer innovativen Gestaltung dieser Fluidenergiemaschinen zu gelangen. Seit 1975 liegt hierbei der Fokus auf den Schraubenmaschinen in den verschiedenen Anwendungen als - Schraubenkompressor - Schraubenlader - Schrauben(spindel)vakuumpumpe - Schraubenexpander. Insbesondere die Kombination von generischen Experimenten mit Detailsimulationen liefert das Verständnis zur Erarbeitung neuer theoretischer Modelle, die in Methoden zur Gestaltung der Rotationsverdränger integriert und an realen Maschinen validiert werden. Die Lehre konzentriert sich auf die fundierte Ausbildung von Maschinenbau-Ingenieuren (BA/MA) in den Grundlagen der Strömungsmechanik und im vertieften Fachwissen über die Gestaltung und Funktion unterschiedlicher Fluidenergiemaschinen. Theoretisch ermittelte Zusammenhänge werden durch Übungen und angebotene Laborversuche vertieft.

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Potenzial von nicht-konstanter Rotorsteigung für Schraubenkompressoren
(2021) Utri, Matthias; Brümmer, Andreas; Rinder, Laurenz
In der vorliegenden Arbeit wird das Potenzial nicht-konstanter Rotorsteigung zur Verbesserung der Energiewandlungsgüte von trockenlaufenden Schraubenkompressoren analysiert. Mithilfe von Kammermodellsimulationen und der Kopplung an einen Optimierungsalgorithmus wird die optimale Rotorgeometrie für eine Vielzahl von Randbedingungen bestimmt. Zur Erhöhung der Genauigkeit des Simulationsansatzes wird zuvor der dimensionslose Strömungsbeiwert für die Stirn- und Gehäusespaltströmungen als Funktion der Ein- und Austrittsbedingungen quantifiziert. Zur Beschreibung des Spaltdurchflusses werden dimensionslose Kennzahlen hergeleitet und deren Einfluss auf den Strömungsbeiwert bestimmt. Die Untersuchung der Spalte geschieht mittels numerischer Strömungssimulation und zur experimentellen Validierung anhand eines entwickelten Spaltmodells in einem offenen Luftkreislauf. Als entscheidende Einflussparameter auf den Strömungsbeiwert der untersuchten Spalte stellen sich dabei die Reynoldszahl sowie jeweils eine geometrische Kennzahl, die ein Verhältnis aus Spalthöhe und -länge beschreibt, heraus. Zudem wird die Durchströmung des Stirnspaltes stark von einer Berandungsbewegung beeinflusst. Für den Stirnspalt wird außerdem ein analytischer Ansatz vorgestellt, über den der Spaltdurchfluss im Bereich niedriger Reynoldszahlen bestimmt werden kann. Die Ergebnisse der simulativen Spaltuntersuchungen zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten und werden, angenähert über Funktionale, in die Kammermodellsimulation integriert. Für die benötigte Vielzahl an Kammermodellen wird ein effizienter Ansatz der Modellerstellung unter Nutzung der geometrischen Periodizität der Rotoren vorgestellt. Das entwickelte Programm wird gemeinsam mit dem Simulationsprogramm „KaSim“ an einen Simplex-Algorithmus zur Optimierung der Rotorsteigung trockenlaufender Schraubenkompressoren gekoppelt. Dimensionslose Kennzahlen zur Beschreibung der Energiewandlungsgüte der Kompressoren werden hergeleitet und in der Auswertung verwendet. Für die untersuchten Randbedingungen stellt sich ein Rotor mit zwei Segmenten unterschiedlicher Länge und Rotorsteigung als optimal heraus. Durch ein kurzes, hochdruckseitiges Segment mit geringer Rotorsteigung können die Auslassfläche und das innere Volumenverhältnis vergrößert, die Auslassdrosselung reduziert und die Gesamtverwindung der Rotoren verringert werden. Dadurch ergeben sich insbesondere bei großen Verdichtungsverhältnissen und Umfangsmachzahlen sowie geringen Spalthöhen gegenüber konstanter Rotorsteigung eine Vergrößerung des Fördermassenstroms und eine Erhöhung des inneren isentropen Gütegrades, die bei den untersuchten Randbedingungen bis zu sechs Prozentpunkte beträgt. Insbesondere für öleingespritzte Kältekompressoren bietet die nicht-konstante Rotorsteigung damit ein großes Potenzial. Das aufgedeckte theoretische Potenzial wird anhand eines öleingespritzten Prototyps mit nicht-konstanter Rotorsteigung experimentell mit dem Arbeitsmedium Luft untersucht. Die Rotoren mit zwei Segmenten mit jeweils konstanter Steigung werden dazu auf einer Fräsmaschine gefertigt. Gegenüber der kommerziell vertriebenen Referenzmaschine konstanter Rotorsteigung kann der effektive isentrope Gütegrad für große Verdichtungsverhältnisse und Umfangsgeschwindigkeiten um vier Prozentpunkte gesteigert werden und bestätigt damit das energetische Potenzial von Schraubenkompressoren mit nicht-konstanter Rotorsteigung.
MoS2-Dünnschichten für unsynchronisierte, trockenlaufende Schraubenmaschinen
(2021-08-23) Aurich, Daniel; Wittig, Alexandra; Stangier, Dominic; Debus, Jörg; Thomann, Carl-Arne; Tillmann, Wolfgang; Brümmer, Andreas
Unsynchronisierte, trockenlaufende Schraubenmaschinen weisen ein großes Potential auf, eine ressourcenschonende Alternative zu konventionellen Bauformen von Schraubenmaschinen zu liefern. Durch die Einsparung eines Synchronisationsgetriebes und den Verzicht auf ein flüssiges Schmiermittel ergeben sich ökonomische und ökologische Vorteile, da der Material- und Energieeinsatz reduziert werden. Die Reinheit des Prozessgases wird erhöht und die Umweltbelastung wird somit minimiert. Vakuumbeschichtungsverfahren stellen eine der Schlüsseltechnologien zur Realisierung einer unsynchronisierten, trockenlaufenden Schraubenmaschine dar. Durch die endkonturnahe Beschichtung und die Möglichkeit, die strukturellen Eigenschaften der Beschichtung gezielt zu verändern, lassen sich die Dünnschichten optimal konditionieren. Durch den Einsatz von MoS2-Dünnschichten als Vertreter der Festschmierstoffe können die Reibeigenschaften der Schraubenmaschinen verbessert werden, sodass auch an dieser Stelle ein großes Potential vorliegt, die Reibung und somit den Energieeinsatz zu reduzieren.
Verdünnte Strömumg in Spalten von Vakuumpumpen mit bewegter Berandung
(2020) Huck, Christopher; Brümmer, Andreas; Böhle, Martin
In der vorliegenden Arbeit wird die verdünnte Strömung in Spalten von Vakuumpumpen diskutiert. Die durch eine Druckdifferenz (Poiseuille-Strömung), eine bewegte Berandung (Couette-Strömung) oder eine Temperaturdifferenz (thermische Kriechströmung) erzeugten Strömungen, welche isoliert oder kombiniert betrachtet werden, sind Gegenstand der Untersuchungen. Im Rahmen der Arbeit wird eine eindimensionale Theorie validiert, welche diese drei Strömungsarten in einem weiten Bereich der Gasverd ünnung abbilden kann. Dafür werden sowohl Simulationen mithilfe der DSMCMethode (Direct Simulation Monte Carlo), die das Gas auf Ebene der Teilchen modelliert, als auch experimentelle Untersuchungen herangezogen. Insgesamt werden zwei verschiedene Spaltgeometrien betrachtet. Der planparallele Spalt, welcher aus zwei zueinander parallele Konturen gebildet wird und der Radiusspalt, welcher aus einer planen Kontur und einer Kontur mit Radius besteht. Um allgemeingültige Ergebnisse zu erhalten, werden die zur Beschreibung der Strömung notwendigen dimensionslosen Kennzahlen identifiziert. Hierbei wird davon ausgegangen, dass in jedem Querschnitt in Strömungsrichtung ein vollständiger Wärmeaustausch zwischen Gas und Wand stattfindet. Die so ermittelten Kennzahlen können im weiteren Verlauf umfangreich variiert werden. Für die experimentellen Untersuchungen werden zwei geeignete Spaltmodellaufbauten vorgestellt. Ein Spaltmodell kann zur Messung des Massenstroms einer reinen Poiseuille-Strömung genutzt werden. Ein weiteres Modell dient zur Messung des Massenstroms aufgrund einer kombinierten Couette-Poiseuille Strömung, bei welchem auch ein Konzept zur Bestimmung der Massenströme weiterer Spalte vorgestellt wird, die aufgrund der notwendigen bewegten Berandung entstehen. Anschlieÿend wird eine umfangreiche experimentelle Untersuchung der Spaltströmung unter Variation der dimensionslosen Kennzahlen durchgeführt. Ein Vergleich der Ergebnisse mit den Simulationsergebnissen der eindimensionalen Theorie und der DSMCMethode ergibt über einen weiten Bereich der Gasverdünnung eine gute Übereinstimmung. Abweichungen finden sich im Bereich der Kontinuumsströmung zwischen eindimensionaler Theorie und dem Experiment. Die bei der eindimensionalen Theorie getroffenen Annahmen und Vereinfachungen zur Berechnung der Strömung werden nachfolgend dahingehen untersucht, in welchen Bereich der dimensionslosen Kennzahlen die eindimensionale Theorie gute Ergebnisse liefert. Die Einsatzgrenzen der eindimensionalen Theorie werden mit einer über die experimentellen Untersuchungen hinausgehenden Variation der dimensionslosen Kennzahlen ermittelt. Zur Beurteilung der Abbildungsgüte der eindimensionalen Theorie werden die Simulationsergebnisse der DSMC-Methode herangezogen und auf diesem Weg können erfolgreich Kriterien für die Einsatzgrenzen herausgearbeitet werden.
Nichtreflektierende Rand- und Kopplungsbedingung zur instationären Strömungssimulation von Fluidenergiemaschinen in Anlagen
(2019-12-13) Linkamp, Andreas; Brümmer, Andreas; Skoda, Romuald
In der vorliegenden Arbeit wird eine ganzheitliche Methode zur Simulation der instationären Wechselwirkungen zwischen Fluidenergiemaschinen und Anlagen entwickelt. Diese umfasst eine nichtreflektierende Randbedingung für eindimensionale numerische Domains sowie eine nichtreflektierende Kopplungsbedingung zur zeitechten Zwei-Wege-Kopplung von eindimensionalen und dreidimensionalen numerischen Domains. Mithilfe der entwickelten nichtreflektierenden Rand- und Kopplungsbedingung lässt sich sowohl der Einfluss akustischer Rückwirkungen angeschlossener Anlagen auf das Betriebsverhalten als auch die Pulsationsanregung von Fluidenergiemaschinen simulieren und analysieren. Der Bedarf der Entwicklung einer nichtreflektierenden Randbedingung ergibt sich aus der Notwendigkeit bei bisherigen in der Literatur vorhandenen Konzepten, einen Kompromiss zwischen niedrigen Reflexionen einerseits und der Einhaltung eines geforderten Mittelwertes von Strömungsgrößen andererseits zu treffen. Durch Modifikation der etablierten nichtreflektierenden charakteristischen Randbedingung mittels Überlagerung eines geeigneten Filters im Zeitbereich wird eine neuefilterbasierte nichtreflektierende Randbedingung entwickelt, mit der sich die beiden genannten Anforderungen gleichzeitig erfüllen lassen. Anhand umfangreicher Variationen der relevanten akustischen bzw. strömungsmechanischen und numerischen Parameter wird gezeigt, dass sich mit der neu entwickelten filterbasierten nichtreflektierenden Randbedingung eine erhebliche Reduktion von Reflexionen im Vergleich zu bisherigen Ansätzen nichtreflektierender Randbedingungen erreichen lässt, wobei gleichzeitig der vorgegebene Wert der Gleichgrößen eingehalten wird. Die entwickelte nichtreflektierende Kopplungsbedingung wird zur Kopplung detaillierter dreidimensionaler Modelle zur Strömungssimulation von Fluidenergiemaschinen und reduzierter eindimensionaler Modelle zur Strömungssimulation von Rohrleitungssystemen konzipiert. Im Rahmen der Methodenentwicklung werden zunächst die grundlegenden Mechanismen zur Entstehung von Reflexionen an den Grenzflächen zwischen unterschiedlich diskretisierten, gekoppelten numerischen Domains anhand leitungsakustischer Betrachtungen theoretisch diskutiert. Es wird die Theorie abgeleitet, die Reflexionen an der Grenzfläche durch Anpassung der spektralen numerischen Fehler und damit der numerischen Impedanzen von gekoppelten Domains zu minimieren. Zur Validierung der Theorie der numerischen Impedanzanpassung wird im Voraus eine Methode zur numerisch-experimentellen spektralen Fehleranalyse numerischer Schemata entwickelt und anhand analytischer Funktionale validiert. Anschließend wird bei umfassender Parametervariation mit sukzessiver Erhöhung der Komplexität der gekoppelten numerischen Domains der Einfluss der spektralen numerischen Fehler auf die auftretenden Reflexionen an der Kopplungsstelle untersucht. Es wird gezeigt, dass durch gezielte Anpassung numerischer Parameter in den gekoppelten Domains die Reflexionen an einer Kopplungsstelle minimiert werden können. Abschließend werden generische Testfälle mit Kombination der nichtreflektierenden Rand- und Kopplungsbedingung simuliert. Anhand dieser Testfälle wird das Vorgehen bei der numerischen Impedanzanpassung demonstriert sowie die Anwendung der entwickelten Methoden in praktischen ingenieurtechnischen Problemstellungen veranschaulicht.
Investigating a small oil-flooded twin-screw expander for waste-heat utilisation in ORC systems
(2017-06-28) Nikolov, Alexander; Brümmer, Andreas
Screw-type expanders offer excellent prospects for energy conversion in lower and medium power ranges, for instance as expansion engines in Rankine cycles with regard to either waste or geothermal heat recovery. With the aim of identifying the potential in organic Rankine cycle (ORC) power systems, an oil-flooded twin-screw expander without timing gears was designed and experimentally investigated in an ORC with R245fa as working fluid. Here, the scope for the experimental determination of the expander characteristic map was limited by the test rig specifications. Based on the experimental results, a multi-chamber model of the test twin-screw expander was calibrated and theoretical approaches according to mechanical and hydraulic loss calculation were applied. Consequently, the expander’s complete characteristic map could be calculated. Furthermore, relevant mechanisms influencing the operational behaviour of oil-flooded twin-screw expanders were identified and analysed in-depth
Simulations and experimental investigations on the acoustic characterisation of centrifugal pumps of different specific speed
(2019-07-02) Lehr, Christian; Linkamp, Andreas; Aurich, Daniel; Brümmer, Andreas
Subject of discussion are simulations and experimental investigations on the acoustic characterization of three single stage centrifugal pumps of different specific speed. In operation, these pump-types generate pressure pulsation at blade passing frequency, primarily due to rotor-volute-interaction. In order to determine the acoustic excitation it is necessary to know about the pumps’ acoustic transmission parameters. In this paper, a one-dimensional numerical model for transient time-domain simulation is presented, which takes into account the pump geometry as well as the volutes’ structural behaviour by means of the local effective speed of sound. Numerical results for the transmission characteristics of the three different pumps are shown in terms of scattering matrices and evaluated against parameters calculated from measurement results. The experimental analyses are carried out using dynamic pressure sensors in both the suction and the discharge pipe. Assuming solely plane wave propagation, the complex acoustic field on each side is evaluated independently. The so called “two source” method is then used to determine the transmission parameters of the pumps in standstill for a range of frequencies experimentally. Subsequently, the acoustic excitation at varying rotational speed is evaluated by means of measurements at the pumps in operation and presented as monopole and dipole source types for cavitation-free conditions.
Entwicklung einer adaptiven und passiven Pulsationsdämpfereinheit
(2018) Tetenborg, Patrick; Brümmer, Andreas; Pelz, Peter F.
In der vorliegenden Arbeit wird eine neu entwickelte adaptive und passive Pulsationsdämpfereinheit vorgestellt. Diese Pulsationsdämpfereinheit ändert ihr pulsationsdämpfendes Drosselverhalten adaptiv und ohne Zufuhr von Fremdenergie. Anhand des aktuellen Standes der Technik ergibt sich ein Bedarf hinsichtlich eines dissipativ arbeitenden Dämpfungsmechanismus mit einem dynamisch anpassbaren Drosselverhalten. Damit eine geeignete dynamische Anpassung der gewünschten Drosselung innerhalb einer Schwankungsperiode der eintreffenden Pulsationen erfolgen kann, wird ein ideales dissipatives Dämpfungsverhalten definiert.Analytische Betrachtungen auf Basis der ebenen Wellentheorie führen anschließend auf ein Funktionsprinzip mit dem das gewünschte Dämpfungsverhalten realisiert werden kann. Für die Beschreibung dieses Funktionsprinzips wird eine neue dimensionslose Kennzahl - der adaptive akustische Verlustbeiwert ζa-a - eingeführt. Dieser stellt einen Bezug des transienten Druckverlusts durch die dynamische Änderung des Verlustbeiwerts der Pulsationsdämpfereinheit zu dem lokalen Schalldruck vor der Pulsationsdämpfereinheit her. Dadurch kann für beliebige Ausführungen von Pulationsdämpfereinheiten das adaptive pulsationsdämpfende Verhalten charakterisiert werden. Zur Erzielung einer gemäß Definition vollständigen Pulsationsdämpfung wird ein adaptiver akustischer Verlustbeiwert von ζa-a = 1 benötigt. Anschließend wird ein Konzept für die adaptive und passive Umsetzung des Funktionsprinzips entwickelt. Gemäß dem Konzept erfolgt eine von den lokalen Schwankungsgrößen abhängige, geometrische Anpassung der Strömungskontur der Pulsationsdämpfereinheit. Anhand eines konzeptgemäßen Prototypen werden zunächst die funktionsrelevanten Einzeldisziplinen - Strukturmechanik, Strömungsmechanik sowie die adaptiven Kräfte - messtechnisch untersucht. Im Anschluss daran wird das pulsationsdämpfende Verhalten in pulsierenden Strömungen am Gasmengenversuchsstand des FG Fluidtechnik der TU Dortmund untersucht. Die gegebenen Rahmenbedingungen führen hier zu einem vom erarbeiteten Funktionsprinzip geringfügig abweichenden Betriebsverhalten. Im Vergleich zu statischen Drosselelementen zeigen sich dennoch deutlich verbesserte Dämpfungseigenschaften für die adaptive und passive Pulsationsdämpfereinheit. Nach den messtechnischen Untersuchungen werden numerische Untersuchungen genutzt, um das Dämpfungsverhalten der adaptiven und passiven Pulsationsdämpfereinheit allgemeingültig für abweichende Randbedingungen beurteilen zu können. Hierzu wird zunächst das strukturdynamische Verhalten der Pulsationsdämpfereinheit reproduziert. Danach wird ein eindimensionales Modell für den Gasmengenversuchsstand auf Basis eines 3-Charakteristikenverfahrens erstellt und eine Übergangsbedingung mit einer geeigneten Fluid-Struktur-Interaktion auf Basis des strukturdynamischen Modells implementiert. Dadurch kann das messtechnisch erfasste Betriebsverhalten der Pulsationsdämpfereinheit numerisch reproduziert werden. Das durch die hohe Abbildungsgüte bestätigte Modellierungsverfahren wird im Weiteren zur numerischen Untersuchung des Betriebsverhaltens der Pulsationsdämpfereinheit bei beliebigen Randbedingungen genutzt. Über eine geeignete Parametervariation werden hierzu gezielt die betriebsrelevanten dimensionslosen Kennzahlen variiert. Zur Bewertung werden diese Untersuchungen auch mit einer als Referenz dienenden statischen Drossel durchgeführt. Als Ergebnis stellt sich ein deutlich besseres Dämpfungsverhalten der adaptiven und passiven Pulsationsdämpfereinheit gegenüber der statischen Drossel heraus. Bei vergleichbarem Druckverlust ist das Pulsationsniveau hinter einer adaptiven und passiven Pulsationsdämpfereinheit in nahezu sämtlichen Betriebsbereichen wesentlich niedriger als bei einer statischen Drossel.Abschließend werden die gewonnenen Erkenntnisse über das Betriebsverhalten genutzt, um Optimierungsmaßnahmen für eine weiter verbesserte Pulsationsdämpfung zu skizzieren. Eine zusätzliche Auslegungsvorschrift ermöglicht es darüber hinaus, universelle Aussagen über das zu erwartende Dämpfungsverhalten für beliebige konzeptgemäße Pulsationsdämpfereinheiten zu treffen.
Modellierung und Analyse von Schraubenvakuumpumpen im Blower-Betrieb
(2017) Nadler, Kai; Brümmer, Andreas; Böhle, Martin
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Modellierung und Analyse von Schrauben-Vakuumpumpen im Blower-Betrieb. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der experimentellen und theoretischen Untersuchung einer ausgewählten Schraubenmaschine als ein möglicher Ersatz für die typischerweise eingesetzten Wälzkolben-Vakuumpumpen. Die experimentellen Untersuchungen sind auf Basis einer Variante des am Fachgebiet Fluidtechnik entwickelten Gl 51.2 durchgeführt und durch thermodynamische Simulationsrechnungen mit KaSim begleitet. Um die Abbildungsgüte der thermodynamischen Simulation zu verbessern, wird im Rahmen dieser Arbeit ein Modell für den Gasrücktransport basierend auf den Effekten der Ad- und Desorption entwickelt. Der gestiegenen Komplexität in der Modellerstellung und Auswertung wird durch die Entwicklung einer automatisierten Modellerstellung entgegengewirkt. Dieses neuentwickelte geometrische Analyseverfahren ermöglicht die Erstellung von Kammermodellen basierend auf der geometrischen Definition der Schraubenrotoren und des umschließenden Gehäuses. Somit stellt auch die geometrische Analyse von Schraubenmaschinen einen Kernpunkt dieser Arbeit dar. Die experimentellen Ergebnisse zeigen anhand des ausgewählten Prototyps das Potential der Schraubenmaschinen als Vakuumpumpen im Blower-Betrieb auf. Insbesondere durch die hohen Drehzahlen ergibt sich bei kompakten Bauraumvolumen ein hohes Saugvermögen. Im Vergleich zu Wälzkolben-Vakuumpumpen können zudem deutlich höhere maximale Kompressionsverhältnisse erreicht. Die Simulationsergebnissen sind in einer guten Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen und tragen durch eine detaillierte Analyse zum Verständnis dieser neuartigen Vakuumpumpen bei.
Energiewandlung in trockenlaufenden Schraubenmotoren
(2016) Hütker, Jan; Brümmer, Andreas; Unwerth, Thomas von
Die Arbeit diskutiert die physikalischen Vorgänge in trockenlaufenden Schraubenmotoren, bei der Wandlung eines thermischen Energieangebots in mechanisch nutzbare Wellenarbeit. In experimentellen und theoretischen Untersuchungen werden die technisch-physikalischen Wirkmechanismen sowohl autark, als auch interagierend, analysiert und hinsichtlich ihrer Anteile an der Gesamtenergiewandlung bewertet. Um die Wirkung der unterschiedlichen Mechanismen, in Abhängigkeit von den Anlagenparametern, möglichst allgemeingültig beschreiben und quantifiziert beurteilen zu können, werden mit den Schraubenmotoren GL51.2-M und SE69 zwei Maschinenvarianten eingesetzt, die sich im Hinblick auf ihre geometrischen Para-meter und Konstruktionscharakteristika teilweise signifikant voneinander unter-scheiden. In weiterführenden theoretischen Untersuchungen, wird der Einfluss der geometrischen Maschinenparameter von Schraubenmotoren auf die Energiewand-lungsgüte für die Arbeitsfluide trockene Luft und überhitzten Wasserdampf disku-tiert. Die Interaktion der geometrischen Parameter mit den Anlagenbedingungen wird abschließend in CRC-Kreisläufen, mit thermischen Leistungen zwischen 125 und 500 kW, untersucht.

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