Fachgebiet Fluidenergiemaschinen
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Item Modellierung und Simulation von Rotationsverdrängermaschinen(2007-12-21T10:30:54Z) Janicki, Magnus; Kauder, K.; Rinder, L.Die vorliegende Arbeit beschreibt eine Modellierungsmethode für Rotationsverdränger-maschinen, die auf der Grundlage von Kammermodellen die thermodynamische Simu-lation dieser Maschinen erlaubt. Am Beispiel eines trockenlaufenden Schraubenladers ohne Synchronisationsgetriebe wird die Abbildungsgüte des Simulationssystems und der damit entwickelten Modelle analysiert. Der Einfluss der Betriebsparameter und der Spaltgeometrien auf das Verhalten des Schraubenladermodells wird durch Sensitivitäts-analysen bestimmt und in einer Einflussmatrix zusammengefasst. Mit Hilfe verglei-chender Kennfeldmessungen am exemplarischen Versuchslader gelingt die Validierung des Simulationssystems und des damit entwickelten Schraubenladermodells. Eine Variation der maschineninternen Spaltgeometrien im Experiment und in der Simulation ermöglicht, sowohl den Einfluss der Spaltströmungen auf das Betriebsverhalten des Schraubenladers zu bestimmen als auch die Abbildungsgüte des Simulationssystems zu analysieren und zu beurteilen. Die am Beispiel des Schraubenladers dargestellte hohe Abbildungsgüte des Simulationssystems begründet nicht nur seinen Einsatz bei der Auslegung dieses Maschinentyps sondern lässt sich aufgrund des allgemeinen Ansatzes auf alle trockenlaufenden Rotationsverdränger erweitern.Item Stationärer und instationärer Betrieb eines unsynchronisierten Schraubenladers(2007-12-06T14:34:53Z) Temming, Jörg; Kauder, K.; Rinder, L.Item Ein Beitrag zur Optimierung des SCREW-Konzeptes(2006-02-15T13:29:43Z) Romba, Marcus; Kauder, K.; Pucher, H.During the last years the use of mechanical superchargers has gained increasing interest in a bid to combine attractive emission- and fuel consumption values with dynamic driving performance. Based on an analysis of available supercharging systems the development potential of twin screw superchargers is assessed. A concept using inlet slide valves is developed which allows at the same time to control the mass flow delivered by the supercharger and achieve an expansion of the transported charge under part load conditions when the delivered pressure is lower than ambient pressure, achieving a reduction in necessary shaft power or even the delivery of shaft power. To distinguish it from conventional superchargers the new device is called 'SCREW' - Screw type machine with Compressor Respectively Expander Working mode. The effect of several design parameters on the SCREW's performance is evaluated by extensive simulation calculations, showing that a suitable design varies considerable from conventional supercharger designs and that a significant amount of further research, especially covering the development of rotor profiles suited for this specific task, is still needed to fully utilize the concept's potential. As a proof of concept prototype SCREWs, based on a conventional twin screw supercharger, have been built and tested. The results obtained made clear the general suitability of the concept but also underlined the shortcomings of the prototype as they had already been predicted by the simulations. The SCREW concept is suitable to control the mass flow delivered by a supercharger in a considerable range and increase the efficiency under part load conditions significantly. To fully exploit the concept's potential a significant amount of basic optimization and a completely new design, establishing the SCREW as a category of it's own instead of just a modified supercharger, is needed.Item Grundlagen des Zweiphasen-Schraubenmotors(2005-10-20T09:59:45Z) Kliem, Bernhard Paul; Kauder, K.; Rinder, L.Item Wärmehaushalt von Schraubenspindel-Vakuumpumpen(Universität Dortmund, 2005-06-13) Rohe, Andreas; Kauder, K.; Rautenberg, M.For dry running displacement vacuum pumps the abolition of cooling, sealing and lubricating fluids causes the problem of an increased thermal load. The thermodynamics of this process differ fundamentally from the thermodynamics of an air compressor. The former are characterised by a - usually - unadjusted pressure ratio, the oscillation of the working fluid and the periodic mixing process of the working gas (that has already been expelled) and the gas in the working chamber. This process results in adiabatic outlet temperatures that are distinctly higher than the outlet temperatures of an adjusted isentropic process. Lower suction pressure results in a discrepancy between the adiabatic model and reality, which is the reason why a calculation of the diabatic process is necessary. In support of a isothermal model the dependence of the working behaviour on both the speed and the gap height of the screw vacuum pump can be demonstrated, but it does not allow conclusions to be drawn about the thermal load of the gas and the pump. This work describes additional modules of the simulation program Kasim that has been developed as a solution to this problem. The lack of Nußelt equations for rotating systems in vacuum results in the application of heat transfer models of the overpressure range in order to calculate the heat transfer of those systems. Pressure-dependent substance properties have been based on gas cinematic models. Apart from these further models were investigated in order to determine the flow velocity and state variables of the working gas at the heat transferring areas.Initially, the simulation program was applied to a cold model machine which consisted of a srew vacuum pump with constant pitch. Compared with the steady state machine, the cold machine had the advantage of known boundary conditions. The large differences between simulation and experiment cannot be explained either by the sensitivity of the heat transfer models or the property models, or by the polytropic exponents of the expansion flow in the gap. Measurement technique appears to be the most likely explanation.That is the reason why a further investigation was carried out on the steady state machine. This included also body temperatures and an energy balance. In order to find out about body temperatures, a module was developed which allowed the surface elements of the finite element mesh of the pump to be allocated to the capacities and connections of the thermodynamic simulation system. After the boundary conditions had been defined, this assignment formed the basis for the calculation of the heat fluxes, based on a homogenous, isothermal machine whose temperature was to be re-determined by the thermal FE-calculations of its parts. This allowed a calculation of the steady state heat balance to be carried out iteratively.The verification was successful. The calculated heat flows of the machine parts were acceptably close to the experimental energy balance. Moreover, both the body temperatures and the maximum gas temperatures during the working process displayed a high degree of concordance.The present study proves that both the adaptation of heat transfer models of the overpressure range in the rotating system of a vacuum pump and the implementation of gas cinematic property models results in a good representation of the working behaviour. At the same time, it offers the possibility of further improvements. Moreover, it opens up the perspective of a completely closed simulation of rotating displacement vacuum pumps.Item Methode zur stochastischen Optimierung von Schraubenrotorprofilen(Universität Dortmund, 2003-12-18) Helpertz, Markus; Kauder, K.; Rinder, L.The following thesis contributes to the broadening of the geometrical description ofrotor profiles for twin-screw compressors in dry operation by a spline-based descriptionand thus the connected new automatised possibilities. It leads to new possibilities ofgeometrical variations, which are more universal compared to classical methods ofprofile design. The development of an corresponding computer model is first carried outon the basis of generally applicable abstraction steps. Ensuing, exemplary optimisationsof single geometrical key figures of the profiles by evolutionary algorithms are used toasses the options and limitations of this method. An additional new aspect is, most ofall, to be found in the approach in form of a multiobjective optimisation, that is, thesimultaneous optimisation of several criteria without an initial determination ofcorresponding weights.This exposition begins with a functional abstraction to be able to heuristicallydetermine the relevance of physical and technical criteria concerning the operationalbehaviour by means of analysing their influence of a user s demands. From the resultthe importance of the geometrical parameters then is derived in a second step. Inconsequence an expected significant influence of the rotor profile on the operationalbehaviour becomes clear and constitutes the separation of the profile parameters ofadditional rotor data such as length and wrap angle. The following exposition thenconcentrates on the investigation of the subsystem, profile section.The large amount of flank parameters for the description of the profile require alimitation of the modelling to a low simulation depth with geometrical key figures,which can be calculated quickly. Consequently it abandons an exact thermodynamicsimulation at this stage, but the physical abstraction zooms on the definition of nondimensionalgeometrical key figures, which can be calculated from the rotor profile, andallow a comparison of different profile sections concerning the technical and physicalcriteria of the first step. These may be chosen and combined according to the givenoptimisation problem.The geometrical abstraction focuses on the comparison of analytical, discrete andspline-based formulations to describe the rotor profiles according to their handling, theirkey-figure ratings and the calculation of conjugated profiles within an automatedoptimisation process. Here the use of splines is to be favoured. Based on thisbackground bézier segments and b-splines form one rotor for the following optimisationfrom which the conjugated profile is calculated from the basic meshing conditions.Several exemplary optimisations of the profile section base on evolutionary algorithmsfor the variation of the flank form. Explicitly defined conditions for the validity of theflanks result in profiles with correct kinematics and with a closed contact line. First, aflank generator constructs a random profile, which is then optimised by mutation andrecombination steps with respect to simple geometric criteria. As a result, it is alwayspossible to successfully improve the starting profile with respect to the chosen keyfigure, on the one hand, whereas, on the other hand, there are some analytically provenextreme cases, which cannot be represented exactly. The reason for this shortcoming, ashas been proven by a geometrical analysis of the bézier segments, is the sensitivity ofthe basic meshing conditions on even slight errors of a flank s normal directions,especially concerning cycloids.Initially, investigations about different methods for weighing several criteriasimultaneously dominate the issue of multiobjective optimisations. On this backgroundthe term of Paretooptimal solutions is being discussed, by which no solution can beclearly favoured without applying weight. Here a product-based approach shows moresuperior results than the classical linear weighting.The example of the blowhole and the length of the contact line, which are both to beminimised, finally clearly demonstrates the formation of a Pareto-front whencontradictory criteria are being optimised, as well as the process of sifting the solutionsby applying a given weight. In principle, the geometrical restrictions remain the same asduring the optimisation of a single criterion, but the result is decidedly better.Future investigations should focus on the modification of the geometrical profiledescription in order to approximate analytical profile types more accurately. Also, afaster operation of the optimisation should be desirable. An extension of the method toattributes of the three-dimensional shape of the rotors will then permit the calculation ofmore exact key figures and provide an even more custom-designed rotor optimisationthan has been possible up to now.Item Ein Beitrag zur Verbesserung der Kammerfüllung von Schraubenmotoren(Universität Dortmund, 2003-11-10) Fost, Claus; Kauder, Knut; Rinder, LaurenzDerzeitige Schraubenmotorkonstruktionen basieren auf Entwicklungen aus dem Kompressorenbereich und weisen dementsprechend ein noch hohes Optimierungs-potenzial insbesondere der Energiewandlung auf. Untersuchungen zur Energiewandlung in Schraubenmotoren haben gerade für den Dampfschraubenmotor (aber auch für die übrigen Motorkonzepte) als wesentliche Verlustquellen Spaltverluste während der Kammerfüllung sowie Drosselverluste am Einlass ergeben. Primäre Aufgabe der Weiterentwicklung von Schraubenmotoren mit dem Ziel einer Steigerung der Energiewandlungsgüte muss es daher sein, die Füllung der Arbeitskammer zu verbessern.In der vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse aus den Untersuchungen zur geometrischen Optimierung des Füllvorgangs von Schraubenmotoren behandelt. Zu diesem Zweck werden Kennzahlen entwickelt, die eine rein geometrische Beurteilung unterschiedlicher Rotorgeometrien hinsichtlich dieser beiden Verlustanteile (Spaltverluste und Einlassdrosselung) ermöglichen. Untersuchungen von Rotor-geometrien anhand dieser Kennzahlen zeigen, dass eine einfache geometrische Variation von Rotorgeometrien, die heute im Bereich der Schraubenkompressoren üblich sind, für den Einsatz im Motorbetrieb nur ein geringes Optimierungspotenzial besitzen. Ursache sind die komplexen Zusammenhänge zwischen den Verlustmechanismen mit ihren häufig gegenläufigen Wirkungen auf die Energiewandlung.Verbessert wird diese Situation durch geometrische Veränderungen des Einlassbereiches in Form von Steuerscheiben auf den Rotoren sowie konischen Rotoren. Die dargestellten Zusammenhänge bleiben zwar auch für diese Geometrien erhalten, aufgrund der vergrößerten Einlassflächen ergibt sich jedoch eine, für den Motorbetrieb vorteilhafte, Verschiebung des Optimierungspotenzials hin zu größeren inneren Volumen-verhältnissen. Eine Reduzierung des Hauptrotorumschlingungswinkels kann hierbei ebenfalls zu einer Verbesserung der Energiewandlungsgüte durch verminderte Spaltverluste beitragen.Einen ersten Schritt zu einer Verbesserung der Einlassbedingungen in Schrauben-motoren stellt daher der Einsatz von profilierten Einlassscheiben auf Haupt- und Nebenrotor dar. Diese lassen sich unter eher geringem Aufwand in heutige Schraubenmotor-varianten integrieren. Ein deutlich höheres Potenzial zur Verbesserung der Energiewandlung bietet jedoch der Einsatz von konischen Rotoren.Item Experimentelle Verifikation eines Simulationssystems für eine GASSCREW(Universität Dortmund, 2002-11-05) Unwerth, Thomas von; Kauder, Knut; Pucher, H.Mitte der 80er Jahre begann an der Universität Dortmund die Entwicklung eines neuartigen Antriebskonzeptes, das es ermöglichen sollte, im Wettbewerb mit der Gasturbine kleine bis mittlere Massenströme auf hohem Temperaturniveau wirtschaftlich in Wellenarbeit zu wandeln. Die Idee war, den in der Gasturbinenanlage eingesetzten Turboverdichter durch einen Schraubenverdichter und die Turbine durch einen Schraubenmotor zu ersetzen. Das daraus resultierende Prinzip, eine Heißgasschraubenmaschine, wird heute GASSCREW genannt, auch um die thermodynamische Nähe zur GASTURBINE zu kennzeichnen. Die vorliegende Arbeit, in der erstmalig eine solche Anlage in Betrieb genommen wurde, beschreibt die Untersuchung des simulationsgestützt ausgelegten GASSCREWMotors und die Ergebnisse des Schraubenmotorbetriebs auf einem Temperaturniveau von zunächst 600°C. Die Verifikation des erarbeiteten Simulationssystems liefert einen Beitrag zur Beurteilung seiner Abbildungsgüte und seiner Weiterentwicklung. Mit Hilfe des verifizierten Simulationssystems wird es möglich sein, das Betriebsverhalten zu weiter gesteigerten Motoreintrittstemperaturen vorauszubestimmen und mit nächsten Generationen der GASSCREW zu höheren Wirkungsgraden und kompakterer Bauweise vorzudringen. Die Auslegung der GASSCREW für diese Arbeit beinhaltet neben der Vorausberechnung des Betriebsverhaltens die Berechnung des thermischen und mechanischen Bauteilverhaltens und der daraus resultierenden vorzugebenden Fertigungstoleranzen für den GASSCREWMotor unter Berücksichtigung der aufzubringenden Rotorbeschichtung und der sich einstellenden Spalthöhen. Das Hauptaugenmerk der experimentellen Untersuchungen liegt auf dem stationären Betrieb des thermisch hoch belasteten GASSCREWMotors. Eine Betrachtung des Gesamtsystems der GASSCREW ist nicht Ziel dieser Arbeit, es soll nachfolgenden Untersuchungen vorbehalten bleiben. Die Experimente umfassen thermodynamische Maschinendaten, die Indizierung des GASSCREWMotors, die thermografische Erfassung der Gehäuseoberflächentemperaturverteilung sowie die telemetrische Messung der Hauptrotortemperatur in Abhängigkeit von Hauptrotordrehzahl, Motoreintrittsdruck und Motoreintrittstemperatur. Des weiteren zeigt eine Variation der Kühlparameter, dass eine gezielte Kühlung der Bauteile auf einem solch hohen Temperaturniveau werkstoffbedingt möglich und notwendig ist, eine zu intensive Kühlung sich jedoch negativ auf den Energiehaushalt des GASSCREWMotors auswirkt.Item Experimentelle Untersuchung von Gasströmungen in Schraubenmaschinen(Universität Dortmund, 2002-08-05) Sachs, Ronald; Kauder, Knut; Weyer, H. B.Interne Spaltströmungen in Schraubenmaschinen beeinflussen über das strömungsabhängige Wärmeübergangsverhalten die Betriebssicherheit und über die Spaltmassenströme die Energiewandlungsgüte der Maschine. Verläßliche Aussagen zu ihrer Betriebssicherheit und eine angestrebte Verbesserung ihrer Energiewandlungsgüte werden durch eine umfassende, realitätsnahe und verifizierte Modellierung der Schraubenmaschine ermöglicht. Wesentlicher Bestandteil dieser Modellierung wird eine numerische Strömungssimulation durch 'Computational Fluid Dynamics' (CFD) sein, die aufgrund der komplexen Strömungsverhältnisse durch experimentell gesicherte Daten zu stützen ist. Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Charakterisierung der Strömung in ausgesuchten Spalten einer Schraubenmaschine und einer Schraubenspindelvakuumpumpe unter Einbeziehung der Untersuchung von Möglichkeiten zur Spaltströmungsbehinderung. Die Empfindlichkeit der Gasströmungen bezogen auf die Randbedingungen erfordert Untersuchungen mit realen Spalthöhen in einem maßstabsgerechten Modell. Die Geometrie der verschraubten Rotoren legt für das Vorgehen Studien an einem ebenen, nicht verschraubten Profilschnitt nahe, der eine axiale Durchsichtmöglichkeit auf Gehäuse- und Profileingriffsspalt bietet. Neben dem Einsatz der Toeplerschen Schlierenmethode zur Erzeugung eines umfassenden, qualitativen Bildes der Strömung im Arbeitsmodell sowohl mit unbewegter wie auch bewegter Spaltberandung, werden auch Spaltmassenstrommessungen durchgeführt. Darüber hinaus erfolgt eine erste Anwendung eines L2F-Anemometers zum punktuellen Auflösen der trömungsgeschwindigkeit. Bei der Untersuchung des Gehäusespaltes mit unbewegter Spaltberandung zeigt sich in den Schlierenbildern eine in ihrer qualitativen Form vom anliegenden Druckverhältnis und der Spaltform abhängige Gasströmung. Ihre Qualität wie auch ihre Quantität wird entweder direkt durch die Spaltgeometrie oder durch die Strömung einfassende Strömungsablösungen, die sich sowohl geometrie- als auch stoßinduziert ausbilden, beeinflußt. Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit und der Spaltmassenstrom nehmen mit sich verringernder Spalthöhe ab. Eine Überprüfung der Strömungsgeschwindigkeitsmessungen mit dem L2F-Anemometer wird mittels der Machschen Winkel in den Schlierenbildern möglich. Die bewegte Spaltberandung hat bei überkritischer Strömung gegenüber den durch Spaltform und anliegendem Druckverhältnis hervorgerufenen Auswirkungen einen eher geringen, aber vorhandenen Einfluß auf das Strömungsbild. Die hier modifizierte Schlierenanlage ist leistungsfähig genug, im Vakuum Dichtegradienten in der Kontinuums- und der Knudsenströmung abzubilden. Makroskopisch gleichartige Spaltformen lassen über einander ähnelnde Schlierenbilder auf gleiche Quantitäten der Strömung schließen, der Umkehrschluß gilt allerdings nicht. Ein erster Vergleich der visualisierten mit der mittels CFD berechneten Strömung weist in eine erfolgversprechende Richtung. Die vorliegende Arbeit bildet einen Ausgangspunkt zur weiteren quantitativen und qualitativen Untersuchung der Strömungsvorgänge in Schraubenmaschinen. Besondere Aufmerksamkeit wird die Modellierung des Wandbereiches der Strömung erfordern.