Experimentelle Untersuchung von Gasströmungen in Schraubenmaschinen

Abstract

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.

The reliability as well as the efficiency of screw-type machines is influenced by their internal gas flows. The reliability depends on the flow-affected heat transmission behaviour and the efficiency is coupled with the leakage mass flows. Sound statements about the reliability and the aim for progress concerning the quality of the machine's energy conversion can be achieved via a realistic and verified model of the screw-type machine. A numerical flow simulation by means of 'Computational Fluid Dynamics' (CFD) is an essential part of this model. The complex flow conditions require experimental verification as a basis of this simulation. The aim of this work is the characterisation of the gas flow conditions at selected gaps of a screw-type machine and a screw-spindle vacuum pump, including information about sealing properties of the investigated gaps. Due to the sensitivity of the gas flows to the boundary conditions research with real gap sizes in a full-scale model is necessary. The helical rotor geometry in actual screw-type machines calls for a plane non-helical profile that allows clear flow visualization at the profile mesh and the housing gaps. The Toepler 'Schlieren-method' is applied to get an thorough qualitative picture of the flow field in the working model with both moving and stationary gap boundaries. This qualitative flow examination is completed by measurements of the mass flow through the gaps and also first measurements with a L2F-Anemometer for a selective view of the flow velocity. The Schlieren-pictures of the gas flow at the housing gap with stationary gap boundaries demonstrate that the qualitative appearance of the flow depends on the pressure ratio and the shape of the clearance. The quality and the quantity of the flow can be influenced directly by the gap boundary or flow separations inside the gap. These separations are induced either by the geometry of the boundaries or by a shock wave. The mean flow velocity and the leakage mass flow decreases along the gap with reducing gap height. The measured flow velocity can be checked by a comparison of the measuring results of the L2F-Anemometer and the Mach angles, that are visible in the Schlieren-pictures. The influence of the moving gap boundaries on the picture of a sonic gas flow compared with the effects of the gap form and the pressure ratio is rather small nevertheless it does exist. The modified Schlieren-system is powerful enough to depict in the vacuum density gradients in the continuous flow and the Knudsen flow. Clearances of similar macroscopic shapes imply the same quantity of the flow by equivalent Schlieren-pictures. The reverse deduction is however inadmissible. A first comparison of the visualized and the via CFD calculated gas is promising. The present work is expected to lay the foundation for further examinations concerning the quantitative and qualitative flow behaviour in screw-type machines. Amongst other things particularly attention needs to be paid to the near wall modelling of the flow.