Modellierung und Analyse von Schraubenvakuumpumpen im Blower-Betrieb

Abstract

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.

This thesis presents an approch for modelling and analysis of screw machines operating as blower pumps in vacuum applications. The main focus of this thesis is the combined experimental and theoretical investigation of an exemplary screw vacuum blower as a replacement for typically used roots blowers. The prototype machine used for experimental investigations is based on the Gl 51.2 which is a screw supercharger designed to work at high operational speeds. Theoretical investigations are carried out using the thermodynamic simulation tool KaSim. To improve the results obtained from KaSim, this thesis introduces a new model to calculate the back flow based on ad- and desorption. In order to handle the increasing complexity, a novel method for the geometric analysis of screw-type machines is developed. The automatic chamber model generation is thus the crucial point of this thesis. The experimental results obtained from the prototype illustrate the high potential of screw machines used as blowers in vacuum applications. Foremost the ability to operate at high rotational speeds leeds to a high suction speed while the footprint of such a machine remains small. Nevertheless a screw vacuum blower can reach lower ultimate pressure compared to similar roots blowers. The simulation results show a good agreement compared to experimental results and can therefore provide a more detailed insight into the mechanism of the pump.