Parameterstudie eines neuartigen Schukeyrotationsverdichter

摘要

Effizient arbeitende Verdichter sind im Allgemeinen wichtig für Anwendungen in Klima- und Kühlsystemen. Seit der Entwicklung der ersten Rotationskolbenmaschine von Ramelli 1558 haben sich verschiedene Typen von Rotationsverdichtern wie Schrauben-, Scroll- oder Roots-Verdichter etabliert. Der Schukey-Verdichter, benannt nach seinem Erfinder Jürgen Schukey, ist ein neuer Typ von Rotationsverdichter. Er basiert auf zwei ineinandergreifenden Rotoren mit jeweils vier Flügeln, welche durch spezialverzahnte Getriebe eine phasenverschobene Bewegung relativ zueinander durchführen. Dabei drehen beide Rotoren in derselben Drehrichtung und werden durch eine Hauptwelle angetrieben. Während ein Rotor beschleunigt, verzögert der andere Rotor und umgekehrt. Dies führt zu einer Volumenpulsation zwischen den Flügeln, zwischen denen die Arbeitsräume der Maschine gebildet werden und die Ansaugung und Verdichtung eines Gases erfolgt. Insgesamt finden 32 Arbeitsspiele in einer Umdrehung statt. Der Verdichter arbeitet ölfrei ohne Ventilmechanismen mit innerer Verdichtung, dessen Druckverhältnis durch die Position der Ein- und Auslässe vorgegeben ist. Abgesehen von der hier beschriebenen Arbeit ist uns keine weitere Entwicklung dieser Maschine als Verdichter bekannt. In diesem Beitrag wird eine grundlegende Studie zum Schukey-Verdichter vorgestellt. Das Arbeitsprinzip und die Kinematik werden ausführlich beschrieben und veranschaulicht. Für die optimalen Ein- und Auslasspositionen ist eine analytische Lösung in Analogie zum Hubkolbenverdichter ermittelt worden. Ziel der Untersuchung war die Überprüfung dieser Lösung und der Einfluss verschiedener Auslasspositionen bei unterschiedlichen Drehzahlen. Als Bewertungskriterien wurden der Liefergrad λ_(H,), das innere Druckverhältnis π_i und die indizierte Arbeit W_(id) aus dem p,V-Diagramm herangezogen. Die mit CFD-Analysen durchgeführte Parameterstudie hat gezeigt, dass der Liefergrad stark drehzahlabhängig ist. Der höchste Liefergrad ergab sich mit λ_(H,1200) = 86,8% bei Drehzahl von 1200 U/min. Die analytisch ermittelte Auslassposition stellt für den Großteil der untersuchten Drehzahlen das Optimum dar. Eine Verschiebung der Auslassposition hat hier keine relevanten Auswirkungen gezeigt. Die Verschiebung der Auslassposition wirkt sich allerdings maßgeblich auf das innere Druckverhältnis aus, welches erwartungsgemäß bei wachsendem Abstand zum Einlass steigt und Werte von π_i = 2,3 - 5 annimmt. Das innere Druckverhältnis spiegelt sich im ermittelten p,V-Diagramm wider und hat somit einen direkten Einfluss auf die indizierte Arbeit zur Folge. Nach Bewertung des Liefergrades ist für den effizienten Betrieb der Maschine ein Drehzahlbereich zwischen 1100 - 1300 U/min anzustreben.