Experimentelle Untersuchung von Gasströmungen in Schraubenmaschinen

摘要

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.