Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verdünnte Spaltströmungen in trockenlaufenden Vakuumpumpen mit bewegter Berandung beliebiger Richtungen

Das Betriebsverhalten sowie die energetische Effizienz von trockenlaufenden Verdrängervakuumpumpen wird maßgeblich durch die dissipativ wirkenden Spaltmassenströme innerhalb der Maschine bestimmt. Neben den thermodynamischen Randbedingungen - Druck und Temperatur – der den Spalten angrenzenden Arbeitskammern, hat die Bewegung der spaltbegrenzenden Bauteile einen signifikanten Einfluss auf den Spaltmassenstrom.

In einem ersten Forschungsprojekt wurde hierzu der Einfluss einer bewegten Berandung ausschließlich in Spaltströmungsrichtung experimentell und theoretisch untersucht. Da in Spalten von Vakuumpumpen insbesondere eine kombinierte Quer- und Längsbewegung der Berandung zur Strömung vorkommt, soll in dem beantragten Projekt der Einfluss dieser kombinierten Berandungsgeschwindigkeit auf den Spaltmassenstrom untersucht werden. Zur Simulation der verdünnten Spaltströmung wird hierzu auf ein nicht-deterministisches Verfahren zur Lösung der Boltzmann-Gleichung, die DSMC-Methode (Direct Simulation Monte Carlo), zurückgegriffen. Um die Simulationsergebnisse experimentell zu verifizieren, wird zudem ein Versuchsaufbau zur Vermessung einer Spaltströmung mit quer zur Strömung bewegter Berandung realisiert. Aufbauend auf den Ergebnissen beider Projekte wird anschließend eine Methode entwickelt, die eine vereinfachte Berechnung der Spaltmassenströme mit beliebig kombinierter Berandungsgeschwindigkeit erlaubt.

Insbesondere mit dem vereinfachten Ansatz können KMUs das benötigte „Know-How“ aufbauen, Vakuumpumpen in kürzerer Zeit (ohne aufwändige DSMC-Simulationen oder Spalt-Experimente) und mit weniger finanziellem und personellem Aufwand weiter zu entwickeln. Auf diese Weise können sie Maschinen mit besseren Eigenschaften (Energieeffizienz, Saugvermögen, maximales Kompressionsverhältnis) produzieren und sich letztlich einen Wettbewerbsvorteile verschaffen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Zuge dieses Projektes wurde gezielt der Einfluss einer Berandungsgeschwindigkeit quer zur Hauptströmungsrichtung auf den Massenstrom untersucht. Dabei hat sich nach umfangreicher Variationsrechnung herausgestellt, dass diese sich gegenseitig nicht beeinflussen. Jedoch konnte aus den ursprünglichen kinematischen Beziehungen ein deutlich größerer Einfluss auf das Betriebsverhalten von Schraubenvakuumpumpen abgeleitet werden. So stellte sich im Zuge des Projekts heraus, dass eine Grundannahme zur Berechnung derartiger Maschinen nicht gewährleistet ist, nämlich dass die Arbeitskammern homogen sind. In diesem Projekt konnte gezeigt werden, dass sich aufgrund der ursprünglich betrachteten Kinematik eine inhomogene Druckverteilung in den Arbeitskammern einstellt, die nicht nur den Massenstrom aller angrenzenden Spaltverbindungen beeinflusst, sondern auch die Kammerfüllung beeinflusst. Dies konnte sowohl experimentell verifiziert werden als auch mit 3D-Simulationen untermauert werden. Die Erkenntnisse wurden in ein vereinfachtes Rechenmodell übertragen, dass die Messergebnisse einwandfrei reproduzieren kann und aufgrund der allgemeingültigen Formulierung auf andere Geometrien, Randbedingungen und Gase übertragen werden kann. Anschließend wurde diese Modell in ein Kammermodellverfahren implementiert, womit das Betriebsverhalten einer Schraubenvakuumpumpe simuliert wurde. Die Simulationsergebnisse mit und ohne dem neuen Ansatz der inhomogenen Arbeitskammern wurden mit Messergebnissen gegenübergestellt, womit eine langjährige Diskrepanz zwischen Simulation und Messung geschlossen werden konnte, da die Maschine ohne die Berücksichtigung inhomogener Arbeitskammern in der Simulation deutlich besser war, als sie es eigentlich ist. Darüber hinaus wurde eine Dimensionsanalyse durchgeführt, mit deren Hilfe der Einfluss der Maschinenparameter auf den inhomogenen Kammerverlauf bereits bei der Auslegung berücksichtigt werden kann.