Sprungmarken

Servicenavigation

Hauptnavigation

Sie sind hier:

Hauptinhalt

Simulation und Verifikation des Betriebsverhalten von Rotationsverdränger-Vakuumpumpen im Feinvakuum

Titel: Simulation und Verifikation des Betriebsverhalten von Rotationsverdränger-Vakuumpumpen im Feinvakuum
Thema: Rotationsverdränger-Vakuumpumpen (insbesondere Schraubenspindelvakuumpumpen)
Förderung: AiF (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen)
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. K. Kauder, Dr.-Ing. D. Stratmann
Weitere Informationen: Das AiF-Forschungsvorhaben Nr. 14249 N/1 wurde im Programm zur Förderung der "Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)" vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AiF finanziert.

 

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Simulation der thermodynamischen Prozessführung in Rotationsverdränger-Vakuumpumpen für den Einsatz im Feinvakuum. Die hier vorherrschenden Strömungsformen der Molekular- und Knudsenströmung erfordern eine detaillierte Bearbeitung der in diesem Druckbereich an Bedeutung zunehmenden Wirkungen der Relativgeschwindigkeiten bewegter Spaltberandungen (Sorptions- und Desorptionserscheinungen). Die Entwicklung von Modellen zu deren Beschreibung sowie die Implementierung der erarbeiteten Zusammenhänge als Algorithmus in das vorhandene, am Fachgebiet Fluidenergiemaschinen entwickelte Simulationsprogrammsystems KaSim führt so zu einer erhöhten Modellierungstiefe und einer erheblichen Ausweitung des Simulationsbereiches von Rotationsverdränger-Vakuumpumpen in Druckbereichen unterhalb des Grobvakuums. Zur Beurteilung der Abbildungsgüte der erweiterten Simulationssoftware werden simulierte Ergebnisse mit dem realen Betriebsverhalten einer Wälzkolbenpumpe sowie einer Schraubenspindel-Vakuumpumpe im zu untersuchenden Druckbereich verglichen.

   

bild_1
bild_2

 Wissenschaftliche Problemstellung

Die thermodynamische Prozessführung in trockenlaufenden Verdränger-Vakuumpumpen ist mit Hilfe eines Simulationssystems beschreibbar, wobei sich das Einsatzgebiet dieses Maschinentyps meist auf das Grob- bis hin zum Feinvakuum beschränkt. In dem im Rahmen mehrerer Forschungsvorhaben entwickelten Simulationsprogramm KaSim erfolgt die Berechnung der thermodynamischen Prozessführung mit Hilfe eines Kammermodells, welches ein mathematisch abstrahiertes Modell zur Abbildung der wechselseitigen Beziehungen einzelner durch Spalte getrennter Arbeitskammern der Maschine beschreibt. Auf Grundlage eines in einem bereits abgeschlossenen Projekt erarbeiteten Algorithmus ist eine quantitative Beschreibung der Spaltmassenströme bei vielfältigen Spaltgeometrien, jedoch bisher lediglich bei feststehender Spaltberandung gegeben.

Die Abbildungsgüte des Programms KaSim ist bisher durch den Vergleich zahlreicher Simulationsrechnungen mit umfangreichen Messungen des Betriebsverhalten am Beispiel einer Schraubenspindel-Vakuumpumpe für den Grobvakuumbereich verifiziert. Zu höheren Drehzahlen der untersuchten Vakuumpumpe und  iedrigeren Ansaugdrücken ergeben sich aber zunehmende Abweichungen der berechneten von den gemessenen Druckverläufen für das Arbeitsspiel innerhalb der Maschine. Die Tendenz der in diesen Betriebsbereichen zu hoch berechneten Druckverläufe erfordert eine weitere Erhöhung der Modellierungstiefe der bisher unberücksichtigten aber hier an Bedeutung zunehmenden Wirkungen der Relativgeschwindigkeiten bewegter Spaltberandungen (Sorptions- und Desorptionserscheinungen), die das Durchflussverhalten der gesamten Pumpe wesentlich beeinflussen. Um eine erhöhte Allgemeingültigkeit des Simulationsprogramms KaSim gewährleisten zu können, wird die Ausweitung des Abbildungsbereichs auf den Feinvakuumbereich sowie eine Verifikation an weiteren Rotationsverdränger-Vakuumpumpen ungleicher Bauart erforderlich.

 

Lösungsweg

Um das Betriebsverhalten von Rotationsverdränger-Vakuumpumpen im Feinvakuum beschreiben zu können, ist zunächst der Einfluss der Relativgeschwindigkeit der bewegten Spaltberandung im interessierenden Druckbereich zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Spaltdurchflussverhalten experimentell an einem Modellversuchsstand mit zwei parallelachsigen spaltbildenden und drehrichtungs- sowie drehzahlvariablen Rotoren untersucht. Die Erarbeitung eines Algorithmus zur quantitativen Beschreibung der Spaltmassenströme bei bewegter Spaltberandung erfordert die Entwicklung von Modellen zur Abbildung der auftretenden physikalischen Wirkungen der vorliegenden Strömungsformen - vorwiegend Molekular- und Knudsenströmung.

 

bild_3

 

Hier ist der Ansatz der „Monte Carlo-Simulation“ als Berechnungsverfahren einer Vielteilchenreaktion zu prüfen. Die gefundenen Zusammenhänge werden in das modular aufgebaute Simulationsprogramm KaSim eingebunden.

 

bild_4

 

Um Aussagen über die Abbildungsgüte der Simulationssoftware für den Feinvakuumbereich treffen zu können, ist das simulierte Kennfeld (Saugvermögen) mit dem gemessenen zweier realer Pumpe ungleicher Bauart zu vergleichen. Neben der bereits vorhandenen Schraubenspindel-Vakuumpumpe soll das Betriebsverhalten einer Wälzkolbenpumpe im Feinvakuum untersucht und ebenfalls abgebildet werden. Dieser in industriellen Anwendungen häufig in Vakuumpumpenkombinationen eingesetzte einstufige Pumpentyp weist eine deutlich differenzierte Aufteilung der Arbeitsspielphasen auf und eignet sich daher in besondere Weise zur Verifikation einzelner Abbildungsbereiche der Simulationssoftware KaSim.