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Simulation von diabaten Strömungsformen in trockenlaufenden Verdrängervakuumpumpen

Titel: Simulation von diabaten Strömungsformen in trockenlaufenden Verdrängervakuumpumpen
Thema: Schraubenspindelvakuumpumpen
Förderung: AIF
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. K. Kauder

 

Übergeordnetes Ziel des Forschungsprojektes ist die realitätsnahe Simulation der Prozeßführung und des daraus bedingten Deformationsverhaltens von trockenlaufenden Vakuumpumpen. Das notwendige Simulationssystem besteht aus einem Simulationsprogramm und Finite-Elemente-Rechnungen der Pumpengeometrien. Die Simulation einer speziellen Vakuumpumpe ist vom Maschinentyp abhängig. Die Quantifizierungen der Massen- und Energiebilanz beruhen aber immer auf den gleichen Verfahren. Für diese gemeinsamen Verfahren ist ein Basisprogramm zu entwickeln, das jedem Hersteller erlaubt, durch geringfügige Adaptionen seine jeweilige Vakuumpumpe zu simulieren. Dabei reduziert sich die Eingangsinformation des Programms für den Anwender bzw. Hersteller auf auch schon in der Konzeptionsphase der Maschine ohnehin bekannte Daten wie die makroskopische Geometrie bzw. die geplanten Betriebsparamter. Weitergehende Kenntnisse über die tatsächlich vorliegenden Strömungsformen und Wirkmechanismen der Wärmeübertragung innerhalb der Maschine sind nicht erforderlich.

Der Lösungsweg des Projektes beginnt mit der Kategorisierung der relativen Spaltbewegungen. In den gebildeten Kategorien sind für repräsentative Spaltgeometrien an bewegten Spaltmodellen Leitwerte zu messen. Die relevanten Strömungsarten im Vakuum werden in Form von Algorithmen beschrieben, die die jeweiligen Leckagen mit Hilfe dieser Leitwerte quantifizieren.

Die programmtechnische Umsetzung dieser Algorithmen erfolgt als eigenständige Module. Aufbauend auf den Strömungsarten werden die jeweiligen Wirkmechanismen der Wärmeübertragung ebenfalls in Programmodule umgesetzt. Aus der Kombination dieser einzelnen Module entsteht dann das Basisprogramm. Dabei müssen Kriterien wie z.B. die Knudsenzahl die einzelnen Module gegeneinander abgrenzen. Gleichzeitig müssen die Übergänge der Ergebnisse der einzelnen Module zueinander nummerisch stetig bzw. differenzierbar sein. Das Basisprogramm quantifiziert also die diabate Durchströmung von enspieligen Maschinenspalten.

Die notwendige Verifikation des Basisprogramms erfolgt in 3 Schritten. Zunächst wird eine Vakuumpumpe beispielhaft modelliert, d.h. die typischen Maschinenmerkmale werden programmtechnisch umgesetzt. An der modellierten realen Pumpe erfolgen Messungen zur Indizierung der Prozeßführung. Hierzu wird ein Versuchstand verwendet, der den Abnahmeregeln für Vakuumpumpen nach DIN 28426 entspricht und um ein Indiziere-System ergänzt ist. Durch den Vergleich der Ergebnisse aus den Messungen und der Simulation wird die Abbildungsgüte des Simulationsprogramms iterativ verbessert. Auf diese Weise wird der Beweis der Abbildungsgüte erbracht und gleichzeitig dem späteren Anwender ein Beispiel zur Anwendung des Simulationsprogramms gegeben.