Potenzial von nicht-konstanter Rotorsteigung für Schraubenkompressoren
Creators: name: Utri, Matthias
Publisher: name: TU Dortmund
Year: 2021
Subjects: subject: Schraubenkompressor
subject: Rotorsteigung
subject: geometrische Optimierung
subject: Strömungsbeiwert
subject: 620
subject: 670
subject: Schraubenverdichter
subject: Geometrische Optimierung

description: In der vorliegenden Arbeit wird das Potenzial nicht-konstanter Rotorsteigung zur Verbesserung der Energiewandlungsgüte von trockenlaufenden Schraubenkompressoren analysiert. Mithilfe von Kammermodellsimulationen und der Kopplung an einen Optimierungsalgorithmus wird die optimale Rotorgeometrie für eine Vielzahl von Randbedingungen bestimmt. Zur Erhöhung der Genauigkeit des Simulationsansatzes wird zuvor der dimensionslose Strömungsbeiwert für die Stirn- und Gehäusespaltströmungen als Funktion der Ein- und Austrittsbedingungen quantifiziert. Zur Beschreibung des Spaltdurchflusses werden dimensionslose Kennzahlen hergeleitet und deren Einfluss auf den Strömungsbeiwert bestimmt. Die Untersuchung der Spalte geschieht mittels numerischer Strömungssimulation und zur experimentellen Validierung anhand eines entwickelten Spaltmodells in einem offenen Luftkreislauf. Als entscheidende Einflussparameter auf den Strömungsbeiwert der untersuchten Spalte stellen sich dabei die Reynoldszahl sowie jeweils eine geometrische Kennzahl, die ein Verhältnis aus Spalthöhe und -länge beschreibt, heraus. Zudem wird die Durchströmung des Stirnspaltes stark von einer Berandungsbewegung beeinflusst. Für den Stirnspalt wird außerdem ein analytischer Ansatz vorgestellt, über den der Spaltdurchfluss im Bereich niedriger Reynoldszahlen bestimmt werden kann. Die Ergebnisse der simulativen Spaltuntersuchungen zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten und werden, angenähert über Funktionale, in die Kammermodellsimulation integriert. Für die benötigte Vielzahl an Kammermodellen wird ein effizienter Ansatz der Modellerstellung unter Nutzung der geometrischen Periodizität der Rotoren vorgestellt. Das entwickelte Programm wird gemeinsam mit dem Simulationsprogramm „KaSim“ an einen Simplex-Algorithmus zur Optimierung der Rotorsteigung trockenlaufender Schraubenkompressoren gekoppelt. Dimensionslose Kennzahlen zur Beschreibung der Energiewandlungsgüte der Kompressoren werden hergeleitet und in der Auswertung verwendet. Für die untersuchten Randbedingungen stellt sich ein Rotor mit zwei Segmenten unterschiedlicher Länge und Rotorsteigung als optimal heraus. Durch ein kurzes, hochdruckseitiges Segment mit geringer Rotorsteigung können die Auslassfläche und das innere Volumenverhältnis vergrößert, die Auslassdrosselung reduziert und die Gesamtverwindung der Rotoren verringert werden. Dadurch ergeben sich insbesondere bei großen Verdichtungsverhältnissen und Umfangsmachzahlen sowie geringen Spalthöhen gegenüber konstanter Rotorsteigung eine Vergrößerung des Fördermassenstroms und eine Erhöhung des inneren isentropen Gütegrades, die bei den untersuchten Randbedingungen bis zu sechs Prozentpunkte beträgt. Insbesondere für öleingespritzte Kältekompressoren bietet die nicht-konstante Rotorsteigung damit ein großes Potenzial. Das aufgedeckte theoretische Potenzial wird anhand eines öleingespritzten Prototyps mit nicht-konstanter Rotorsteigung experimentell mit dem Arbeitsmedium Luft untersucht. Die Rotoren mit zwei Segmenten mit jeweils konstanter Steigung werden dazu auf einer Fräsmaschine gefertigt. Gegenüber der kommerziell vertriebenen Referenzmaschine konstanter Rotorsteigung kann der effektive isentrope Gütegrad für große Verdichtungsverhältnisse und Umfangsgeschwindigkeiten um vier Prozentpunkte gesteigert werden und bestätigt damit das energetische Potenzial von Schraubenkompressoren mit nicht-konstanter Rotorsteigung.
description: The present work analyses the potential of non-constant rotor lead in order to enhance the energy-related efficiency of dry-running screw compressors. Chamber model simulation is performed and coupled with an optimisation algorithm to determine the optimal rotor geometry for various boundary conditions. Prior to this, the dimensionless flow coefficient for the flow through front and housing clearances is examined in the interest of increasing the accuracy of the simulation approach. Dimensionless numbers describing the clearance flow are derived and varied to determine their impact on the flow coefficient. The clearance flow is examined by means of numerical flow simulation and validated using an experimental clearance model which is integrated into an air test rig. The Reynolds number as well as a geometrical number which describes a ratio between clearance height and length turn out to be crucial parameters for the flow coefficient of the clearance types under examination. Furthermore, the consideration of a moving boundary influences the flow through the front clearance. The flow through the front clearance can also be determined for low Reynolds numbers using an analytical approach. The simulation results show good accordance with the experimental results and are integrated into the chamber model simulation as approximated mathematical functions. The optimisation task requires a high number of chamber models. A new and efficient approach to generate chamber models using the geometrical periodicity of the screw rotors is presented. The approach is linked to the chamber model simulation tool „KaSim“ and coupled with a simplex algorithm in order to optimise the rotor lead of dry-running screw compressors. Dimensionless numbers describing the efficiency of the compressors are derived and used for the evaluation of the simulation results. Rotors consisting of two segments with different rotor lead and length turn out to be the optimal geometry for the examined boundary conditions. The internal volume ratio and the discharge area can be increased using a short segment with a low rotor lead on the high pressure side. This reduces discharge throttling so that the total wrapping of the rotors can be decreased. This increases the internal isentropic efficiency as well as the mass flow rate of the compressor, especially for high compression ratios, circumferential Mach numbers and small clearance heights. In comparison to compressors with constant rotor lead, internal isentropic efficiency can be increased by up to six percentage points for the examined boundary conditions. Thus, non-constant rotor lead shows high potential for oil-injected refrigeration compressors. An oil-injected prototype with non-constant rotor lead is examined in order to validate the theoretically revealed potential using air as working fluid. The rotors consist of two segments, each with constant rotor lead, which are manufactured on a milling machine. The effective isentropic efficiency can be increased by four percentage points for high compression ratios and circumferential speeds when compared to the commercial reference machine, thus confirming the high energy-related potential for screw compressors with non-constant rotor lead.
description: Schriftenreihe des Fachgebietes Fluidtechnik; 6