Chamber filling in screw-type engines

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Knut Kauder
• Subject Area: Hydraulic and Turbo Engines and Piston Engines
• Term: from 2002 to 2004
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5370930

Die Entwicklung der Energietechnik lässt für die nächsten Jahre eine verstärkte Nutzung umweltschonender Energieträger auf dem Gebiet der dezentralen Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung auch auf niedrigem Temperatumiveau erwarten. Für einen solchen Einsatzfall ist der Dampfschraubenmotor als noch "junger" Energiewandler mit hohem Entwicklungspotential von besonderem Interesse. Um jedoch die Vorteile dieses Maschinentyps für die Energiewandlung verstärkt nutzen zu können, ist es notwendig, den Wirkungsgrad insbesondere für große innere Volumenverhältnisse deutlich zu verbessern. In den vorangegangenen Jahren wurden vom Antragsteller umfangreiche experimentelle und theoretische Untersuchungen an Schraubenmotoren durchgeführt. Dabei musste festgestellt werden, dass sich die Entwicklungsprobleme analog zu denen der Strömungsmaschinen verhalten. War man noch vor wenigen Jahren der Auffassung Schraubenkompressoren und Schraubenmotoren blieben weitgehend gleiche Maschinen, nur die Energiebewegungsrichtung wäre unterschiedlich, so lässt sich diese Ansicht nicht mehr aufrecht erhalten. Betrachtungen neuerer Arbeiten haben gezeigt, dass mit zunehmendem inneren Volumenverhältnis der Einfluss der zu Beginn der Expansion vorliegenden Kammerfüllung auf den effektiven Wirkungsgrad des Motors erheblich an Bedeutung gewinnt. Dabei machen sich besonders die Spaltströmungen und die Drosselung beim Einströmen des Arbeitsmediums in die Arbeitskammer negativ bemerkbar. Die aus dem Kompressorenbau abgeleiteten, herkömmlich gestalteten Schraubenmotoren lassen nur ein geringes Potenzial zur Verbesserung der Kammerfüllung durch eine Optimierung geometrischer Einflussgrößen erkennen. Ziel des beantragten Vorhabens ist daher die Untersuchung konstruktiver Maßnahmen zur Verbesserung der Kammerfüllung. Dieses sind zum einen eine konische Rotorgeometrie zur Vergrößerung des inneren Volumenverhältnisses und zum anderen der Einsatz von Steuerelementen im Einlassbereich zur Optimierung des Einlassflächenverlaufs. In einem ersten Schritt ist zu untersuchen, wie sich die Spaltbreiten, die Einlassfläche und die Volumenkurve für die jeweils betrachtete Maßnahme entwickeln und wo Unterschiede zu einem heute üblichen Schraubenmotor liegen. Anschließend sind die einzelnen Varianten hinsichtlich ihres Potenzials zur Verbesserung der Kammerfüllung anhand von Kennzahlen zu vergleichen, um abschließend Gestaltungskonzepte für neue Entwicklungswege des Schraubenmotors mit verbesserter Energiewandlungsgüte erarbeiten zu können.

• DFG Programme: Research Grants