Bewertung von rotierenden Körpern hinsichtlich Ventilationsleistung und Wärmeentwicklung

Abstract

In der vorliegenden Diplomarbeit wird mit Hilfe der verfügbaren Literatur und anhand von Messdaten auf analytischem Weg die Ventilationsleitung sowie die Wärmeentwicklung an umschlossenen Kupplungsrotoren untersucht. Unter dem Begriff Ventilation versteht man die Reibungsverluste, die aufgrund der Interaktion zwischen der Oberfläche und dem Fluid auftreten. Zu Beginn der Untersuchung werden einige relevante Eigenschaften reibungsbehafteter Strömungen angeführt.<br />Insbesondere wird die Viskosität des betrachteten Fluids als Ursache für die Ausbildung einer Strömung in der Umgebung eines rotierenden Körpers identifiziert und das Strömungsmedium trockene Luft als inkompressibel idealisiert. Um einen Einblick in das sich ausbildende Strömungsfeld in einem geschlossenen Kupplungsgehäuse und das dadurch hervorgerufene Reibungsmoment bzw. den damit einhergehenden Wärmeübergang zu bekommen, werden Strömungen in der Umgebung einer ebenen Scheibe und eines Zylinders betrachtet. Die Literaturrecherche zu den Themengebieten Reibungsmoment und Wärmeübergang gibt Aufschluss über die Einflussgrößen und Abhängigkeiten. Die Analyse der Literatur ergibt, dass der Scheibenradius mit der fünften Potenz und die Winkelgeschwindigkeit mit der dritten Potenz in die Verlustleistung einer rotierenden freien Scheibe eingeht und die Verlustleistung einer umschlossenen Scheibe wesentlich von dem Verhältnis aus axialer Spaltweite und Scheibenradius abhängt, da sich im Radseitenraum für unterschiedliche relative Spaltweiten verschiedene Strömungsformen ausbilden. Darüber hinaus führen hervorstehende Schraubenverbindungen an der Scheibe zu einem signifikanten Anstieg der Ventilationsleistung. Der Reibungsbeiwert der sich bei hoher Drehrate an einem konzentrisch umschlossenen rotierenden Zylinder einstellenden turbulenten Taylor-Wirbelströmung wird maßgeblich von der radialen Spaltweite des Ringspalts beeinflusst. Die Erkenntnisse aus der Literatur fließen in die Erarbeitung eines Modells ein, das auf Basis von Temperaturmesswerten und der Modellierung der Wärmeströme einen Vergleich mit der Ventilationsleistung des Kupplungsrotors ermöglicht. Die Größenordnung der aus dem Vergleich resultierenden Abweichung bestätigt, dass die Ventilationsleistung eines Kupplungsrotors auf die Reibleistungen der einzelnen Rotoroberflächen zurückgeführt werden kann. Der Vergleich führt zu der Erkenntnis, dass die Wärmestrahlung einen großen Beitrag zu dem abgeführten Wärmestrom an der Oberfläche der Verschalung liefert. Das Ergebnis zeigt weiters, dass an den Seitenflächen und der Zylindermantelfläche des Kupplungsflansches auf die Länge des Kupplungsrotors bezogen die größte Reibleistung in den Spaltraum zwischen Kupplungsrotor und Verschalung eingebracht wird. Die Messdaten an einer zweiten Ausführungsform des Kupplungsflansches lassen eine quantitative Aussage über die Abhängigkeiten der dissipierten Reibleistung zu.<br />Anschließend erfolgt die Entwicklung eines analytischen Vorhersagemodells, das mit einfachen Mitteln eine Abschätzung der zu erwartenden Oberflächentemperatur an Kupplungsverschalungen bereitstellt. Da sowohl die gemessene Verteilung der Temperatur an der Oberfläche der Verschalung als auch die anhand des vorherigen Modells ermittelte Fluidtemperatur als Modellgleichungen in die Berechnung eingehen, wird für eine hinreichend genaue Vorhersage die geometrische Ähnlichkeit zwischen dem zu berechnenden Kupplungsrotor und der Ausführungsform gefordert, für welche die iterative Berechnung validiert ist.<br />

This diploma thesis reports an analytical investigation of windage losses and viscous heating associated with enclosed rotating couplings based on the results of previous research and measured data.<br />The term windage describes frictional losses due to the interaction of surfaces and fluids. At the beginning a few relevant properties of viscous flow are pointed out. In particular, viscosity is identified as the cause of a flow nearby a rotating body. In addition, fluid is considered incompressible, and air humidity is neglected. To gain an insight into the flow field of an enclosed rotating coupling, and to understand the thereby caused frictional losses and heat transfer, both flows, nearby a rotating plane disk, and a rotating cylinder, are examined. The literature reviews on frictional losses and on heat transfer reveal quantitive factors influencing windage losses and heat transfer, including their respective functional dependencies. The fifth power of the disk radius and the third power of the angular velocity lead to windage losses of a rotating disk. However, the windage loss of an enclosed rotating disk depends on the ratio axial gap width to radius as a cause of the different flow structure in the shroud. Moreover windage losses of a rotating disk increase due to rotor mounted bolts. The friction coefficient of the turbulent Taylor-Vortices-Flow, which develops in the annular air gap at high rotational speed of the inner rotating cylinder, is mainly influenced by the radial gap width.<br />Based on the existing results from the literature review a model is designed, that compares the total windage losses of an enclosed rotating coupling and the heat fluxes due to measured temperature data. The order of magnitude of the resulting difference enables to calculate the total windage losses as the sum of the windage losses of each rotor surface.<br />The drawn comparision leads to the conclusion that the heat flux caused by heat radiation at the outer surface of the enclosure cannot be neglected. Furthermore it is shown, that the greatest amount of windage evolves at the two disk sides and the cylindrical surface of the flange with respect to the axial length of the rotating coupling due to frictional losses. The measured data at a second flange allows a quantitative evaluation regarding the dependence of windage losses.<br />After that an other analytical model is developed to estimate the maximum sureface temperature at future designed couling enclosures. To ensure a precise estimation the analysed coupling system has to show geometric similarity to the coupling system the model equations are based on. The model equations are derived from the distribution of the measured surface temperature and the previous calculated fluid temperature.