06.09.2002, 18:21 Uhr

Die Schraubenmaschine dreht sich weiter in die Zukunft

Kompressoren, Lader für Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellen, Vakuumpumpen, Motoren; zu weit mehr als nur der kostengünstigen Erzeugung von Druckluft oder der Förderung von Prozessgasen werden Schraubenmaschinen verwendet. Aktueller Forschungstrend ist die Umkehrung des Verdichterprinzips zu einem Motor. Der kann als Energiewandler Strom produzieren.

Die Tür zu den motorischen Prozessen mit Schraubenmaschinen ist aufgestoßen. „In der dezentralen Energieversorgung werden Schraubenmotoren im Leistungsbereich zwischen etwa 100 kW bis 3000 kW in Zukunft einen festen Platz finden“, sagt Prof. Knut Kauder, Universität Dortmund. Weiter zu erschließende Einsatzbereiche sind nach seiner Einschätzung: Blockheizkraftwerke, auch die Erweiterung eines Heizwerkes zu einem BHKW, die Deponiegasverstromung, Abfall- und Reststoffverstromung, thermische Solarkraftwerke, die Abwärmeverstromung und Biomassekraftwerke.
Kauder, an der Universität Dortmund zuständig für Fluidenergiemaschinen, fordert Amortisationszeiten von weniger als 3 Jahren für solche Anlagen. Dazu imstande seien „uniforme Schraubenmotoranlagen“, Baukastenmodule, die wenig personalkostenintensiv, automatisiert und fernüberwacht (Telemonitoring) betrieben werden können.
In der Entwicklung befindet sich laut Kauder ein neuer Schraubenmotor, der ohne Verdampfer auskommt, er verdampft Druckwasser erst im Zahnlückenraum (Flash Cycle). „Gerade Abwärmeströme lassen sich so mit hohen exergetischen Gütegraden (Verhältnis von isotroper Expansionsleistung zum Energiestrom der Abwärme) in Wellenarbeit wandeln“, argumentiert der Dortmunder Universitätsprofessor. Gleichzeitig beginne hier der Betrieb der „wassergeschmierten“ Motorlagerung, also eine ölfreie Technologie.
Auch ein anderes, neues Motorkonzept sucht den Weg in die industrielle Anwendung, es ist die Gasscrew, eine Heißgasschraubenmaschine, also ein Gasturbinen-ähnlicher Antrieb mit verbesserten thermodynamischen Eigenschaften (modifizierter Joule-Ericson-Prozess). Der Turbokompressor wird hier durch einen innen gekühlten Schraubenkompressor ersetzt (hohes Stufendruckverhältnis, keine Pumpgrenze), die Turbine durch einen Schraubenmotor mit oxydkeramischer Rotorbeschichtung. Ob z. B. ein Fahrzeugantrieb aus der Gasscrew wird, ist heute noch nicht klar.
Aber schon werden Schraubenkompressoren mit und ohne Hilfsflüssigkeit Wasser im Arbeitsraum entwickelt, die sich zu einem Lader (Supercharger) für Verbrennungsmotoren eignen. Die Laderauslegung kann heute weitgehend theoretisch optimiert werden, weiß Prof. Kauder. Vor allem bei mechanisch angetriebenen Verdrängerladern verfüge der Schraubenlader über Entwicklungspotential bei hohem Wirkungsgrad im Teillastbereich.
In der aktuellen Entwicklung befindet sich auch die „Screw“, eine „Schraubenmaschine mit Compressorischer Respektiver Expansiver Wirkung“. Durch eine besondere Steuerung entsteht eine hybride Maschine, die, angetrieben von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, während bestimmter Lastzustände als Motor wirkt (expansive Wirkung) und so Wellenarbeit an die Motorkurbelwelle zurückspeist.
Noch eine aktuelle Tendenz: Für die Automobil-Brennstoffzelle wird gegenwärtig weltweit nach einer optimalen Energieversorgung gesucht; die Chancen für den Schraubenlader, auch in Kombination mit einem Schraubenmotor sind dabei gut.
„Für all diese neuen Einsatzfälle steht der Schraubenmaschine der Produktionskostenfaktor im Weg, der ihre Verbreitung gerade auf dem Motorengebiet noch nicht schnell genug vorantreibt“, klagt Prof. Kauder. Profilschleifmaschinen würden immerhin weiter entwickelt und erreichten hohe Prozesssicherheiten. Neue Werkstoffe, gegossene Kunststoffrotoren, seien, wenn auch noch in eher geringer Stückzahl, auf dem Markt. Nach alternativen Rotorfertigungsverfahren werde weiter gesucht. im Bereich der umformenden Fertigungsverfahren (Ziehen, Pressen) seien erste Erfolge erkennbar, um die Stückkosten nachhaltig zu senken. Wie häufig werde wohl auch hier die Automobilindustrie eine Vorreiterrolle bei der kostengünstigen Massenfertigung übernehmen. GET/KÄM
Tagung „Schraubenmaschinen 2002 – Kompressoren, Lader, Vakuumpumpen, Motoren“ am 25. und 26. September 2002, veranstaltet von der VDI-Gesellschaft Energietechnik (GET) an der Universität Dortmund.
http:\www.vdi.de (Tagungen & Kongresse)

Maschinen mit Profil
Die Schraubenmaschine als Kompressor startete ihre Karriere 1930 in Schweden mit der Verdichtung von Luft, später von Prozessgasen. 1959 tauchte der erste öleingespritzte Schraubenkompressor auf, der dem Maschinentyp zur weltweiten Verbreitung verhalf. Das Grundprinzip ist einfach: Zwei verwundene Rotoren sind in einem Gehäuse drehbar gelagert. Die Rotorzahnlückenräume (Arbeitsräume) haben die gleiche Funktion wie der Motor-Hubraum. Bei Rotation verkleinert sich der Arbeitsraum – Gas wird komprimiert. Bei Umkehr der Drehrichtung vergrößert er sich – Gas oder Dampf expandiert in den Profillückenraum und dreht die Rotoren: Wellenarbeit entsteht zum Antrieb, z. B von Generatoren, Kompressoren. KK

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