Praktikum Strömungsmaschinen Versuch Messung der Kennlinien einer Pelton-Turbine

1.Versuchsaufgabe: Das Betriebsverhalten einer Pelton-Turbine soll an einem Laborversuchsstand untersucht werden. Hierzu sind, mit Hilfe des Messwerterfassungsprogramms DASYLab, folgende Messwerte aufzunehmen: Differenzdruck an der Messblende; Druck am Eintritt der Turbine; Drehmoment an der Laufradwelle; Nadelhub; Dreh- zahl der Laufradwelle und die Temperatur. Anschließend sind die Messwerte in die vorgefertigte EXCEL-Tabelle zu übertragen und auszuwerten. Theoretisch veränderlich: Nadelhub  Durchsatz der Turbine Drehzahl über Drehstrommotor

Das Betriebsverhalten der Pelton-Turbine wird in zwei Versuchreihen untersucht. In der ersten Versuchsreihe werden der Eintrittsdruck und der Volumenstrom ein- gestellt und konstant gehalten. Dies erfolgt mit Hilfe des in der Rohrleitung einge- bauten Schiebers (Eintrittsdruck) und der Positionierung der Nadeldüse (Volumen- strom). Anschließend sind mit Hilfe des Frequenzumrichters verschiedene Dreh- zahlen anzufahren. Mit den erfassten Daten sollen der Wirkungsgrad über der Drehzahl sowie der Wirkungsgrad über der Druckzahl berechnet und aufgetragen werden. In der zweiten Versuchsreihe werden der Eintrittsdruck und die Drehzahl eingestellt und konstant gehalten, während der Volumenstrom variiert wird. Die Variation des Volumenstroms erfolgt durch Positionierung der Nadel in der Düse. Mit den er- fassten Daten sollen die Kennlinien, d.h. die Nutzleistung und der Wirkungsgrad über dem Volumenstrom berechnet und aufgetragen werden.

2.Versuchsanordnung:

Mit Hilfe einer Kreiselpumpe wird das benötigte Nutzgefälle simuliert Mit Hilfe einer Kreiselpumpe wird das benötigte Nutzgefälle simuliert. Um ver- schiedene Nutzgefälle einstellen zu können, wurde ein Schieber in die Rohrleitung vor der Turbine angebracht. Mit Ihm wird der Eintrittsdruck reguliert. Der Eintritts- druck wird mit einem Digitalmanometer gemessen. In der Rohrleitung vor dem Schieber ist eine Messblende eingebaut. Der Differenzdruck in der Messblende wird mit einem Differenzdruck-Messumformer gemessen und als Stromsignal an die Multimeter weitergegeben. Über den Differenzdruck der Messblende wird der Volumenstrom ermittelt. Die Regulierung der Wassermenge erfolgt mit Hilfe einer axial verschiebbaren Nadel, die den Düsenaustrittsquerschnitt vergrößert bzw. verkleinert. Um die Nadelposition messen zu können, wurde eine Konstruktion mit einem Potentiometer am Ende der Nadeldüse montiert. Die Drehzahl des Laufrades wird mit einem induktiven elektro- magnetischen Impulssensor erfasst. Das Laufrad wird mittels eines Drehstrommotors angetrieben, der über einen Frequenzumrichters gesteuert wird. Zum Schutz vor Be- schädigungen bei Umrichterbetrieb ist es nötig, dem Motor aufgrund seines Baujahres einen Motorfilter vorzuschalten.

Das Moment zwischen Motor und Laufrad wird mit einer Drehmomentmessnabe erfasst. Ein Nickelchrom-Thermoelement ist für die Bestimmung der Wasser- Temperatur zuständig. Patentzeichnung

3.Gleichungen: Düsengeschwindigkeit mit Verlusten Zur Berechung der Düsengeschwindigkeit wird folgendes System betrachtet und die Bernoulli-Gleichung für eine reibungsbehaftete Strömung angesetzt. (1)

nach cDüse aufgelöst : (2) mit

Die Reibungsdruckverluste lassen sich wie folgt berechnen: (3) (4) Anmerkung: Zur Berechnung der Düsengeschwindigkeit ist es notwendig, zuvor die Nadelgeometrie zu betrachten, um den Austrittsquerschnitt zu bestimmen. Da die Herleitung den Rahmen der Versuchsbeschreibung sprengen würde, wird hier nicht näher darauf eingegangen. Die Formeln sind daher schon in der EXCEL-Berechnungstabelle implementiert.

Spezifische Förderarbeit (5) Anmerkung Die Systembetrachtung zur Aufstellung der Gleichung wird auf einem gesonderten Blatt ausgehändigt. Auf diesem Blatt soll die Gleichung aufgestellt, in eine EXCEL-Formel transformiert und in EXCEL eingegeben werden. Fallhöhe (6)

Nutzleistung der Turbine (7) Mechanische Leistung der Turbine (8) Hydraulischer Wirkungsgrad der Turbine (9)

Druckzahl (10) bei der Pelton-Turbine gilt u1 = u2 = u, mit (11)

4.Aufgabenstellung: Zusammenfassung der experimentellen Aufgabe, Beschreibung des Versuchsstandes, Diagramme folgender Kenngrößen: Versuchsreihe 1 Wirkungsgrad über Drehzahl Wirkungsgrad über Druckzahl Versuchsreihe 2 Spezifische Förderarbeit über Volumenstrom Leistung über Volumenstrom Wirkungsgrad über Volumenstrom Beantworten der Verständnisfragen