HM15020D

Systeme für die technische Ausbildung

Versuchsanleitung HM150.20 Demo-Versuch Francis-Turbine

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Alle Rechte vorbehalten G.U.N.T. Gerätebau GmbH, Barsbüttel

HM150.20 Demo-Versuch Francis-Turbine

0,4

0,6 0,8

0,2 0

bar

1

Kl.1,6

Versuchsanleitung

Druckschrift Nr.: 917.000 20 A150 02

05/96

HM150.20 Demo-Versuch Francis-Turbine

Inhaltsverzeichnis 1 Gerätebeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Versuchvorbereitung und Durchführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1

Versuchsvorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2

Einstellungen und Messungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

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3 Versuche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3.1

Turbinenkennlinien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.2

Leistungskurven. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4 Technische Daten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

HM150.20 Demo-Versuch Francis-Turbine 1

Gerätebeschreibung Das Gerät ist für den Ausbildungs- und Versuchsbetrieb bestimmt. Es dient der Demonstration zum Funktionsprinzip einer Francis-Turbine. Die Leitschaufeln im Spiralgehäuse sind verstellbar. Mit einer einstellbaren, mechanischen Bremseinrichtung kann die Turbine belastet werden.

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Typische Turbinen-Kennlinien und Leistungskurven für verschiedene Drehzahlen können so mit Hilfe der Leitschaufelverstellung und der Bremseinrichtung aufgenommen werden.

Die Wasserversorgung sollte über HM 150 Grundmodul Strömungstechnik erfolgen, da die Francis-Turbine für diese Pumpendaten ausgelegt ist. Mit HM 150 läßt sich ein geschlossener Wasserkreislauf aufbauen. Bei einem Anschluß an ein Laborwassernetz sollte darauf geachtet werden, daß bei angschlossener Turbine ein Volumenstrom von ca. 40 l/h und ein Wasserdruck von 0.1 bar erreicht wird, damit die nachfolgend beschriebenen Demonstrationsversuche durchgeführt werden können. Für die Versuche wird zusätzlich ein Handtachometer benötigt, welches nicht im Lieferumfang enthalten ist.

1 Gerätebeschreibung

1

HM150.20 Demo-Versuch Francis-Turbine Das Gerät besteht im wesentlichen aus:

7

8

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3

6

4 9 5 0,4

0,6 0,8

0,2 0

2

bar

1

Kl.1,6

10

1

1 Grundplatte 2 Eintritt Druckrohr 3 Spiralgehäuse 4 Leitschaufeln 5 Laufrad

1 Gerätebeschreibung

6 Leitschaufelverstellung 7 einstellbare Bremsvorrichtung 8 Federwaage 9 Manometer 10 Austritt Saugrohr

2

HM150.20 Demo-Versuch Francis-Turbine Ein Schnitt durch das Spiralgehäuse zeigt die Kraftübertragung vom Laufrad zur Riemenscheibe. 2

5 12

3 4

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11 6 8

10

9 7

1

1 Eintritt Druckrohr in das Spiralgehäuse

7 Wellendichtring

2 Spiralgehäuse 3 Leitschaufeln

9 axiale Verstelleinrichtung für das Laufrad

4 Laufrad

10 Riemenscheibe

5 Leitschaufelverstellung

11 Riemen

6 Saugrohr

12 Federwaage

1 Gerätebeschreibung

8 Turbinenwelle

3

HM150.20 Demo-Versuch Francis-Turbine 2

Versuchvorbereitung und Durchführung

2.1

Versuchsvorbereitung

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2

-

Versuchsaufbau auf HM 150 stellen, so daß der Austritt aus dem Saugrohr (1) das Wasser in den Kanal von HM 150 leiten kann.

-

Schlauchverbindung zwischen HM 150 und dem Anschluß (2) der Francis-Turbine herstellen und Ablauf des volumetrischen Tanks von HM 150 öffnen.

-

Die Bremsvorrichtung der Turbine mit dem Handrad (3) ganz lösen, die Federwaagen (4) sind entlastet und der Riemen (5) wird nicht mehr an die Riemenscheibe gezogen.

-

Haupthahn HM 150 schließen und Pumpe HM 150 einschalten, Haupthahn langsam voll öffnen.

-

Hebel (6) für die Leitschaufelverstellung durch Drehen lösen und durch langsames Auf- und Zustellen (7) der Leitschaufeln das Saugrohr (1) luftfrei machen.

1 3

4

5

6 7

2 Versuchvorbereitung und Durchführung

4

HM150.20 Demo-Versuch Francis-Turbine 2.2

Einstellungen und Messungen

1

Leitschaufelverstellung

2

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Der Anströmwinkel des Wassers auf die Laufradschaufeln (1) wird durch die Stellung der Leitschaufeln (2) vorgegeben. Dieser Anströmwinkel bestimmt die Drehzahl und damit auch die Leistung der Turbine.

3

Die Leitschaufelverstellung wird durch Drehen des Verstellhebels (3) gelöst.

Die Stellung der Leitschaufeln wird oben an der Skala auf der Verstellscheibe (4) angezeigt.

4

2 Versuchvorbereitung und Durchführung

5

HM150.20 Demo-Versuch Francis-Turbine

8 7 8

4

2

5,7

6

3

1 9

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2

6

5

Die Achsen (1) der Leitschaufeln (2) sind drehbar und dichtend aus dem Gehäuse (3) geführt. Von außen sind Anlenkhebel (4) auf die Achsen montiert. Stifte (5) in der Verstellscheibe (6) führen die Anlenkhebel in einem Langloch (7). So können die Leitschaufeln von außen während des Betriebes mit dem Verstellhebel (8) verstellt werden. Der lösbare Verstellhebel klemmt die Verstellscheibe auf dem Wellenlager (9).

2 Versuchvorbereitung und Durchführung

6

HM150.20 Demo-Versuch Francis-Turbine Verstellung des Spalts zwischen Deckscheibe und Laufrad 2

3

Der Deckscheibenspalt (1) kann mit Hilfe der Einstellbuchse (2) eingestellt werden. Dazu muß die Riemenscheibe (3), die die Einstellbuchse kontert, gelöst werden. Die Einstellbuchse wird mit einem Maulschlüssel SW10 gedreht .

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1

Um die Spaltverluste so gering wie möglich zu halten, sollte auch der Spalt zwischen Deckscheibe und Laufrad so klein wie möglich sein. Beim Einstellen ist aber darauf zu achten, daß das Laufrad nicht an der Deckscheibe klemmt.

Riemenscheibe, Einstellbuchse und Turbinenwelle sind mit Linksgewinde ausgeführt.

2 Versuchvorbereitung und Durchführung

7

HM150.20 Demo-Versuch Francis-Turbine Bestimmung des Volumenstrom -

. Um den Volumenstrom V zu bestimmen, die Zeit t stoppen, die benötigt wird um den volumetrischen Tank von HM 150 z.B.von 20 auf 30 Liter aufzufüllen.

Bestimmung der Drehzahl

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-

1

Für die Ermittlung der Drehzahl n wird ein Handtachometer benötigt, welches mit Hilfe einer Reflektionsmarke (1) die Drehzahl anzeigt. Die Reflektionsmarke wird auf die Riemenscheibe (2) geklebt. Das Handtachometer muß dann mit seiner Reflexlichtschranke senkrecht auf die Marke gerichtet werden.

2

Bestimmung der Fallhöhe 1

0,4

0,6 0,8

0,2 0

bar

1

Kl.1,6

Die Fallhöhe H der Wassersäule entspricht dem anliegendem Pumpendruck vor der Turbine. Die Fallhöhe wird am Manometer (1) in bar abgelesen. p H= ρ⋅g

2 Versuchvorbereitung und Durchführung

mit ρ = 1000

kg m3

und g = 9.81

m s2

8

HM150.20 Demo-Versuch Francis-Turbine Bestimmung des Drehmoments 3

4

Für die Bestimmung des Drehmoments muß mit der Bremseinrichtung eine Last aufgebracht werden.

1

Mit Hilfe der Federwaagen (1) und des Durchmessers der Riemenscheibe (2) kann so ein Moment bestimmt werden. M=F⋅

D 2

mit D = 50 mm

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2

Für die Kraft F muß die Differenz der beiden abgelesenen Werte für die Kräfte F1 und F2 eingesetzt werden. F = F1 − F2

F2

F1

-

Mit dem Handrad (3) die Traverse (4) nach oben drehen, bis beide Federwaagen einen Wert anzeigen. Die Kräfte F1 und F2 ablesen und die Differenz bilden. Den Wert F in N notieren.

Achtung! Riemen und Riemenscheibe unbedingt trokken und fettrei halten !

2 Versuchvorbereitung und Durchführung

9

HM150.20 Demo-Versuch Francis-Turbine 3

Versuche Um Leistung und Wirkungsgrad der Francis-Turbine bestimmen zu können, werden vorher noch einigegrundlegende Formeln aufgeführt, damit eine Berechnung der Kennlinien erfolgen kann. Moment M an der Welle: Moment = Kraft x Hebelarm

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D M = F ⋅ 2 [Nm]

mit D = 0.05m

Leistung Pab an der Turbinenwelle: Leistung = Moment x Winkelgeschwindigkeit n Pab = M ⋅ 2 ⋅ π ⋅ 60 [W ] mit n in min−1

Hydraulische Leistung Phyd : Die hyd. Leistung ist eine Funktion von Volumenstrom und Fallhöhe . Phyd = f (V, H ). Damit ergibt sich für die hyd. Leistung: . Phyd = V ⋅ H ⋅ ρ ⋅ g. In die folgende Formel kann die abgelesene Fallhöhe direkt in bar eingesetzt werden: . . V ⋅ p ⋅ 105 Phyd = 1000 ⋅ 60 [W ] mit V in l/min

Wirkungsgrad η :

3 Versuche

10

HM150.20 Demo-Versuch Francis-Turbine Wirkungsgrad = Wellenleistung / Hyd. Leistung

P η = P ab hyd

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Wenn man das innere Reibmoment von ca. 0.0125Nm, welches hauptsächlich vom Wellendichtring hervorgerufen wird, von vornherein mit berücksichtigt, kann der Wirkungsgrad noch gesteigert werden.

3 Versuche

11

HM150.20 Demo-Versuch Francis-Turbine 3.1

Turbinenkennlinien Für die Aufnahme von Turbinenkennlinien die Leitschaufeln auf die Stellung für maximale Drehzahlstellen. Dazu mit dem Handtachometer die Drehzahl messen und dann die Verstellung durch anziehen des Verstellhebels festsetzen. Die Last an der Bremseinrichtung in Schritten mit ca. 15 - 20 Meßpunkten erhöhen, bis die Turbinen-

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welle auf ca. 100 min−1 abgebremst ist. . Der Volumenstrom V ist über die ganze Meßreihe fast konstant. Er wird in die Berechnungen mit . l V = 38 min eingesetzt.

Beispielhaftes Meßergebnis: Drehzahl n in min−1

Bremskraft F in N

Fallhöhe H in bar

1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100

0 0.1 0.25 0.3 0.55 0.8 0.9 1 1.15 1.3 1.4 1.45 1.55 1.65 1.7 1.75 1.75

0.13 0.12 0.11 0.1 0.09 0.09 0.08 0.08 0.08 0.08 0.09 0.1 0.1 0.11 0.11 0.12 0.13

3 Versuche

Moment an der Welle M in Nm 0.000 0.003 0.006 0.008 0.014 0.02 0.023 0.025 0.029 0.033 0.035 0.036 0.039 0.041 0.043 0.044 0.044

Leistung an der Welle Pab in W 0.00 0.42 0.98 1.10 1.87 2.51 2.59 2.62 2.71 2.72 2.57 2.28 2.03 1.73 1.34 0.92 0.46

Hyd. Leistung Phyd in W 8.23 7.60 6.97 6.33 5.70 5.70 5.07 5.07 5.07 5.07 5.70 6.33 6.33 6.97 6.97 7.60 8.23

Wirkungsgra Wirkungsgra d ohne d η Wellendicht ring η’ 0,00 0.05 0.14 0.17 0.33 0.44 0.51 0.52 0.54 0.54 0.45 0.36 0.32 0.25 0.19 0.12 0.06

0.00 0.33 0.42 0.46 0.63 0.72 0.80 0.79 0.77 0.74 0.61 0.48 0.42 0.32 0.25 0.16 0.07

12

HM150.20 Demo-Versuch Francis-Turbine

0.05

0.04

0.03 M in Nm 0.02

0.01

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Moment an der Turbinenwelle 0 3 2.5 Pab 2 in Watt 1.5 1 Leistung an der Turbinenwelle

0.5 0

η’ ohne Wellendichtring

75

50

η, η’ 25 Wirkungsgrad 0

0

500

1000

Drehzahl n in min 3 Versuche

1500

2000

-1

13

HM150.20 Demo-Versuch Francis-Turbine 3.2

Leistungskurven Für die Aufnahme von Leistungskurven wird die Bremseinrichtung immer so eingestellt, daß bei verschiedenen Leitschaufelstellungen immer die gleiche Drehzahl n gemessen wird. Die dazugehörige Bremskraft ablesen und notieren. . Der Volumenstrom V ist über die ganze Meßreihe fast konstant. Er wird in die Berechnungen mit . l V = 38 min eingesetzt.

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Beispielhaftes Meßergebnis: n = 750 min-1 Leitschau Brems- Moment felkraft an der stellung F Welle in M N in Nm

n = 850 min-1 Leistung Brems- Moment kraft an der an der F Welle Welle in M Pab N in in Nm W

n = 1000 min-1 Leistung Bremskraft an der F Welle in Pab N in W

Moment an der Welle M in Nm

Leistung an der Welle Pab in W

1

0.40

0.010

0.79

0.22

0.0055

0.49

0.10

0.003

0.20

2

0.65

0.016

1.28

0.44

0.011

0.98

0.35

0.009

0.69

3

0.85

0.021

1.67

0.56

0.014

1.28

0.50

0.013

0.98

4

0.90

0.023

1.77

0.76

0.019

1.67

0.65

0.016

1.28

5

1.05

0.026

2.06

0.80

0.020

1.77

0.75

0.019

1.47

6

1.10

0.028

2.16

0.88

0.022

1.96

0.85

0.021

1.67

7

1.20

0.030

2.36

0.92

0.023

2.06

0.90

0.023

1.77

8

1.25

0.031

2.45

0.96

0.024

2.16

0.024

1.87

9

1.30

0.033

2.55

1.00

0.025

2.26

1.00

0.025

1.96

10

1.30

0.033

2.55

1.00

0.025

2.26

1.00

0.025

1.96

11

1.35

0.034

2.65

1.08

0.027

2.36

1.00

0.025

1.96

12

1.40

0.035

2.75

1.12

0.028

2.45

1.00

0.025

1.96

13

1.35

0.034

2.65

1.08

0.027

2.36

0.95

0.024

1.87

14

1.30

0.033

2.55

1.00

0.025

2.26

0.95

0.024

1.87

15

1.25

0.031

2.45

0.96

0.024

2.16

0.90

0.023

1.77

16

1.20

0.030

2.36

0.92

0.023

2.06

0.90

0.023

1.77

17

1.15

0.029

2.26

0.92

0.023

2.06

0.90

0.023

1.77

18

1.10

0.028

2.16

0.88

0.022

1.96

0.85

0.021

1.67

3 Versuche

0.95

14

HM150.20 Demo-Versuch Francis-Turbine

3

2.5 750 min-1

Leistung an der Turbinenwelle Pab in Watt

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2 850 min-1 1.5

1000 min-1

1

0.5

0 0

5

10

15

20

Leitschaufelstellung

3 Versuche

15

HM150.20 Demo-Versuch Francis-Turbine 4

Technische Daten

Auslegungsdaten: Volumenstrom Fallhöhe Drehzahl

. V = 50l/min H=2m n = 2000 min-1

. Leistung bei V ≈ 40 l/min H ≈ 0.8 m = 0.08 bar

≈ 2.8 W / 1000 min-1

Leitschaufeln:

6 Stück

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Laufrad:

Außendurchmesser: Innendurchmesser: Schaufelbreite: Laufradschaufeln: Eintrittswinkel: Austrittswinkel:

Bremskraft: Riemenscheibe:

50 mm 30 mm 5 mm 7 Stück α1 = 58.1° β2 = 90° max. 10 N

Durchmesser:

Schlauchanschluß:

50 mm Druckschlauchtülle D = 20 mm

Abmessungen: Länge: Breite: Höhe: Gewicht:

4 Technische Daten

400 mm 400 mm 650 mm 12 kg

16