Windkanal Göttinger Bauart (Prof. Dr. H. Weisweiler/Prof. Dr. R. Dückershoff)

Technische Daten:

• Antriebsleistung: 75 kW
• Freistrahlquerschnitt: 1 m x 1 m
• Strömungsgeschwindigkeit im Freistrahl: > 50 m/s
• Strömungsturbulenz im Freistrahl: < 1 %

Technische Ausstattung

• 6 Komponenten Kraft- / Momenten- Messtisch (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz)
• 5 - Achs - Traversiersystem Isel
• 3 Kanal Hitzdrahtanemometer IFA 300
• Pressure Scanner Model 9116. Mehrere Geräte in den Druckbereichen -12 bis 45 psi, -10 bis 10 psi, -0,36 bis 0,36 psi, 0 bis 100 psi mit einer Genauigkeit von 0,05% FS (Ethernet)
• Umgebungsdruckmessgerät Mensor 2500

13^th National Congress on Theoretical and Applied Mechanics with International Participation, Sofia, Bulgaria, 6-10th September 2017

Kongressbericht: National Congress on Theoretical and Applied Mechanics

Volumenstrommessung in der Saugleitung eines Radialgebläses

Der Messung kontinuierlicher stationärer Fluidströme kommt in der strömungstechnischen Messpraxis ein hoher Stellenwert zu. Daten über Durchflußmengen werden für Mess-, Steuer- und Regelungsaufgaben benötigt. Wenn mit Hilfe von Mengenbestimmungen Kosten im geschäftlichen Verkehr abgerechnet werden, sind die verwendeten Messgeräte häufig eich- oder beglaubigungspflichtig.

Versuchsdurchführung
Es werden die Geschwindigkeit, der Volumen- und Massenstrom der Luft in der Saugleitung eines Radialventilators mit verschiedenen Messinstrumenten indirekt erfasst.

Nenndaten des Ventilators:
Totale Druckerhöhung: 800 mm WS
Volumenstrom:  3600 m3/h
Drehzahl:  2880 1/min
Wellenleistung:  11 kW

In der Saugleitung des Ventilators
sind eingebaut:
a) eine Einlaufdüse
b) ein Venturirohr
c) ein Prandtl-Rohr

Der Ventilator wird von einem drehzahlregelbaren Drehstrom- Asynchronmotor angetrieben. Vor dem Einschalten sind die Einstellpositionen und Messstellen wie folgt zu besetzen:

1. Einstellen des Volumenstroms über die vorgegebenen Drehzahlen.
2. Ablesen des Wirkdruckes der Einlaufdüse an der Anzeige eines U-Rohres.
3. An den Messstellen der Venturidüse Ablesung des Wirkdrucks als Differenz von zwei statischen Drücken und des statischen Drucks. Der Wirkdruck wird direkt an einem elektronischen Mikromanometer angezeigt; der statische Druck an einem Schrägrohrmanometer.
4. Bei jeder neuen Volumen- bzw. Drehzahleinstellung:
   a) Ablesen der Raumtemperatur in °C und des Barometerdruckes in hPa,
   
   
   b) Registrieren der Temperatur vor der Einlaufdüse und in der Saugleitung vor Venturi- und Prandtl-Rohr.
5. Messung mit dem Prandtl-Rohr: An der U - Rohrtafel werden der statische. Druck und der Gesamtdruck abgelesen (Die Differenz ergibt den dynamischen Druck).

Nach der Sicherheitsbelehrung und der Einteilung der Messstellen wird der Fahrstand eingeschaltet und der Motor vorsichtig hochgeregelt. Wenn die in Messposition 1 vorgegebene Drehzahl von annähernd 2150 1/min erreicht ist und sich stabilisiert hat, werden auf Kommando alle Messwerte abgelesen. Sind alle Werte notiert, wird die nächste Messposition und damit ein neuer Volumenstrom durch Absenken der Drehzahl entsprechend der Messwertprotokollvorgabe eingestellt. Es werden zwei Teilversuche mit dem Prandtlrohr- Stellungen 0 und 62,5 mm zu je 6 Messpositionen gefahren.
Abschließend erfolgt die Auswertung der Messdaten mit dem PC in Excel.

Peltonturbine

Im Maschinenlaborversuch werden in Ergänzung zur Vorlesung "Strömungsmaschinen" der konstruktive Aufbau und die Funktion von Wasserturbinen erklärt, die theoretischen Grundlagen der Peltonturbine erläutert und mit der Peltonturbine als eine der bekannten drei hydraulischen Turbinen ein Laborversuch bei konstanter und auch veränderlicher Drehzahl gefahren. Es wird ein Überblick über einen typischen Wasserturbinenversuchsstand gegeben und beim Versuch der Umgang mit den erforderlichen Meßgeräten geübt. Mit Hilfe der an der Peltonturbine gemessenen Daten wird das Kennfeld, das für die Beurteilung der Maschine wichtig ist, berechnet und grafisch dargestellt:

 Der am Turbineneintritt erforderliche hohe Druck p zur Erzielung einer hohen Strahlgeschwindigkeit c_Str wird in der Natur durch die potentielle Energie eines hochgelegenen Stausees realisiert. Im Maschinenlabor wird der notwendige Turbineneintrittsdruck von einer Kreiselpumpe erzeugt. Durch die vorgeschriebene "Freihanghöhe" ist gewährleistet, dass die Peltonschaufeln auf keinen Fall in das Unterwasser eintauchen (Vermeidung von "Pantschverlusten").

Üblicherweise dient bei Wasserkraftwerken das erzeugte Drehmoment und die von der Turbine abgegebene mechanische Leistung zum Antrieb elektrischer Generatoren. Im Laborversuch hingegen wird das Drehmoment von der Turbinenwelle per Keilriemen auf eine hydraulische Bremse mit Momentenwaage übertragen. Bei großen Drehmomenten (kleine Drehzahl) tritt zusätzlich eine Backenbremse in Aktion.

 Nenndaten des Ventilators:

Peltonturbine:
Volumenstrom = 11,00 l/s
Fallhöhe = 45,00 m
Nenndruck = 4,409 bar
Nutzleistung = 3,5 kW
Drehzahl im Auslegungspunkt = 1.130 min-1
Wirkungsgrad (mechanisch, = 0,98
nur Turbinenlagerung) 
Laufradaussendurchmesser = 0,301 m
Bezugsdurchmesser = 0,301 m
Schaufelzahl = 23
spez. Drehkenngröße = 0,043
Durchmesser-Kenngrösse = 13,864
Enthalpiestufen-Kenngröße = 4
Durchfluss-Kenngröße der = 0,2
Stufe

Düse:
max. Nadelhub = 19,0 mm
max. Düsenöffnung = 566 mm2
Düsenfaktor = 0,96

Venturidüse:
min. Durchmesser = 0,0417
Durchflusszahl = 1,0199
Expansionszahl = 1
(inkompressibel)

Anlagendaten:
Rohrdurchmesser = 0,0817 m

Kennlinienbestimmung an einer radialen Kreiselpumpe

Die radiale Kreiselpumpe ist zwischen Saugleitung und Druckleitung eingebaut. Das Wasser wird aus einem Unterflurbecken angesaugt, durchströmt die Saug- und die Druckleitung, an deren Ende ein Handschieber zum "Drosseln" eingebaut ist. Nach dem Handschieber läuft das Wasser durch ein offenes Gerinne zurück in das Unterflurbecken. Am Beginn der Saugleitung befindet sich ein Saugkorb zur Grobfilterung und ein Fußventil (Rückschlagventil). Die Pumpe wird von einem drehzahlregelbaren Drehstrom- Asynchronmotor angetrieben, dessen Wellenleistung PW (Kupplungsleistung) mit Hilfe eines Drehmomentenaufnehmers und einer Drehzahlmessung direkt ermittelt wird.

Kenndaten:
 spez. Drehkenngröße der Maschine = 0,123
 Durchmesser-Kenngröße der Maschine = 7,935
 Enthalpie-Kenngröße der Stufe = 1,252
 Durchfluss-Kenngröße der Stufe = 0,081
 Wirkungsgrad (mechanisch) = 0,96
 Bezugs-/Laufradaußendurchmesser = 0,199
 Volumenstrom = 15 l/s
 Nenndrehzahl = 2880 1/min
 Differenzdruck = 4,6 bar
 Leistungsbedarf = 10 kW

Das Verändern des Volumenstroms und somit des Betriebspunktes erfolgt durch Drosseln an einem Handschieber.
Zur Messung des Volumenstroms dient eine Norm-Messblende. Dabei wird der Wirkdruck an der Blende pBl , das heißt die Druckdifferenz vor und hinter der Blende erfasst. Der Volumenstrom kann zusätzlich auch an einem magnetisch induktiven Durchflussmessgerät direkt abgelesen werden. Grundlage für die magnetisch induktive Messung ist das Faradaysche Induktionsgesetz: "Wird in einem Magnetfeld ein Leiter bewegt, so wird in ihm eine Spannung induziert."! Die leitfähige Flüssigkeit durchfließt ein Rohr, in welchem senkrecht zur Fließrichtung von Magnetspulen ein Magnetfeld erzeugt wird. Die im Fluid induzierte Spannung ist der mittleren Strömungsgeschwindigkeit direkt proportional.
Vorteile des Messprinzips: Keine Druckverluste, kein Einfluss der Viskosität und der Dichte, eine Messung in turbulenter Strömung ist möglich. Voraussetzungen: Die Messflüssigkeit muss elektrisch leitfähig sein und das Messgerät muss ganz gefüllt sein (senkrechter Aufbau).
Die statischen Drücke auf der Saugseite und Druckseite der Pumpe werden manuell mit Manometern als Differenzdrücke gegenüber der Atmosphäre gemessen.
Die Temperaturänderung zwischen Druck- und Saugseite wird mit Hilfe von Quarz-Temperatur-Sonden gemessen, welche die temperaturabhängige Resonanzfrequenz eines Quarzkristalls nutzen. Die dünnen Plättchen aus kristallinem Quarz sind mit Elektroden bedampft und werden durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung in mechanische Schwingungen versetzt. Durch Rückkopplung entsteht ein elektromechanischer Oszillator, der eine stark temperaturabhängige Resonanzfrequenz (Maß für T) besitzt.

Das Drehmoment an der Kupplung der Pumpe wird mit der Drehmomentenmesswelle, die nach dem Prinzip des Transformators arbeitet, gemessen (auch Drehmomentaufnehmer genannt). Die Primär- und die Sekundärspule sind im Gehäuse, also nicht rotierend untergebracht. Zwischen beiden Spulen befindet sich sowohl die rotierende Innen- wie auch die rotierende Außentrommel, die jeweils mit "Schlitzen" versehen sind. Ein Drehmoment bewirkt eine Torsion der Messstrecke der Welle und damit eine Verdrehung der Innen- gegen die Außentrommel. Die überdeckenden Schlitze in beiden Trommeln bewirken so eine sich abhängig vom Moment verändernde Transformatorkopplung. Ein drehmomentproportionaler Anteil des 20 kHz-Signals geht dann an die Sekundärspule und wird von der elektronischen Auswertung als ein wirkungsrichtungsabhängiges Sekundärsignal (Moment und Drehzahl) zur Anzeige gebracht.

Die Drehzahl n wird nicht nur vom Drehmomentaufnehmer sondern auch noch zusätzlich von einem digitalen Messgerät angezeigt. Dazu dient ein berührungsloser photoelektrischer Impulsgeber an der Pumpenwelle.
Ankerstrom IA und Ankerspannung UA werden am Fahrstand von einem Ampere- bzw. Voltmeter angezeigt und dort ins Messprotokoll übertragen.

Abreißströmung und Schallmessung an einem Axialventilator

 Bei der Beurteilung von Ventilatoren und Verdichtern stehen oft zwei Fragen im Vordergrund:

Jedes Verdichterkennfeld besitzt Kennfeldgrenzen. Jenseits dieser Grenzen ist ein stabiles Arbeiten nicht möglich. Der Versuch soll vertraut machen mit den möglichen Folgen einer Überschreitung der Kennfeldgrenzen:

• Verminderung der Druckerhöhung in der Beschaufelung,
• schlagartiger Rückgang des Volumenstroms, eventuell Rückströmen,
• Verschlechterung des Wirkungsgrads,
• "Schaufelflattern", eventuell Schaufelbruch (Rotorunwuchten),
• erzwungene Schwingungen mechanischer Teile und Regelorgane,
• starke Geräuschabstrahlung (Dröhnen  Nebelhornton, Schlagen),
• Umkehr des Achsschubs, eventuell Lagerschaden.

Der Versuchsstand besteht aus einem 8 m langen kreisförmigen Kanal mit dem konstantem Durchmesser von 0,355 m. Die abgestrahlte Schalleistung stammt von einem dort eingebauten Axialventilator mit Nachleitrad. Das vom Ventilator abgestrahlte Schallsignal wird von einem im Kanal eingebauten Mikrofon, welches pneumatisch verstellbar ist, auf einen Schallpegelmesser übertragen. Von diesem wird das Schallsignal an den Frequenzspektrum-Analysator weitergeleitet, auf dessen Bildschirm der Schallpegel in Abhängigkeit der Frequenz sichtbar wird. Das Mikrofon ist zur Vermeidung von Windgeräuschen von einem langen zylindrischen Turbulenzschirm umgeben. Um eine Kennlinie des Ventilators (Drossellinie) fahren und dabei das Geräuschverhalten untersuchen zu können, befindet sich am Kanalende ein stufenlos verstellbarer Drosselkegel.

Vorversuche
In einem Vorversuch wird die Funktionsweise des Schallpegelmessers und Frequenzspektrum-Analysators erläutert, sowie eine Kalibrierung derselben mit dem Kalibrator bei 94 dB und 1000 Hz durchgeführt.

Fahren einer Drosselkurve
Durch manuelle Verstellung des Drosselkegels am Ende des Kanals bei konstanter Drehzahl des Axialventilators wird die Druckdifferenz zwischen Gebläseaus- und -eintritt verändert und damit entsprechend dem Ventilatorkennfeld auch der Volumenstrom (gemessen mit einer Normeinlaufdüse und dem Betz-Mikromanometer) variiert. Gleichzeitig mit dem Kennfeld wird auch der Gesamt-Schalleistungspegel in Abhängigkeit des Volumenstromes aufgenommen.

Laminarströmungstisch

Beliebige ebene Um- und Durchströmungen können mit Hilfe des Laminarströmungstisches eindrucksvoll sichtbar gemacht werden. Dazu muss das maßstabgerechte Modell der zu untersuchenden Anordnung auf den waagerecht aufgebauten Tisch gelegt, genau ausgerichtet und von einer Glasplatte abgedeckt werden. Durch den so entstehenden Spalt zwischen dem Tisch und der Glasplatte wird ein Wasserstrom geführt. Die Stromlinien des sich dann einstellenden Strömungsfeldes werden mit Hilfe vieler feinen Düsen durch Injektion einer genau dosierten Menge eines speziellen Farbstoffes sichtbar gemacht und können später fotografisch dokumentiert werden.  Zusätzlich können maximal acht Quellen- und/oder Senken an bestimmten Stellen im Strömungsfeld eingebracht werden um so ein Überlagerung einer Parallelströmung mit einer Quellen- und/oder Senkenströmung zu untersuchen. 
Mit dem Laminarströmungstisch können Gittermessungen durchgeführt werden und z. B. Strömungsformen innerhalb komplizierter Geometrien wie etwa bei Ventilen oder Absperrarmaturen ermittelt werden. Die Diskussion und Auswertung solcher Versuche erlaubt es dann, strömungsgünstigere Geometrien vorzuschlagen. Innerhalb des Maschinenlabors kann das Gerät durch Nachbau der realen (aber sonst nicht sichtbaren ) Situation den Lehrerfolg steigern.