Maschinenlabor: Versuch V2 Untersuchung einer Kreiselpumpe

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1 Universität Siegen - Department Maschinenbau Fachgebiet Strömungsmaschinen - Prof. Dr.-Ing. Th. Carolus Maschinenlabor: Versuch V2 Untersuchung einer Kreiselpumpe Gruppe:... Name Vorname Matr.- Nr Tag des Versuchs:... Teilnahme am Versuch:... Korrekturhinweise: Endtestat:... Wichtig: Der Versuch findet im Gebäude E des Campus Paul-Bonatz-Straße (Container hinter Gebäude A) statt. Treffpunkt ist am jeweiligen Labortermin vor diesem Gebäude. L C

2 Ziel des Laborversuchs und Vorbereitung durch die Teilnehmer 1.1 Ziel In dem Laborversuch werden die Laborteilnehmer mit den wichtigsten Kennlinien einer Kreiselpumpe praktisch vertraut gemacht. Sie erlernen den grundlegenden Aufbau eines Pumpenprüfstands und die Methodik, durch Messung von Druck, Volumenstrom, elektrischer Leistungsaufnahme und Drehzahl die Kennlinien zu ermitteln. Darüber hinaus weisen sie die Gültigkeit der sog. Affinitätsgesetze nach, die die einfache Umrechnung der Kennlinien von einer auf eine andere Drehzahl der Pumpe erlauben. 1.2 Versuchsvorbereitung Von den Versuchsteilnehmern wird erwartet, dass sie sich vor der Versuchsdurchführung anhand dieser Unterlagen mit den Begriffen und den Grundlagen (Kapitel 2), dem Prüfstand und Kennlinienmessverfahren (Kapitel 3) und der Versuchsdurchführung und Auswertung (Kapitel 4) vertraut gemacht haben. Die Teilnehmer müssen in der Lage sein - neben den Aufgaben zur Versuchsvorbereitung -, z.b. alle Bilder und Diagramme des Skripts erläutern zu können, ebenso die Kavitation, das Kennlinienmessverfahren, die Versuchsdurchführung, die Ziele und die erwarteten Ergebnisse für die Auswertung a, b (jeweils vorab in der Lage sein, qualitativ die Ergebnisdiagramme zu skizzieren) und für c das Fehlerfortpflanzungsgesetz. 2. Grundlagen Pumpenbauarten. Kreiselpumpen gehören wie Ventilatoren zu den Strömungsmaschinen, die weltweit in größten Stückzahlen gebaut und eingesetzt werden. Sie werden zur Förderung unterschiedlichster Arten von Flüssigkeiten gebaut und eingesetzt. Bild 1 zeigt zwei typische Pumpen in radialer Bauart mit Spiralgehäuse. Es gibt auch axiale Propellerpumpen und Spiralgehäusepumpen in diagonaler Bauart. Werden mehrere Pumpenräder hintereinander geschaltet, spricht man von mehrstufigen Pumpen, bei Parallelschaltung von mehrflutigen. Saugstutzen Saug- Druckstutzen Dichtung Laufrad Spiralgehäuse W Bild 1 Beispiele von radialen Kreiselpumpen; links: Heißwasserumwälzpumpe mit Spiralgehäuse der Fa. KSB (dargestellt ist der Meridianschnitt); rechts: große Mitteldruckpumpe (Laufrad und Leitschaufeln im Spiralgehäuse, Blick von der Saugseite), aus [1] Energieumsatz in der Pumpe. Über den (hier elektrischen) Antriebsmotor wird der Pumpe über die Welle die Leistung P el zugeführt und in der Pumpe zum großen Teil in die sog. Stutzenarbeit umgewandelt:

3 Yt pa pe cac E (1) 2 Die Stutzenarbeit umfasst eine Erhöhung des statischen Drucks im Fluid (von p E auf p A ) und eventuell eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit von c A auf c E. Ein kleinerer Teil der zugeführten Leistung wird durch die Verluste z.b. aufgrund der Flüssigkeitsreibung innerhalb der Pumpe und im Antriebsmotor aufgezehrt. Die Stutzenarbeit wird benötigt, um den gewünschte Volumenstrom V durch die Anlage zu fördern, (Bild 2). Die Strömungsleistung der Pumpe ist das Produkt von Dichte des Fluids, Volumenstrom und Stutzenarbeit VY t. Der Gesamtwirkungsgrad der Pumpe ist das Verhältnis von Strömungs- zu Antriebsleistung VY t P el. (2) g V. E A P el Bild 2 Pumpe in einer Anlage Für die Auswahl und den Einsatz einer Pumpe in einer Anlage ist nicht nur ein einziges Wertepaar ( Yt, V ) der Pumpe von Interesse, sondern ihre gesamte Kennlinie Yt = f ( V ), Bild 3. Diese Kennlinie wird auch Drosselkurve genannt, weil sie auf einem Prüfstand durch Eindrosseln verschiedener Volumenströme gewonnen werden kann. D.h. mit dem Prüfstand wird die Rückwirkung vieler möglicher Pumpenanlagen auf die Pumpe untersucht. In ihren Katalogen geben die Pumpenhersteller in aller Regel die - auf genormten Prüfständen gemessenen - Pumpenkennlinien an. Der Planer einer Pumpenanlage muss dann nur noch den Energiebedarf seiner Anlage in Form der sog. Anlagenkennlinie Y = ( Anl f V) ermitteln (siehe z.b. [2, 3]). Dann kann er eine Pumpe auswählen, die mit ihrer Stutzenarbeit den Energiebedarf der Anlage beim gewünschten Volumenstrom deckt (Bild 4). Aus energetischer Sicht wird der kluge Planer die Pumpe möglichst so wählen, dass sie mit einem Betriebspunkt mit hohem Wirkungsgrad arbeitet. In den Bildern 3 und 4 ist zusätzlich die Wirkungsgradkennlinie = f ( V ) eingezeichnet.

4 - 4 - Affinitätsgesetze. Nicht in jedem Fall muss die Kennlinie einer Pumpe neu gemessen werden. Beispielsweise kann die Umrechnung einer V Y t Kennlinie von einer Drehzahl auf eine andere durch Anwendung der ersten beiden der folgenden sogenannten Affinitätsgesetze erfolgen: 2 3 ~, t ~, P W ~ V n Y n n (3a, b, c) Diese Gesetzmäßigkeit gilt bei allen Turbopumpen, wenn die Drehzahlvariation nicht allzu groß ist und das Phänomen der Dampfblasenbildung (Kavitation) in der Pumpe vermieden wird. Kavitation entsteht wenn der statische Druck unter dem Dampfdruck einer Flüssigkeit liegt. Der Dampfdruck hängt von der Temperatur der Flüssigkeit ab. Bild 3 Schematische Kennlinien einer Kreiselpumpe (Drosselkurve und Wirkungsgradkennlinie) Bild 4 Maschinen- und Anlagenkennlinien, Betriebspunkt als Schnittpunkt (schematisch) 3. Pumpenprüfstand und das Kennlinienmessverfahren Der hier zur Verfügung stehende Versuchsstand (Bild 5) ist in Anlehnung an die einschlägigen Normen zu Abnahmeversuchen an Kreiselpumpen und Regeln für die Messung hydraulischer Leistungsdaten konzipiert und gebaut. Die kleine Prüfpumpe 1 ist in einen offenen Wasserkreislauf eingebaut. Sie besteht aus einem elektromotorisch angetriebenen Laufrad (ähnlich Foto auf dem Deckblatt), das in einem Spiralgehäuse arbeitet. Die Querschnitte der Rohrleitungen an den Druckmessstellen sind gleich, so dass c A = c E ist und damit die Änderung der kinetischen Energie in der Stutzenarbeit entfällt.

5 - 5 - Die Pumpe wird mit konstanter Drehzahl betrieben. Durch Verstellen der Drosselventile (3, 4) können diverse Volumenströme durch die Pumpe eingestellt werden 1. Die Hilfspumpe 6 wird dann dazugeschaltet, wenn der Volumenstrom nicht mehr durch Öffnen der Drosselventile gesteigert werden kann, weil die Druckverluste des Prüfstands begrenzend wirken. Gemessen werden: die Drücke p A und p E an den Pumpenstutzen der Volumenstrom V die elektrische Leistungsaufnahme des Motors P el die Pumpendrehzahl n. Damit lassen sich letztendlich die Kennlinien Yt = f ( V ) und = f ( V ) berechnen. n, P el Bild 5 Pumpenprüfstand (schematisch); 1 Prüfpumpe, E Druckmessstelle am Saugstutzen, A Druckmessstelle am Druckstutzen, 2 Motor mit einstellbarer Drehzahl und elektrischem Leistungsmessgerät, 3 saugseitiges Drosselventil, 4 druckseitiges Drosselventil, 5 Volumenstrommesser, 6 Hilfspumpe, 7 offener Behälter 4. Aufgabenstellung Aufgaben zur Versuchsvorbereitung. Bitte arbeiten Sie vorab die Versuchsanleitung sorgfältig durch und klären Sie für das Prüfungsgespräch mit dem Versuchsbetreuer am Anfang des Laborversuchs folgende Fragen: a) Aus welchen Teilen besteht eine einfache Kreiselpumpe? b) Wie unterscheiden sich Kreisel- von Kolbenpumpen? c) Erklären Sie den Begriff der Stutzenarbeit. d) Was beurteilt der Pumpenwirkungsgrad? e) Erklären Sie anhand der Kennlinien die Begriffe Teil- und Überlast. f) Nennen Sie die Affinitätsgesetze. Was leisten sie? g) Wie groß ist die Dichte von Wasser und wo geht sie in die Kennlinienermittlung ein? Versuchsdurchführung. Die Pumpe wird im ersten Versuch bei konstanter Drehzahl n 1 = /min, im zweiten bei n 2 = /min betrieben. Öffnen Sie das saugseitige Drosselventil 3 ganz und lassen Sie es in dieser Position. Durch Öffnen des druckseitigen Drosselventils 4 wird nun der Volumenstrom von Nullförderung (bei geschlossenem Ventil) schrittweise hochgefahren (etwa 10 Messpunkte). Die Hilfspumpe 6 wird dann dazugeschaltet, wenn der Volumenstrom nicht mehr durch Öffnen des Drosselventils gesteigert werden kann. Sinnvoll ist ein maximaler Volumenstrom, der etwa einer Druckgleichheit zwischen den Pumpenstutzen A und E entspricht. Benutzen Sie beiliegendes Messprotokoll. 1 Im Verbund mit dem druckseitigen Drosselventil 4 kann mit dem saugseitigen Ventil 3 auch der Absolutwert des Drucks im Saugstutzen p E volumenstromunabhängig eingestellt werden; dies ist wichtig für weiterführende Kavitationsversuche.

6 - 6 - Auswertung. a) Berechnen sie die drei Kennlinien Y = ( t f V ), Pel = f ( V ) und = f ( V ) für beide Drehzahlen und plotten Sie sie in jeweils ein Diagramm. Benutzen Sie dazu ein Programm wie Excel oder Matlab. b) Rechnen Sie mittels der Affinitätsgesetze die gemessene Kennlinie Yt = f ( V, n2 ) auf die Drehzahl n 1 um und vergleichen sie sie mit der gemessenen (neues Diagramm!). c) Führen Sie für den Optimalpunkt (= Betriebspunkt mit maximalem Wirkungsgrad) bei der Drehzahl n 2 eine Fehlerbetrachtung durch. Ermitteln Sie für den Volumenstrom, die Stutzenarbeit, die elektrische Antriebsleistung und den Wirkungsgrad die maximale Unsicherheit. Erfragen Sie dazu beim Betreuer die spezifizierte Messungenauigkeit der verwendeten Messgeräte. Zeichnen Sie die maximalen Unsicherheiten in Form eines Fehlerbalkens in die Kennliniendiagramme ein. Hinweis: Ist ein Messergebnis eine Funktion von k Einflussgrößen, gilt also y f x1, x2,..., xj,... x die maximale Unsicherheit y des Ergebnisses gegeben durch das sog. Fehlerfortpflanzungsgesetz: Dabei sind y k j1 f x j y k x j x j die bekannten Ungenauigkeiten beim Messen jeder einzelnen Einflussgröße. Beispiel aus der Elektrizitätslehre: Aufgabe. Der ohmsche Widerstand eines elektrischen Widerstands wird mit dem Ohmschen Gesetz U R I, so ist aus einer Spannungs- und Strommessung bestimmt. Das verwendete Spannungsmessgerät habe laut Herstellerangabe - wie meist üblich bezogen auf den Messbereich (full scale) - eine garantierte maximale Messungenauigkeit von 0,5% vom Messbereich 10 V, das Strommessgerät 1,0% vom Messbereich 20 A. Im Versuch werden U = 6,23 V und I = 7,74 A gemessen. Wie hoch ist der Widerstand des Prüflings und wie groß ist die maximale Unsicherheit des Endergebnisses? Lösung. Nennwert: 6,23V R 0,805 7,74 A Aus dem Fehlerfortpflanzungsgesetz ergibt sich R R 1 U R U I U I 2. U I I I Die absolute maximale Messungenauigkeit von Spannung und Strom ergibt sich aus den Herstellerangaben der Messinstrumente zu U 0,5% 10 V = 0,05 V, I 1,0% 20 A = 0,2 A. Maximale Unsicherheit des Ergebnisses: 1 6,23V R 0,05V 0,2 A 2 0,0065 0,0208 0,0273 7,74 A (7,74 A) Endergebnis: R 0,805 0,0273 oder mit der relativen Unsicherheit vom Nennwert R 0,805 3,39%

7 Versuchsbericht Abgabefrist: Bis zwei Wochen nach dem Laborversuch 12 Uhr. Für Abgabetermine, die in die vorlesungsfreie Weihnachtszeit fallen, sind gesonderte Regelungen zu erfragen. Abgabeort: Hölzerner Kasten an der Wand vor dem Labor D-0102 (Gebäudeteil mit den Laboren). Anerkennung und Korrektur: Aushang mit Anerkennung/Rücksprache/Durchgefallen-Vermerk vor dem Raum A101 bis ca. zwei Wochen nach Abgabefrist des Berichts. Ist der gesamte Laborbericht anerkannt, ist für alle eingetragenen Teilnehmer der Versuch bestanden. Rücksprache erfolgt im Raum A101. Abholung anerkannter Berichte: Anerkannte Berichte können ab drei Wochen nach dem letzten ausgeschriebenen Laborversuch des Semesters abgeholt werden. Nicht abgeholte Berichte werden voraussichtlich vor dem darauf folgenden Semester vernichtet. Rückfragen: Laborbetreuer siehe Institutshomepage IFT. Blatt "Angabe der Autoren und Unterschriften" Jeder Teilnehmer muss für eine der vier Arbeitspakete des Laborberichts (Versuchsbeschreibung, Auswertung der Aufgaben a bis c) verantwortlich zeichnen. Maximal zwei Autoren pro Arbeitspaket sind zulässig. Gliederung 0.1. Deckblatt mit am Versuchstag eingetragenen Namen 0.2 Blatt "Angabe der Autoren und Unterschriften" (wird am Versuchstag ausgeteilt) 1. Versuchsbeschreibung 1.1 Beschreibung des Versuchsstands und der Messgeräte 1.2 Beantwortung der unter 4.1 gestellten Fragen 1.3 Versuchsdurchführung 2. Blatt "Mess- und Auswerteprotokoll Pumpenkennlinie" 3. Diagramme aus Matlab-Auswerteroutine zu Aufgabe a, b und c (Matlab-Auswerteroutine auf Institutshomepage) 4. Auswertung Aufgabe a 3.1 Zusammenstellung der entscheidenden Beziehungen 3.2 Exemplarische Berechnung eines Kennlinienpunktes 3.3 Diskussion der Kennlinien 5. Auswertung Aufgabe b 4.1 Zusammenstellung der entscheidenden Beziehungen 4.2 Exemplarische Berechnung eines Kennlinienpunktes 4.3 Diskussion der berechneten und gemessenen Kennlinie 6. Auswertung Aufgabe c 5.1 Erläuterung des Fehlerfortpflanzungsgesetzes 5.2 Beispielhafte Berechnung der Messungenauigkeiten am Optimalpunkt 5.3 Diskussion der Ergebnisse 6. Literatur 1 Pfleiderer, C.: Die Kreiselpumpen für Flüssigkeiten und Gase. Springer-Verlag, Carolus, Th.: Turbomaschinen und Turboantriebe. Skript zur gleichnamigen Vorlesung an der Universität Siegen, Gülich, J.: Kreiselpumpen. Springer-Verlag, 2004

8 - 8 - Mess- und Auswerteprotokoll Pumpenkennlinie Datum /Uhrzeit der Messung:... Name des Protokollführers:... Bezeichnung der verwendeten Messgeräte und spezifizierte Messungenauigkeit: Hersteller/Typ Volumenstrommesser Druckmesser Saugseite Druckmesser Druckseite Elektrischer Leistungsmesser Messungenauigkeit Besonderheiten während der Messung:... Drehzahl n 1 = 1/min Messgröße [Einheit] Messpunkt V p A p E P el Drehzahl n 2 = 1/min Messgröße [Einheit] Messpunkt V p A p E P el