Thema einer Diplomarbeit für Herrn Frank Ludzay Matr.-Nr.297403

FH D Fachhochschule Düsseldorf FH Düsseldorf, FB04, IFS, Josef-Gockeln-Str. 9, D-40474 Düsseldorf Prof. Dr.-Ing. Frank Kameier Institut für Strömungsmaschinen Fachbereich 4 Maschinenbau und Verfahrenstechnik Josef-Gockeln-Str. 9 40474 Düsseldorf Phone (0211) 4351-448 Fax (0211) 4351-509 E-Mail Frank.Kameier@fh-duesseldorf.de Düsseldorf, den 20.09.2000 Thema einer Diplomarbeit für Herrn Frank Ludzay Matr.-Nr.297403 Aufbau einer computerunterstützten Messdatenerfassung für die Leistungsvermessung einer Francis-Turbine Die im Labor für Strömungsmaschinen installierte Francis-Turbine wird im Rahmen des Maschinenlabors der Studienrichtungen Energie- und Konstruktionstechnik in Hinsicht ihrer hydrodynamischen Kenngrößen und ihres Regelverhaltens vermessen. Aufgenommen werden die hydrodynamischen Kennwerte wie Durchsatz, spezifische Turbinenarbeit, Drehzahl und die Leistung. Zur Untersuchung des Regelverhaltens der Francis Turbine wird der Staffelungswinkel des Leitgitters am Eintritt variiert. Aufgabe der Diplomarbeit ist es, den vorhandenen Versuchsaufbau so weit zu modifizieren, dass sämtliche Einstell- und Messgrößen mittels Computer erfasst werden. Hierzu sind digitale Manometer zur Messungen der Drücke zu installieren und die Volumenstrommessung, die bisher mittels Überfallwehr durchgeführt wird, ist zu verbessern. Der so genannte Pronyschem Zaum, der als Bremse verwendet wird, ist mittels einer elektronischen Wägezelle auszustatten. Außerdem soll der eingestellte Staffelungswinkel am Computer ablesbar sein. Die Messwerte sollen möglichst mittels vorhandener Digitalmultimeter und serieller Schnittstellen an den Rechner übertragen werden, so dass der modifizierte Versuch als Routineversuch im Praktikum zur Lehrveranstaltung Strömungsmaschinen Verwendung findet. Die Arbeit teilt sich in folgende Arbeitsschritte auf: Einarbeitung in die Literatur, Modifizierung des vorhandenen Versuchsstands, Konstruktion notwendiger Bauteile, Auswahl geeigneter Messaufnehmer, Auswahl und Aufbau der Messdatenerfassung, Vermessung der Kenngrößen, Berechnung des Kennfeldes der Francis-Turbine, Erstellung einer Bedienungsanleitung für den Versuchsaufbau, Anfertigung einer Kurzdokumentation der Diplomarbeit zur Veröffentlichung im Internet.

Inhaltverzeichnis Vorwort Seite 1 Einleitung 1 1.1 Umfang der Diplomarbeit/Zeitplanung 2 2 Einleitende Betrachtungen von Strömungsmaschinen 3 2.1 Wasserturbinen 4 2.1.1 Gleichdruckturbinen 4 2.1.2 Überdruckturbinen 6 3 Theorie 10 3.1 Versuchsanordnung 10 3.2 Berechnungen 14 3-3 Messdatentabelle 20 4 Versuchsaufbau 22 4.1 Mess- und Regeleinrichtungen 23 4.1.1 Wägezelle 23 4.1.2 Winkelgeber 27 4.1.3 Digital Manometer Type: MAN-SF 28 4.1.4 Messumformer LD 301 28 4.1.5 Digital Multimeter M-4660M 29 4.1.6 Visual-Basic-Programm 29 5 Versuchsdurchführung 35 5.1 Vorbereitungen 35 5.2 Versuchsablauf 36 6 Vorversuch 39 6.1 Versuchsdurchführung 39 6.2 Versuchsauswertung 40

Inhaltverzeichnis 7 Konstruktive Verbesserung des Prüfstandes 42 7.1 Vorgaben aus der Norm zur Berechnung der neuen Venturidüse 42 7.2 Berechnung der neuen Venturidüse 44 7.3 Konstruktionszeichnung der neuen Venturidüse 44 7.4 Fertigung und Einbau 46 8 Messdatenerfassung 47 8.1 Kalibrierung 47 8.1.1 Drehwinkelgeber 47 8.1.2 Drehzahl 49 8.1.3 Wägezelle 51 8.1.4 Differenzdruck am Venturirohr 51 8.1.5 Differenzdruck am Turbineneintritt 52 8.2 Messfehler 54 8.2.1 Messgeräte 54 8.2.2 Messgrößen 54 8.3 Kennlinien der Francis-Turbine 55 8.4 Auswertung der Kennlinien der Francis-Turbine 64 8.4.1 Kennlinien der Versuchsreihe I 64 8.4.2 Kennlinien der Versuchsreihe II 94 9 Zusammenfassung 100 10 Literaturverzeichnis 101 11 Anhang

1. Kapitel Einleitung 1 Einleitung Im Labor für Strömungsmaschinen stehen an der Fachhochschule Düsseldorf eine Reihe von Anlagen zur Verfügung, die sämtlich in den 60er und 70er Jahren aufgestellt wurden. Zur Demonstration der strömungstechnischen Prinzipien wie die Messung der Volumen- und Massenströme und des Kennlinienverhaltens sind diese Maschinen durchaus noch geeignet. Ungeeignet und für die Ausbildung wenig motivierend sind die Messgeräte und die bisher durchgeführte Art der Datenverarbeitung. Thema dieser Diplomarbeit ist daher, exemplarisch am Beispiel einer Turbine (Francis-Turbine) eine Modernisierung der Messtechnik vorzunehmen und die computerunterstützte Datenverarbeitung zu dokumentieren. Die im Labor für Strömungsmaschinen installierte Francis-Turbine wird im Rahmen des Maschinenlabors der Studienrichtungen Energie- und Konstruktionstechnik in Hinsicht ihrer hydrodynamischen Kenngrößen und ihres Regelverhaltens vermessen. Aufgenommen werden die hydrodynamischen Kennwerte wie Durchsatz, spezifische Turbinenarbeit, Drehzahl und die Leistung. Zur Untersuchung des Regelverhaltens der Francis Turbine wird der Staffelungswinkel des Leitgitters am Eintritt variiert. Aufgabe der Diplomarbeit ist es, den vorhandenen Versuchsaufbau so weit zu modifizieren, dass sämtliche Einstell- und Messgrößen mittels Computer erfasst werden. Hierzu sind digitale Manometer zur Messungen der Drücke zu installieren und die Volumenstrommessung, die bisher mittels Überfallwehr durchgeführt wird, ist zu verbessern. Der so genannte Pronyschem Zaum, der als Bremse verwendet wird, ist mittels einer elektronischen Wägezelle auszustatten. Außerdem soll der eingestellte Staffelungswinkel am Computer ablesbar sein. Die Messwerte sollen möglichst mittels vorhandener Digitalmultimeter und serieller Schnittstellen an den Rechner übertragen werden, so dass der modifizierte Versuch als Routineversuch im Praktikum zur Lehrveranstaltung Strömungsmaschinen Verwendung findet. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich zunächst einmal mit der Modifizierung des vorhandenen Versuchsstands und der Konstruktion notwendiger Bauteile, sowie der Auswahl geeigneter Messaufnehmer. Nach der durchgeführten Modernisierung der Datenerfassung des Turbinenprüfstandes erfolgt die Vermessung der Kenngrößen. Ziel ist es, die Erstellung eines Kennfeldes der Francis- Turbine sowie die Erstellung einer Bedienungsanleitung für den Versuchsaufbau. Es wird außerdem eine Kurzdokumentation der Diplomarbeit erstellt, um diese im Internet zu veröffentlichen. 1

Nr. Vorgangsname Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Verlaufsplan Seite 2 Frank Ludzay Projekt: Aufbau einer computerunterstützten Messdatenerfassung für die Leistungsvermessung einer Francisturbine Bearbeiter: Frank Ludzay, Fachhochschule Düsseldorf Jahr: 2000 1 Literaturrecherche und Aufarbeitung bisher durchgeführter Untersuchungen 2 Planung und Aufbau eines Prüfstandes 3 Konstruktion von Einzelteilen 4 Zusammenbau des Prüfstandes 5 Vorversuche 6 Auswertung der Vorversuche 7 Konstruktive Verbesserungen des Prüfstandes 7 Messdatenerfassung 8 Auswertung der Messdatenerfassung 9 Erstellung eines Kennfeldes 10 Ausarbeitung der Diplomarbeit 11 Anfertigung einer Kurzdokumentation der Diplomarbeit fürs Internet 12 Kolloquium

2.Kapitel Einleitende Betrachtungen zu Strömungsmaschinen 2 Einleitende Betrachtungen zu Strömungsmaschinen In einer Strömungsmaschine erfolgt die Energieumsetzung zwischen einem mehr oder minder kontinuierlichen strömenden Fluid (Flüssigkeit, Gas, Dampf) und einem mit Schaufeln besetzten, gleichförmig umlaufenden Rotor. Im Vergleich zwischen Strömungsmaschine und Kolbenmaschine hat die Strömungsmaschine überwiegend Vorteile bei großen Volumenströmen, während bei einem kleineren durch die Maschine strömenden Volumenstrom die Kolbenmaschine der Strömungsmaschine oft überlegen ist. Dadurch ist das Arbeitsgebiet der Strömungsmaschine nach unten also durch das Arbeitsgebiet der Kolbenmaschine begrenzt. Nach oben gibt es für Strömungsmaschinen von Seiten der Konstruktion keine Begrenzung des Arbeitsgebietes. Je größer der gewünschte Volumenstrom, d.h. die gewünschte Leistung der Maschine ist, desto günstiger wird in der Regel der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine und desto geringer werden die Herstellungskosten, wenn man diese auf eine Leistungseinheit bezieht. In der Praxis erfolgt die Begrenzung des Arbeitsgebietes der Strömungsmaschine durch die Wünsche des Benutzers. Es ist der Strömungsmaschine vorbehalten, große Leistungen umzusetzen, wobei das Maschinengewicht und der Raumbedarf im Vergleich zur Kolbenmaschine sehr gering sind. Die Technik entwickelt sich nach immer größeren Leistungseinheiten hin, so dass die Bedeutung der Strömungsmaschinen laufend im Steigen ist(pleiderer(1991) 1 ). Das Kennzeichen der Strömungsmaschine ist das umlaufende, mit einem Kranz von Schaufeln besetzte Rad und das stetige Umströmen dieser Schaufeln durch das Fluid als Energieträger. Der hierbei entstehende Strömungsdruck auf die Schaufeln bewirkt die Arbeitsleistung. Er beruht in der Hauptsache auf der Umlenkung des Fluids durch die Schaufeln und hat also praktisch die gleiche Ursache wie der Auftrieb beim Tragflügel eines Flugzeuges. Beschrieben wird diese Arbeitsleistung durch die aus der Drehimpulserhaltung resultierenden Eulerschen Strömungsmaschinen-Hauptgleichung Y = u 1 c 1n u 2 c 2n mit der Umfangsgeschwindigkeit u und der in Umfangsrichtung orientierten Strömungskomponente c 1 am Eintritt (Index 1) und am Austritt (Index 2) des durchströmten Gitters. Die Strömungsmaschine hat die Aufgabe, dies entweder als Kraftmaschine eine von der Natur uns dargebotene Energie in mechanische Arbeit umzuwandeln oder als Arbeitsmaschine einem Fluid Energie zuzuführen. Bei den Strömungs- Arbeitsmaschinen(Pumpen, Ventilatoren, Gebläse und Verdichter)wird durch das an der Welle, beispielsweise durch einen Elektromotor, aufgebrachte 3

2.Kapitel Einleitende Betrachtungen zu Strömungsmaschinen Drehmoment dem Fluid über die Laufschaufeln Druck-und Geschwindigkeits- Energie zugeführt. Bei Strömungskraftmaschinen(Turbinen) entsteht durch die Wirkung von Druck und Geschwindigkeit des Arbeitsmittels auf die Schaufelndes Rotors ein Drehmoment an der Welle, das beispielsweise zum Antrieb eines elektrischen Generators genutzt werden kann. Arbeitet eine Strömungsmaschine als Kraftmaschine, so nennt man sie Turbine. Die Energiequellen, die uns von der Natur dargeboten werden, sind sehr verschiedenartig. Deshalb gibt es verschiedene Turbinenenarten. Die Wasserkräfte, d.h., die Lageenergie des Wassers, wird in Wasserturbinen in mechanische Arbeit umgewandelt. Die kinetische Energie des Windes kann in der Windturbine, die auch Windrad genannt wird, ausgenutzt werden. Die Wärmeenergie, d.h. die Energie der Brennstoffe oder die Kernenergie, wird in Wärmekraftmaschinen ausgenutzt, zu denen die Dampfturbine und die Gasturbine gehören(bohl(1998) 2 ). 2.1 Wasserturbinen In Wasserkraftwerken wird die potentielle Energie von in Stauseen oder Flussläufen gestautem Wasser in Wasserturbinen in Strömungsenergie umgesetzt und in mechanische Antriebsenergie, meist zum Antrieb elektrischer Generatoren, umgewandelt. Je nach dem zur Verfügung stehenden Gefälle werden Hochdruckkraftwerke (H>300 m) und Mitteldruckkraftwerke(400m>H<20 m) am Fuße von Gebirgsseen und Niederduckkraftwerke(H<50 m) in Flüssen und Kanälen unterschieden(bohl(1998) 2 ). Man unterteilt die Wasserturbinen nach der Wirkungsweise in Gleichdruck- Turbinen und Überdruckturbinen. 2.1.1 Gleichdruckturbinen Gleichdruckturbinen haben die Eigenschaft, dass ihr Laufrad druckfrei durchströmt und teilbeaufschlagt wird. Man unterscheidet zwischen den Windrädern und den Wasserturbinen. Bei den Windrädern wird der Wind bzw. die strömende Luft durch die Schaufeln(Flügel) abgelenkt und übt dadurch eine Kraft aus, die das Rad in Bewegung setzt. Der umgekehrte und ebenfalls sichtbare Vorgang spielt sich beim Propeller eines Flugzeuges oder Schiffes, der angetrieben wird, und wobei der entstehende Schaufeldruck die Vortriebskraft zur Fortbewegung liefert. 4

2.Kapitel Einleitende Betrachtungen zu Strömungsmaschinen Bei diesen im freien Raum umlaufenden Schaufelrädern hat die austretende Strömung eine kreisende Bewegung, die nach dem Impulssatz den Gegenwert des übertragenden Drehmomentes darstellt (Pleiderer(1991) 1 ). Bei den Gleichdruck-Wasserturbinen herrscht gleicher Druck am Ein- und Austritt des Laufrades und demnach wird die ganze verfügbare spezifische Arbeit Y im Leitrad in die Geschwindigkeit c umgesetzt. Gleichdruck-Wasserturbinen können teilweise (partiell) beaufschlagt werden, d.h. nur ein Teil des Laufradumfangs braucht vom Treibstrahl beschickt und dementsprechend mit Leitkanälen besetzt zu sein. Diese Maßnahme ist bei kleinem Volumenstrom oder großer spezifischer Stutzenarbeit Y notwendig, weil dann kleine Strömungsquerschnitte verwirklicht werden müssen, die nicht zur Besetzung des ganzen Radumfanges ausreichen. Sinngemäß ermöglicht die partielle Beaufschlagung eine Vergrößerung des Raddurchmessers. Diese führt bei Wasserturbinen dazu, dass sie auch bei großen Fallhöhen stets einstufig ausgeführt werden können, während Wasserpumpen normalerweise in der Gleichdruckbauart nicht hergestellt werden und somit bei großen Förderhöhen meist mehrstufig sind (Pleiderer(1991) 1 ). Gleichdruck-Wasserturbinen sind also Langsamläufer, d.h. sie verarbeiten bei gegebener Umfangsgeschwindigkeit u ein Maximum an spezifischer Arbeit Y oder bei gegebener spezifischer Arbeit Y haben sie kleinstmögliche Umfangsgeschwindigkeit und laufen mit kleinster Drehzahl Pleiderer(1991) 1 ). Die Freistrahlturbine ist eine Gleichdruckturbine. Sie wurde um 1880 von dem Amerikaner Pelton erfunden, weshalb sie auch als Peltonturbine bezeichnet wird. Die heutige Freistrahlturbine wird bis zu Fallhöhen von 2000 m eingesetzt, unterhalb 550m wurde sie in vielen Fällen von der Francisturbine verdrängt. Die maximalen Leistungen liegen heute bei etwa 200MW(Bohl(1998) 2 ). Bild 2-1:Peltonturbine(Dixon(1998) 22 ) 5

2.Kapitel Einleitende Betrachtungen zu Strömungsmaschinen Je nach Größe des Wasserstroms, des Gefälles und der Wasserqualität werden Freistrahlturbinen mit horizontaler Welle mit 1 bis 2 Düsen je Rad als Einfachoder Zwillingsturbine ausgeführt. Die Welle ist normalerweise direkt mit dem elektrischen Generator gekoppelt. Die Freistrahlturbine ist eine teilbeaufschlagte Gleichdruckturbine, bei der das Drehmoment durch Umlenkung des aus der Düse kommenden Freistrahls in den Doppelbechern des Laufrades entsteht. Das gesamte Nutzgefälle wird in der Düse in Geschwindigkeit umgesetzt(bohl(1998) 2 ). 2.1.2 Überdruckturbinen Überdruckturbinen haben die Eigenschaft, dass der Druck am Laufradeintritt größer als am Austritt ist und das ihr Laufrad vollbeaufschlagt wird. Die beiden wichtigsten Überdruckturbinen sind die Kaplanturbine und die Francisturbine. Kaplanturbine Die Kaplanturbine ist eine am Laufrad axial durchströmte Überdruckturbine, deren Entwicklung auf Patente von Professor Kaplan aus dem Jahr 1913 zurückgeht. Sie hat eine hohe spezifische Drehzahl und eignet sich demnach für große Wasserströme und kleinere bis mittlere Fallhöhen unter 80 m. Bild 2-2:Kaplanturbine(Dixon(1998) 22 ) Die größten gebauten Maschinen haben Leistungen über 100MW und Laufraddurchmesser über 10m. Die Kaplanturbine ist die klassische Wasserturbine zur Bestückung von Flusskraftwerken. Das Laufrad ist mit 3 bis 8 im Betrieb 6

2.Kapitel Einleitende Betrachtungen zu Strömungsmaschinen verstellbaren Schaufeln versehen. Die Verstellung erfolgt über einen ölhydraulischen Servomotor, der in der Nabe selbst oder am oberen Wellenende untergebracht ist(bohl(1998) 2 ). Francisturbine Die Francisturbine ist eine radial von außen nach innen durchströmte, axial ausströmende Überdruckturbine. Sie wurde Mitte des 19. Jahrhunderts in ihrer Grundform von den Amerikanern Howd und Francis entwickelt. Die Francisturbine wird bis zu Gefällen von 600 m und maximalen Leistungen über 500 MW gebaut. Ihr Einsatzgebiet überdeckt sich bei großen Fallhöhen mit dem der Freistrahlturbine, bei kleineren Gefällen mit dem der Kaplanturbine. 1000 [ m ] 500 6 Düsen 200 Fallhöhe H 100 50 20 10 1 2 4 Düsen Peltonturbinen Francisturbinen 5 2 0 0 Kaplanturbinen Rohrturbinen 0,045 0,09 0,18 0,27 0,36 0,45 0,54 0,63 0,72 0,81 0,90 spezifische Drehzahl n y Bild 2-3: Anwendungsbereiche der verschiedenen Bautypen von Wasserturbinen, abhängig von der spezifischen Drehzahl n y 7

2.Kapitel Einleitende Betrachtungen zu Strömungsmaschinen Als Vorteile gegenüber der Freistrahlturbine sind vor allem die höheren Drehzahlen und damit kleineren Abmessungen, kleineres Gewicht und niedriger Preis sowie bessere Energieausnutzung durch Wegfall des Freihangs zunennen. Bedingt durch Wasserangebot und zur Verfügung stehenden Gefällen sind die meisten Wasserturbinen Francisturbinen. Bei kleineren Leistungen unter 200 KW und kleineren Fallhöhen unter 5 m werden Schachtturbinen (Kammer- Turbinen) mit vertikaler Welle oder seltener mit horizontaler Welle eingebaut. Diese einfachen Turbinen bestehen aus dem radial von außen nach innen durchströmten Leitrad mit drehbaren Leitschaufeln, dem Laufrad und dem Saugrohr. Das Leitrad-Reguliergestänge liegt offen im Betriebswasser(Innenregulierung). Schachtturbinen werden wegen der relativ hohen spezifischen Investitionskosten kaum noch gebaut. Große, leistungsstarke Francisturbinen werden als Spiralturbinen mit liegender Welle oder stehender Welle ausgeführt. Das Laufrad wird entweder aus einem Stück gegossen oder aus Ringen und Schaufeln zusammengeschweißt. Da es sich um eine Überdruckturbine handelt, muss sowohl das Laufrad mittels Labyrinthdichtungen gegen das Gehäuse als auch die Wellendurchführung am Gehäuse, meist durch eine Kohleringstopfbuchse abgedichtet werden. Die von Fink eingeführten drehbaren Leitschaufeln dienen zur Regulierung der Leistung durch Verändern sowohl des Volumenstroms als auch des Laufradeintrittdralles. Üblich ist die zentrale Verstellung aller Leitschaufeln über Hebel, Regulierring und einem oder zwei ölhydraulische Servomotoren. In den letzten fünf Jahren wurden einige sehr große Maschinen mit Einzelservomotoren für jede Leitschaufel ausgestattet. Bild 2-4: Schnittbild einer Francis-Turbine(Dixon(1998) 22 ) 8

2.Kapitel Einleitende Betrachtungen zu Strömungsmaschinen Das Spiralgehäuse wird nur noch bei kleinen Maschinen gegossen, meistens wird es als Schweißkonstruktion ausgeführt. Das hinter dem Laufrad angeordnete Saugrohr dient zur Rückgewinnung eines Teiles der kinetischen Energie der Laufradabströmung. Bei kleinen Turbinen wird es als einfacher gerader Diffusor ausgeführt, bei großen Maschinen als ellenbogenförmiger Saugkrümmer(Bohl(1998) 2 ). Versuchs-Francisturbine Das Laufrad der Versuchsturbine ist aus Spezial-Bronze-Vollguss hergestellt. Es hat eine ungleichförmige Schaufelteilung, jede zweite Schaufel hat einen um etwa 6 geringeren Schaufeleintrittswinkel und um etwa 2 größeren Schaufelaustrittswinkel. Bei der Berechnung und Betrachtung im Rahmen dieses Versuchs soll die Abweichung allerdings nicht berücksichtigt werden. Der Leitring besteht aus den sogenannten Finkschen Schaufeln mit Außen- oder Innenregelung, die den Eintrittsdrall für das Laufrad erzeugen. Das Spiralgehäuse ist durch den sogenannten Eintrittsstutzen mit dem Endstück der Rohrleitung verbunden und besteht aus Stahlguss wie bei Kleinturbinen üblich(kameier/neumann(1999) 16 ). Bild 2-5:Versuchs Francis-Turbine mit Stellrad der Leitschaufel 9

3. Kapitel Theorie 3 Theorie 3.1 Versuchsanordnung Der schematische Versuchsaufbau wird in Bild 3-1 gezeigt. Ein Schnitt durch Leitgitter und Laufrad der radialen Francis-Turbine ist mit Geschwindigkeitsdreiecken unter optimalen Betriebsbedingungen in Bild 3-3 dargestellt. Die Winkel der Leitgitterschaufeln sind verstellbar, so dass die Turbine in einem gewissen Betriebsbereich geregelt werden kann, vgl. Bild 3-4. Die Geschwindigkeitsdreiecke an Laufradeintritt und - austritt sind für den Fall des maximalen Wirkungsgrads (günstigste Schaufelanströmung) in Bild 3-3 skizziert. Zuströmung der Francis-Turbine mit Volumenstrommessung I am Venturirohr Druckmessung am Eintritt Drehmomentmessung mit Pronyschem Zaum Strömungswehr zur Volumenstrommessung II Temperaturmessung zur Berechnung der Dicht und Viskosität Drehzahlmesser Bild 3-1: Schematischer Versuchsaufbau der Francis-Turbine am Strömungswehr. (Kameier/Neumann(1999/2000) 16 ) 10

3. Kapitel Theorie Bild3-2: Francis-Turbine α 1 u1 c1 β1 w1 w2 c2 β2 u2 Bild 3-3: Schnitt durch Leit- und Laufgitter der Francis-Turbine mit Geschwindigkeitsdreiecken unter optimalen Betriebsbedingungen(Kameier/Neumann(1999/2000) 16 ). 11

3. Kapitel Theorie α L = 15 ( auf ) α L = 0 ( zu ) a Bild 3-4: Schematische Darstellung des variablen Eintrittleitgitters der Francis-Turbine (Kameier/Neumann(1999/2000) 16 ). Folgende Abmessungen werden für Strömungsberechnungen benötigt: D 1 = 190 mm Laufradeintrittsdurchmesser D 2 = 86 mm Laufradaustrittsdurchmesser b 1 = 16 mm Laufradbreite b 2 = 26 mm Laufradbreite s = 2 mm Dicke der Laufradschaufeln Z = 8 Anzahl der Laufradschaufeln A e = 0,00799m 2 Eintrittsfläche am Turbineneintritt e 0 = 1,54 m Höhenunterschied Wehrspitze /Turbineneintritt l = 0,7162 Hebelarmlänge D v = 100 mm Venturirohrdurchmesser D R = 200 mm Rohrdurchmesser Die Abmessungen der Versuchsanlage sind Bild 3-6 zu entnehmen. Das verwendete Laufrad hat eine ungleichförmige Schaufelteilung, jede zweite Schaufel hat einen um etwa 6 geringeren Schaufeleintrittswinkel und einen um etwa 2 größeren Schaufelaustrittswinkel, vgl. Bild 3-5. Bei den Berechnungen und Betrachtungen im Rahmen dieses Versuchs soll diese Abweichung von den oben angegebenen Werten allerdings nicht berücksichtigt werden. 12

3. Kapitel Theorie t t Bild 3-5: Laufrad der Francis-Turbine mit ungleichförmiger Teilung. Oberwasser ( Pumpe ) Kreiselpumpe 1 Venturidüse H geo p Venturi p E E =100,8 mm E F l = 0,7162 m H M = z - z E A = 1,54 m - H A, 2 Pronyscher Zaum Unterwasser H Strömungskanal Wehr Bild 3-6: Abmessung der Versuchsanlage 13

3. Kapitel Theorie 3.2 Berechnungen Dichteänderung infolge Temperaturunterschiede Die Dichteänderung bezogen auf t 0 =10 C berechnet sich nach Sigloch gemäß ρ ( t) = ρ [ β ( t )] [kg/m 3 ] mit t[ C] 0 1 t 0 3 und t 0 =10 C, ρ0 = ρ( t 0 ) = ρ( 10 C) = 999,6kg / m 0,06 und β( t) = 0,00031 0,23 + 0,83 ( t / t ) ( 0 ) Viskositätsänderung infolge Temperaturunterschiede Die Viskositätsänderung bezogen auf t berechnet sich nach Sigloch gemäß η ρ t 6 2 ν = [ 1 10 m / s] ( ) a=0,0318mps*s b=484,3726 C c=120,2202 C b/ ( t+ c) mit η ( t) = a e mit t[ C] und Tabelle: Dichte ρ[kg/m 3 ] und kinematische Viskosität ν[m 2 /s] von Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur t[ C], bis 100 C bei 1 bar(sigloch(1996) 6 ). t ρ 10-6 ν t ρ 10-6 ν t ρ 10-6 ν C kg/m 3 m 2 /s C kg/m 3 m 2 /s C kg/m 3 m 2 /s 5 1000,0 1,512 15 999,0 1,134 25 997,0 0,894 6 999,9 1,464 16 998,8 1,106 26 996,8 0,875 7 999,9 1,418 17 998,7 1,079 27 996,5 0,856 8 999,8 1,375 18 998,5 1,053 28 996,2 0,837 9 999,7 1,335 19 998,4 1,028 29 995,9 0,819 10 999,6 1,297 20 998,2 1,004 30 995,6 0,801 11 999,5 1,261 21 998,0 0,980 32 994,9 0,768 12 999,4 1,227 22 997,8 0,957 35 994,0 0,723 13 999,3 1,194 23 997,5 0,935 40 992,2 0,658 14 999,2 1,163 24 997,3 0,914 45 990,2 0,601 14

3. Kapitel Theorie Dichteänderung Dichte r [kg/m 3 ] 1002 1000 998 996 994 992 990 988 0 10 20 30 40 50 Temperatur t [ C] Viskositätsänderung Viskosität n [10-6 m 2 /s] 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 10 20 30 40 50 Temperatur t [ C] Bild 3-7: Dichte ρ[kg/m 3 ] und kinematische Viskosität ν[m 2 /s] von Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur t[ C], bis 100 C bei 1 bar(sigloch(1996) 6 ). 15

3. Kapitel Theorie Mit dem Aufbau der computerunterstützten Messdatenerfassung soll der Volumenstrom mittels Venturirohr bestimmt werden. Für Vergleichszwecke wird weiterhin der Volumenstrom mittels Wehr bestimmt. Somit ergeben sich zwei verschiedene Methoden zur Volumenstrombestimmung. VolumenstromV & Wehr für Vergleichszwecke Die Bestimmung des Volumenstroms erfolgt mit Hilfe eines Thomsen-Wehrs.. Der Volumenstrom berechnet sich demnach gemäß V Wehr = 8 δ αw tan H 2 2 g H 15 2 & mit α w = 0,5926 und δ = 90. Als Zahlenwertgleichung ergibt sich somit 2 2,5 V & = 1,4 H H = 1,4 H [ m 3 /s ] ( H ist in Metern einzusetzen!) VolumenstromV & Venturidüse Die Bestimmung des Volumenstroms erfolgt mit Hilfe einer Venturidüse. Der Volumenstrom berechnet sich demnach gemäß C 2 p & 2 Venturi Venturi = ε dventuri [ m 3 /s ] 4 4 ρwasser V 1 β π Reynoldszahl Die Reynoldszahl ist der Quotient aus dem vierfachen Volumenstrom und dem Produkt aus Rohrdurchmesser, Pi und der kinematischen Viskosität. 4 V = π D ν Re [1] Geschwindigkeit c e Die Absolutgeschwindigkeit c e am Eintritt der Turbine ist das Verhältnis des Volumenstroms zur Querschnittsfläche. 16

3. Kapitel Theorie c V Venturi e = [ m/s ] Ae Spezifische Förderarbeitarbeit Y T Für die Bernoulliegleichung vom Eintritt zum Austritt der Turbine gilt c 2 2 E 2 pe c A p A pturbine + + g ze = + + g z A + ρ 2 ρ ρ Y T. Mit folgenden Vereinfachungen und Berechnungen ergibt sich p A = p b, p E = p b + p E, c A << c E oder c A =0, H M = ( z E z A ) = ( 1,54 H ). Y T p ρ c 2 2 = E E + + g HM [m 2 /s 2 Nm/Kg] Mechanische Leistung P m Die effektive Leistung wird mit Hilfe des Prony schen Zaum (Kraft Hebelarm) und der digital gemessenen Drehzahl ermittelt. Die Kraftmessung erfolgt mittels eines Kraftaufnehmers(Wägezelle), der auf Zug beansprucht wird. P M n M ω = F l 2 π n = F l π 30 = [ Nm/s W ] ( l = Hebelarm = 0,7162 m ) Nutzleistung P n Die Nutzleistung wird mit Hilfe des Volumenstroms(Messgröße p V ) und der Förderarbeit(Messgröße p E ) ermittelt. P n = V Venturi ρ Wasser YT [ Nm/s W ] 17

3. Kapitel Theorie Mechanischer Wirkungsgrad η m Der mechanische Wirkungsgrad ist der Quotient aus der mechanischen Leistung und der Nutzleistung. Fallhöhe: P m η m = [1] Pn Die Fallhöhe ist der Quotient aus der Förderarbeit und der Erdbeschleunigung. H YT g F = [m] Umfangsgeschwindigkeit u 1 Die Umfangsgeschwindigkeit am Laufradeintritt wird für die Ermittlung der Kennzahlen benötigt. Sie ist das Produkt aus Eintrittdurchmesser, Pi und der Drehzahl. u 1 = D1 π n 60 [m/s 2 ] Umfangsgeschwindigkeit u 2 Die Umfangsgeschwindigkeit am Laufradeintritt wird für die Ermittlung der Kennzahlen benötigt. Sie ist das Produkt aus Austrittdurchmesser, Pi und der Drehzahl. u 2 = D2 π n 60 [m/s 2 ] Kennzahlen: Im Strömungsmaschinenbau werden bei der Darstellung von Versuchswerten und Auslegungsberechnungen bzw. beim Vergleich von Maschinen dimensionslose Kennzahlen verwendet. 18

3. Kapitel Theorie Druckzahl Die bei Strömungsmaschinen benutzte Druckzahl bezieht sich auf die Förderarbeit und auf das Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit am Austritt. 2 Y = T u ψ [1] 2 2 Spez. Drehzahl Die spezifische Drehzahl ist die Drehzahl einer geometrisch ähnlichen Strömungsmaschine mit dem Volumenstrom V =1m 3 /s und der Fall- bzw. Förderhöhe H=1m: n y V n Y 0,5 = [1] 0,75 T Durchflusszahl Die Durchflusszahl, auch manchmal Lieferzahl oder Volumenzahl genannt, ist bei axialen Maschinen das Verhältnis von Meridiangeschwindigkeit c m zur Umfangsgeschwindigkeit u,definiert: ϕ = Da die Meridiangeschwindigkeit c m proportional zum Volumenstrom V und dem Strömungsquerschnitt ist, erwies es sich als sinnvoll, anstelle von c m den Quotienten V 2 D π 4 c m u, mit D als charakteristischer Durchmesser einzuführen. ϕ = V 2 D π u 4 = D 2 V π D π n 4 19

3. Kapitel Theorie 4 Venturi 60 = 3 2 DV π n ϕ [1] 2 Leistungszahl Die Leistung einer Strömungsmaschine ist proportional zum Massenstrom bzw. Volumenstrom, zur spezifischen Turbinenarbeit und zum Gesamtwirkungsgrad. Da der Volumenstrom proportional zur Durchflusszahl ϕ und die spezifische Turbinenarbeit proportional zur Druckzahl ψ sind, kann auch die Leistung P durch eine Leistungszahl λ dimensionslos ausgedrückt werden. λ = ϕ ψ η [1] 3.3 Messdatentabelle Um eine sofortige Auswertung der Messdaten zu bekommen wurde eine Messdatentabelle(siehe Bild 3-8) in Excel erstellt Die Darstellung der fortlaufenden Messtabelle erfolgt zwecks besserer Übersicht in der Diplomarbeit in zwei Teilen. Es wurden die Berechnungsformel eingegeben. Nach Eingabe der 5 gemittelten Messdaten erfolgt die automatische Berechnung der Gleichungen. Mit den Ergebnissen ist es möglich eine Diagramm bzw. eine Kennlinie zu erstellen. 20

A_e 0,00799 [m 2 ] e_0 1,54 [m] l 0,7162 [m] D_1 0,19 [m] D_2 0,086 [m] b_1 0,016 [m] b_2 0,026 [m] D_Rohr 0,2 [m] d_venturi 0,1 [m] C 0,9771 beta 0,5 epsilon 1 g 9,81 [m/s 2 ] ρw(t) für t = 5-45 ν (t)für t =5-45 [ma] [ma] [V] [V(AC)] [KOhm] [ C] [m] [bar] [mbar] [N] [1/min] [ ] [kg/m^3] [m^3/s] Meßpunkte delta_p_e delta_p_v F n alpha_l t H dp_e dp_v d_f d_n d_alpha_l rho_t Ny_t 1-0,63-125,00 0,0-24 -49,72 999,9 1,751E-06 2-0,63-125,00 0,0-24 -49,72 999,9 1,751E-06 3-0,63-125,00 0,0-24 -49,72 999,9 1,751E-06 4-0,63-125,00 0,0-24 -49,72 999,9 1,751E-06 5-0,63-125,00 0,0-24 -49,72 999,9 1,751E-06 6-0,63-125,00 0,0-24 -49,72 999,9 1,751E-06 7-0,63-125,00 0,0-24 -49,72 999,9 1,751E-06 8-0,63-125,00 0,0-24 -49,72 999,9 1,751E-06 9-0,63-125,00 0,0-24 -49,72 999,9 1,751E-06 10-0,63-125,00 0,0-24 -49,72 999,9 1,751E-06 dp_e= 0,1563*delta_p_E-0,625 dp_v = 31,25*delta_p_V-125 d_f=5*f d_n=(1276,6*(n-0,0075)^2)+3233,3*(n-0,0075) d_alpha_l =(alpha_l-2,143)/0,0431 rho_t=2*10^-5*t^3-0,0066*t^2+0,033*t+999,94 Ny_t =(-8*10^-6*t^3+0,001*t^2-0,054*t+1,751)*10^-6 [m^3/s] [1] [m/s] [Nm/kg] [W] [W] [1] [m] [m/s] [m/s] [1] [1] [1] [1] V_pkt_VenturiRe c_e Y_T P_n P_m Eta_m H_F u_1 u_2 Psi_T n_y Phi Lambda_i #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! #WERT! V_pkt_Venturi=(C/(1-(beta)^4)^0,5)*epsilon*PI()/4*d_venturi^2*((2*dp_V*100/rho_t)^0,5) Re=((4*V_pkt_Venturi)/(PI()*D_Rohr*Ny_t)) c_e=v_pkt_venturi/a_e Y_T=(dp_E*10^5/rho_t)+(c_e^2/2)+g*(e_0-H) P_n=V_pkt_Venturi*rho_t*Y_T P_m=d_F*l*PI()*d_n/30 Eta_m =P_m/P_n H_F =Y_T/g u_1 =D_1*PI()*d_n/60 u_2 =D_2*PI()*d_n/60 Bild 3-8 Psi_T =2*Y_T/(u_2^2) Messtabelle Seite 21 n_y =d_n*(v_pkt_venturi^0,5)/(y_t^0,75) Phi =4*V_pkt_Venturi*60/(D_2^3*PI()^2*d_n)

4.Kapitel Versuchsaufbau 4 Versuchsaufbau Zur Messung der hydrodynamischen Kenngrößen ist der vorhandene Versuchsaufbau so weit modifiziert worden, dass die Einstell- und Messgrößen mittels Computer erfasst werden. Hierzu sind digitale Manometer zur Messung der Drücke installiert worden. Die Volumenstrommessung, die bisher mittels Überfallwehr durchgeführt wurde, erflogt nun mittels einer Venturidüse. Der so genannte Pronyschem Zaum, der als Bremse verwendet wird, ist zur Messung der Kraft mit einer elektronischen Wägezelle ausgestattet worden. Außerdem erflogt die Drehzahlabnahme an der Welle der Turbine über einen Impulsgeber auf den Rechner. Zusätzlich ist der eingestellte Staffelungswinkel am Leitgitter mittels eines Drehwinkelgebers am Computer ablesbar. Die Messwerte werden mittels der vorhandenen Digitalmanometer und serieller Schnittstellen an den Rechner übertragen. Die Messdatenverarbeitung erflogt in Excel mittels einer Makroprogrammierung. Um jedoch eine direkte Hardwareansteuerung vornehmen zu können, ist eine Funktions-Bibliothek RSAPI:DLL nötig, mit der sich all jene Geräte direkt ansteuern lassen, die über eine serielle Schnittstelle mit dem Rechner verbunden sind. Als Beschreibungssprache dient Visual Basic. Bild 4-1: Versuchsaufbau Francis-Turbine Vorderseite 22

4.Kapitel Versuchsaufbau Billd 4-2: Versuchsaufbau Francis-Turbine Rückseite 4.1 Mess- und Regeleinrichtungen 4.1.1 Wägezelle Bei der Wägezelle handelt es sich um einen Kraftaufnehmer S2 der Firma HBM Mess- und Systemtechnik GmbH. Der Aufnehmer ist mittels eines Messverstärkers, der ebenfalls von der Firma HBM Mess- und Systemtechnik GmbH. ist, mit einem Digitalmultimeter verbunden. Anwendungshinweise: Der Kraftaufnehmer der Typenreihe S2 ist für Messungen von Zug- und Druckkräften geeignet. Er misst statische und dynamische Kräfte mit hoher Genauigkeit. Besondere Aufmerksamkeit erfordert hierbei Transport und Einbau des Gerätes. Stöße oder Stürze können zu permanenten Schäden am Aufnehmer 23

4.Kapitel Versuchsaufbau führen. Die Grenzen für die zulässigen mechanischen, thermischen und elektrischen Beanspruchungen sind den Technischen Daten zu entnehmen. Aufbau und Wirkungsweise: Das Messelement ist ein Biegebalken aus Aluminium/Stahl, auf dem Dehnungsmessstreifen (DMS) appliziert sind. Die DMS sind so angeordnet, dass vier von ihnen gedehnt und die vier anderen gestaucht werden,wenn auf den Kraftaufnehmer eine Kraft einwirkt. Zum Schutz der DMS ist der Kraftaufnehmer S2 an entsprechender Stelle mit einer Kunststoffmasse vergossen. Diese ist vor mechanischer Beschädigung zu schützen. Bild 4-3: Kraftaufnehmer mit Messverstärker 24

4.Kapitel Versuchsaufbau 25

4.Kapitel Versuchsaufbau Bedingungen am Einsatzort: Die Temperatureinflüsse auf das Nullsignal sowie auf den Kennwert sind kompensiert. Um optimale Messergebnisse zu erzielen, ist der Nenntemperaturbereich einzuhalten. Temperaturbedingte Messfehler können durch einseitige Erwärmung (z.b. Strahlungswärme) oder Abkühlung entstehen. Staub, Schmutz und andere Fremdkörper dürfen sich nicht so ansammeln, dass sie einen Teil der Messkraft auf das Gehäuse umleiten und dadurch den Messwert verfälschen. Der Spalt unter den Krafteinleitungsteilen darf ebenfalls nicht mit Fremdkörpern zugesetzt sein. Mechanischer Einbau: Die zumessenden Kräfte müssen Möglichst genau in Messrichtung auf den Aufnehmer wirken. Torsions- und Biegemomente, außermittige Belastungen und Querkräfte können zu Messfehlern führen und bei Überschreitung der Grenzwerte den Aufnehmer zerstören. Der Einbau des Kraftaufnehmers in Zugrichtung erfolgt an Hand zweier Gelenkösen, die auf zwei Wellen in der Halterung(siehe Konstruktions-zeichnung) befestigt sind. Die Gelenkösen verhindern die Einleitung von Torsionsmomenten und von Biegemomenten sowie Quer- und Schrägbelastungen in dem Aufnehmer. Elektrischer Anschluß: Der Aufnehmer ist mit einem 3m langen Kabel mit dem Messverstärker verbunden worden. Die Abgleichwiderstände am Ende des Kabels dürfen nicht abgeschnitten werden (Kennwerte würde sich ändern). Der Kabelschirm ist nach dem Greenline-Konzept angeschlossen. Dadurch wird Das Meßsystem von einem Faradayschen Käfig umschlossen, elektromagnetische Störungen beeinflussen das Meßsystem nicht. Technische Daten Kraftaufnehmer S2(Auszug): Nennkraft 50 N Linearitätsabweichung <0,05% Eingangswiderstand >345Ω Nenntemperaturbereich +10 bis +70 C Nennmessweg <0,4mm 26

4.Kapitel Versuchsaufbau Messverstärker AE301: Der Anschluss des Messverstärker AE301 erfolgt standardmäßig in 6-Leitertechnik. Die Messfrequenz beträgt 10Hz.Es ist ein Nullabgleich im entlasteten Zustand mit einem Multimeter vorzunehmen. Der Messbereich beträgt 50N = 10V. 4.1.2 Winkelgeber Bei dem Drehwinkelgeber handelt es sich um ein Präzisions-Leitplastik- Potentiometer mit 300 mm langer Anschlussleitung. Daten: Messbereich 95 Mechanischer Anschlag bei 125 Widerstand 4KΩm Betriebstemperatur 40 bis +125 C Die Ausführung mit eingebauter Rückstellfeder bei einem gekapselten Gehäuse beständig gegen Öl, Kraftstoff und Spritzwasser. Der Einbau erfolgte mittels einer Halterung an der Verstelleinrichtung für den Staffelungswinkel des Leitgitters. Bild 4-4: Winkelgeber 27

4.Kapitel Versuchsaufbau 4.1.3 Digital Manometer Type: Man-Sf Das Gerät der Type MAN-SF wird zur Anzeige, Überwachung und Fernübertragung von druckanhängigen Betriebsläufen in Maschinen und Anlagen eingesetzt. Im Versuch wird es zur Messung des Eintrittsdruckes an der Turbine verwendet. Zur Fernübertragung des gemessenen Druckes ist das Gerät mit einem Analogausgang, der auf 4-20mA eingestellt ist, ausgestattet. Arbeitsweise: Der zu messende Druck wird von einem piezoresistiven Sensor erfasst und über die Elektronik zur Anzeige gebracht. Parallel dazu steht ein Analogsignal zur Fernübertragung auf das Multimeter zur Verfügung. Technische Daten(Auszug): Genauigkeitsklasse 0.5 Ausgangssignal 4-20mA Umgebungstemperatur -20 bis +60 C 4.1.4 Messumformer LD 301 Der LD 301 misst Differenz-, Über-, Absolutdruck und Füllstand Er dient im Versuch zur Messung des Differenzdruckes p V am Venturirohr. Der verwendete Messbereich beträgt 0-500mbar. Das analoge Ausgangssignal steht dem Multimeter als 4-20mA Stromsignal zur Verfügung. Bild 4-5: Messumformer am Venturirohr angeschlossen 28

4.Kapitel Versuchsaufbau 4.1.5 Multimeter Bei diesen 4 ½ -stelligen Multimetern handelt es sich um universell einsetzbar Multimeter. Im Versuch dienen sie dazu, die analog gemessenen Signale von der Wägezelle in Volt, vom Messumformer in Ampere, vom Digitalmanometer in Ampere, vom Drehwinkelgeber in Ohm und vom Drehzahlimpulsgeber in Volt über das Multimeter mittels eines Visual-Basic-Programms auf den Rechner zu geben. Die Einstellung der Multimeter auf die entsprechende Messgröße und den Messbereich erfolgt von Hand. Bild 4-6: Versuchsaufbau mittels Multimeter und rechner 4.1.6 Visual-Basic-Programm Die Arbeit am Computer konzentriert sich heute überwiegend auf wenige Programme unter der gemeinsamen Windows-Oberfläche. Für sehr spezielle Arbeitsbereiche, wie z.b. die Messwert-Erfassung, ist der Anwender aber nach wie vor auf Spezialsoftware angewiesen, die oft von den Hardwareherstellern geliefert wird und sehr unterschiedlichen Standards unterliegt. Oft hat der Anwender dann das Problem, laufend zwischen ganz unterschiedlichen Programmen zu wechseln und Daten unterschiedlicher Formate zu konvertieren. Mit Hilfe des Buches von Berndt und Kainka wird der Anwender in die Lage versetzt, seht spezielle Hardware direkt aus der Windows-Standardsoftware 29

4.Kapitel Versuchsaufbau heraus anzusteuern. Messwerte werden ohne Konvertierung sofort in Texte oder Tabellenblätter eingetragen. Geräte lassen sich direkt aus der Standardsoftware heraus ansteuern. Den Schlüssel hierzu bilden Makros, die die Möglichkeiten der Standardprogramme erweitern, d.h. über Makros auch eine direkte Hardwaresteuerung zulassen. Mit dem Buch wird eine Funktionen-Bibliothek (Dynamic Link Libary, DLL) geliefert, mit der sich all jene Geräte direkt ansteuern lassen, die über serielle Schnittstelle mit dem PC verbunden sind. Die Funktionen-Bibliothek RSAPI.DLL unterstützt zahlreiche Geräte an der seriellen Schnittstelle durch Spezialfunktionen und bietet außerdem viele allgemeine Funktionen, mit denen sich die unterschiedlichsten Anwendungen realisieren lassen. Bei der Verarbeitung umfangreicher Messdaten arbeitete man bisher in der Messdatenverarbeitung mit mehren Programmen, wobei die reine Datenerfassung, die Auswertung und Darstellung getrennt wurden. Ein sehr spezielles Messdaten-Erfassungsprogramm lieferte die gewünschten Daten von einem Messgerät oder Interface. Dann wurden die Daten konvertiert und in ein für Excel lesbares Format gebracht. Und schließlich wertete man die Daten mit den Mitteln der Tabellenkalkulation aus. Ziel war es, diesen aufwendigen Weg abzukürzen und zu vereinfachen. Die Messdaten sollen gleich aus Excel heraus erfasst werden, und zwar mit Hilfe eines einfachen Visual-Basic-Makros. Die ganze Arbeit kann dann mit einem einzigen Programm erfolgen. Statt umfangreicher Messdaten-Erfassungsprogramme müssen nur noch kleine Makros geschrieben werden. Die Anbindung erfolgt dabei in Excel mit der universellen RSAPL.DLL. Für den Versuch der Francis-Turbine wurde das Programm Voltcraft, was zur Verfügung an der Fachhochschule stand, verwendet. Wobei die Daten, die über die seriellen Schnittstellen der Multimeter gemessen wurden, in Excel übertragen werden. Das Programm ist in den folgenden Abschnitten im einzelnen aufgelistet und erklärt. Declare Sub IX_OPENCOM Lib "RSAPI.DLL" (ByVal ix%, ByVal para$) Declare Sub IX_CLOSECOM Lib "RSAPI.DLL" (ByVal ix%) Declare Function IX_STRREAD Lib "RSAPI.DLL" (ByVal ix%, ByVal Display$) As Integer Declare Function IX_READBYTE Lib "RSAPI.DLL" (ByVal ix%) As Integer Option Explicit Declare Sub IX_SENDBYTE Lib "RSAPI.DLL" (ByVal ix%, ByVal Bytes%) Declare Sub IX_STRLENGTH Lib "RSAPI.DLL" (ByVal ix%, ByVal Bytes%) Declare Sub IX_TIMEOUT Lib "RSAPI.DLL" (ByVal ix%, ByVal Bytes%) Declare Sub TIMEINIT Lib "RSAPI.DLL" () Declare Function TIMEREAD Lib "RSAPI.DLL" () As Long Im vorherigen Abschnitt werden die DLL aus der Literatur definiert. 30

4.Kapitel Versuchsaufbau Sub M4660M1_4() Dim Messdauer, Intervall, Zeile_M, Intervallanfang, Invervallende, Zeit, _ Zeit_i, i, Zeile, t, Wert1, Wert2, Wert3, Wert4, Display$, _ DisplayVon1$, DisplayVon2$, DisplayVon3$, DisplayVon4$, DisplayVon5$, DisplayVon6$, Blatt$ Blatt$ = "M4660M1_4" 'Tabellenblatt benennen Range("f6").Select 'markieren Display$ = " " 'Die einzelnen Spalten in Excel werden beschriften Tabelle1.Cells(1, 1).Value = "Zeit" Tabelle1.Cells(1, 2).Value = "M-4660M-1" Tabelle1.Cells(1, 3).Value = "M-4660M-2" Tabelle1.Cells(1, 4).Value = "M-4660M-3" Tabelle1.Cells(1, 5).Value = "M-4660M-4" Tabelle1.Cells(1, 6).Value = "M-4660M-5" Tabelle1.Cells(1, 7).Value = "M-4660M-6" Tabelle1.Cells(1, 8).Value = "M-4660M-1 bis M-4660M-6" Tabelle1.Cells(15, 8).Value = Now() Tabelle1.Cells(12, 8).Value = "Messdauer in Sekunden: " Tabelle1.Cells(13, 8).Value = "Intervall in Sekunde (>=0,2): " Tabelle1.Cells(14, 8).Value = "Mitlaufende Anzeige: " Tabelle1.Cells(15, 8).Value = "Datum: " & Now() Tabelle1.Cells(16, 8).Value = "COM1: " Tabelle1.Cells(17, 8).Value = "COM2: " Tabelle1.Cells(18, 8).Value = "COM3: " Tabelle1.Cells(19, 8).Value = "COM4: " Tabelle1.Cells(20, 8).Value = "COM5: " Tabelle1.Cells(21, 8).Value = "COM6: " Tabelle1.Cells(2, 9).Value = ":COM1 " Tabelle1.Cells(3, 9).Value = ":COM2 " Tabelle1.Cells(4, 9).Value = ":COM3 " Tabelle1.Cells(5, 9).Value = ":COM4 " Tabelle1.Cells(6, 9).Value = ":COM5 " Tabelle1.Cells(7, 9).Value = ":COM6 " 'Die Messdauer wird einlesen Messdauer = Tabelle1.Cells(12, 9).Value * 1000 Intervall = Tabelle1.Cells(13, 9).Value * 1000 'Das Intervall muß in bestimmten Grenzen liegen If Intervall < 200 Then Intervall = 200 Tabelle1.Cells(13, 9).Value = Intervall / 1000 End If If Intervall > Messdauer Then Intervall = Messdauer Tabelle1.Cells(13, 9).Value = Intervall / 1000 End If Die Messwert werden bis auf max. 31999 Werte reduzieren While Messdauer / Intervall > 31999 Messdauer = Messdauer - 1000 31

4.Kapitel Versuchsaufbau Tabelle1.Cells(12, 9).Value = Messdauer / 1000 Wend 'Gerät 1 mißt über COM1 If Tabelle1.Cells(16, 9).Value = True Then IX_OPENCOM 1, "COM1,9600,N,7,2" IX_TIMEOUT 1, 500 'TimeOut beim Lesen IX_STRLENGTH 1, 56 'Länge der übertragenen Zeichenkette End If 'Gerät 2 mißt über COM2 If Tabelle1.Cells(17, 9).Value = True Then IX_OPENCOM 2, "COM2,9600,N,7,2" IX_TIMEOUT 2, 500 'TimeOut beim Lesen IX_STRLENGTH 2, 56 'Länge der übertragenen Zeichenkette End If 'Gerät 3 mißt über COM3 If Tabelle1.Cells(18, 9).Value = True Then IX_OPENCOM 3, "COM3,9600,N,7,2" IX_TIMEOUT 3, 500 'TimeOut beim Lesen IX_STRLENGTH 3, 56 'Länge der übertragenen Zeichenkette End If 'Gerät 4 mißt über COM4 If Tabelle1.Cells(19, 9).Value = True Then IX_OPENCOM 4, "COM4,9600,N,7,2" IX_TIMEOUT 4, 500 'TimeOut beim Lesen IX_STRLENGTH 4, 56 'Länge der übertragenen Zeichenkette End If 'Gerät 5 mißt über COM5 If Tabelle1.Cells(20, 9).Value = True Then IX_OPENCOM 5, "COM5,9600,N,7,2" IX_TIMEOUT 5, 500 'TimeOut beim Lesen IX_STRLENGTH 5, 56 'Länge der übertragenen Zeichenkette End If 'Gerät 6 mißt über COM6 If Tabelle1.Cells(21, 9).Value = True Then IX_OPENCOM 6, "COM6,9600,N,7,2" IX_TIMEOUT 6, 500 'TimeOut beim Lesen IX_STRLENGTH 6, 56 'Länge der übertragenen Zeichenkette End If 'Die Variablen werden auf Null setzen Intervallanfang = 0 Wert1 = 0 Wert2 = 0 Wert3 = 0 Wert4 = 0 Zeit_i = 0 i = 0 Zeile = 2 t = 0 Zeile_M = 1 TIMEINIT 'Beginn der Messschleife While TIMEREAD < Messdauer 32

4.Kapitel Versuchsaufbau 'Abbruchbedingung If Tabelle1.Cells(9, 8).Value = "Die Messung wurde abgebrochen" Then GoTo Ende Do DoEvents Loop Until TIMEREAD >= t Zeit = TIMEREAD Zeit_i = Zeit_i + Zeit i = i + 1 If Tabelle1.Cells(16, 9).Value = True Then 'Wert1 wird gemessen Display$ = "Mindesten 56 Zeichen123456789012345678901234567890123456" IX_SENDBYTE 1, Asc("D") IX_STRREAD 1, Display$ Tabelle1.Cells(Zeile, 2).Value = Val(Mid$(Display$, 3)) DisplayVon1$ = Display$ End If If Tabelle1.Cells(17, 9).Value = True Then 'Wert2 wird gemessen Display$ = "Mindesten 56 Zeichen123456789012345678901234567890123456" IX_SENDBYTE 2, Asc("D") IX_STRREAD 2, Display$ Tabelle1.Cells(Zeile, 3).Value = Val(Mid$(Display$, 3)) DisplayVon2$ = Display$ End If If Tabelle1.Cells(18, 9).Value = True Then 'Wert3 wird gemessen Display$ = "Mindesten 56 Zeichen123456789012345678901234567890123456" IX_SENDBYTE 3, Asc("D") IX_STRREAD 3, Display$ Tabelle1.Cells(Zeile, 4).Value = Val(Mid$(Display$, 3)) DisplayVon3$ = Display$ End If If Tabelle1.Cells(19, 9).Value = True Then 'Wert4 wird gemessen Display$ = "Mindesten 56 Zeichen123456789012345678901234567890123456" IX_SENDBYTE 4, Asc("D") IX_STRREAD 4, Display$ Tabelle1.Cells(Zeile, 5).Value = Val(Mid$(Display$, 3)) DisplayVon4$ = Display$ End If If Tabelle1.Cells(20, 9).Value = True Then 'Wert5wird gemessen Display$ = "Mindesten 56 Zeichen123456789012345678901234567890123456" IX_SENDBYTE 5, Asc("D") IX_STRREAD 5, Display$ Tabelle1.Cells(Zeile, 6).Value = Val(Mid$(Display$, 3)) DisplayVon5$ = Display$ End If If Tabelle1.Cells(21, 9).Value = True Then 'Wert6 wird gemessen Display$ = "Mindesten 56 Zeichen123456789012345678901234567890123456" IX_SENDBYTE 6, Asc("D") IX_STRREAD 6, Display$ Tabelle1.Cells(Zeile, 7).Value = Val(Mid$(Display$, 3)) 33

4.Kapitel Versuchsaufbau DisplayVon6$ = Display$ End If 'Eintragen der Zeit in die Exceltabelle Tabelle1.Cells(Zeile, 1).Value = Zeit / 1000 'alle sechs Werte des Messgerätes werden in die Tabelle eingetragen Tabelle1.Cells(2, 8).Value = DisplayVon1 Tabelle1.Cells(3, 8).Value = DisplayVon2 Tabelle1.Cells(4, 8).Value = DisplayVon3 Tabelle1.Cells(5, 8).Value = DisplayVon4 Tabelle1.Cells(6, 8).Value = DisplayVon5 Tabelle1.Cells(7, 8).Value = DisplayVon6 'Bei einen Fehler erfolgt der Abbruch der Messung If Tabelle1.Cells(2, 8).Value = "Fehler" Then GoTo Ende If Tabelle1.Cells(3, 8).Value = "Fehler" Then GoTo Ende If Tabelle1.Cells(4, 8).Value = "Fehler" Then GoTo Ende If Tabelle1.Cells(5, 8).Value = "Fehler" Then GoTo Ende If Tabelle1.Cells(6, 8).Value = "Fehler" Then GoTo Ende If Tabelle1.Cells(7, 8).Value = "Fehler" Then GoTo Ende t = t + Intervall Zeile = Zeile + 1 'Mitlaufende Anzeige If Tabelle1.Cells(14, 9).Value = -1 Then Range("a" & Zeile).Select 'markieren Wend Ende: If Tabelle1.Cells(15, 9).Value = True Then IX_CLOSECOM 1 If Tabelle1.Cells(16, 9).Value = True Then IX_CLOSECOM 2 If Tabelle1.Cells(17, 9).Value = True Then IX_CLOSECOM 3 If Tabelle1.Cells(18, 9).Value = True Then IX_CLOSECOM 4 If Tabelle1.Cells(19, 9).Value = True Then IX_CLOSECOM 5 If Tabelle1.Cells(20, 9).Value = True Then IX_CLOSECOM 6 Werte_kopieren 'Dies Makro kopiert die Werte in eine eigene Arbeitsmappe Range("f6").Select 'markieren End Sub Sub Werte_kopieren() Columns("A:I").Select Selection.Copy Workbooks.Add Selection.PasteSpecial Paste:=xlValues, Operation:=xlNone, SkipBlanks:= _ False, Transpose:=False Windows("Voltcraft_M-4660M_light.xls").Activate Application.CutCopyMode = False Windows("Voltcraft_M-4660M_light.xls").Activate Sheets("M4660M1_4").Select End Sub 34

5. Kapitel Versuchsdurchführung 5 Versuchsdurchführung 5.1 Vorbereitung Nach der Auslegung bzw. der Auswahl der neuen Messgeräte, erfolgte die Montage der einzelnen Mess- und Regeleinrichtungen. Das Venturirohr wurde ausgebaut und gereinigt. An der Venturidüse, die aus nichtrostendem Stahl besteht, zeigten sich geringe Korrosionsablagerungen an der Oberfläche. Das Rohr bzw. die Rohrstrecke war durchsetzt von Korrosionsund Harzablagerungen. Die Ablagerungen wurden soweit wie möglich entfernt. Die Rohrleitungen vor und hinter dem Venturirohr wurden vermessen. Die Gummi-Flachdichtungen zwischen Venturirohr und Rohrleitung wurden kontrolliert und nachgeschnitten, um einen einwandfreien Durchfluss zu gewährleisten. Nach dem Einbau des Venturirohrs wurden an den Messstellen zwei neue Kugelkopfventile ins Venturirohr eingebaut und abgedichtet. Zwei Schlauchleitungen dienen als Anschluss für den Messumformer LD 301, der den Differenzdruck p V an der Venturidüse messen soll. Das Messgerät ist auf einem mobilen Wagen montiert. Es besitzt eine Zu- und Rücklaufleitung mit Bypass und hinter der Messeinrichtung zwei Entlüftungsleitungen. Das digitale Manometer MAN-SF wurde an der Ringkammer-Messstelle vor dem Einlauf in das Spiralgehäuse eingebaut und abgedichtet. Dazu wurde die Ringkammer vorher gereinigt und abgedichtet. Das Entlüftungs- bzw. das Absperrventil wurde ebenfalls gereinigt und montiert. Bei der Montage des Manometers war zu beachten, das dies nur im drucklosen Zustand zu montieren war. Der Pronysche Bremszaum wurde mittels Gegengewicht austariert und die Zuleitung der Wasserkühlen wurde gereinigt und neu montiert. Anschließend wurde der Kraftaufnehmer in die Halterung eingesetzt. Die Halterung(siehe Bild 5-1)mit Kraftaufnehmer wurde danach so auf der Befestigungsplatte der Turbine montiert, das der Hebelarm des Proyschen Bremszaums lotgerecht mit dem Kraftaufnehmer verbunden wurde. Danach wurde der Nullabgleich im Ruhezustand mittels Messverstärker durchgeführt. Die vorhandene Drehzahlbestimmung erfolgt über eine genutete Scheibe und einem Impulsgeber am Ende der Turbinenwelle. Der Impulsgeber ist einem Drehzahlmessgerät und einem Multimeter verbunden. Die elektrischen Anschlüsse der einzelnen Messgeräte erfolgen in Vierleitertechnik, d.h. es gibt jeweils zwei Versorgungsleitung und zwei Ausgangssignalleitungen. Dieses gilt für die beiden Differenzdruckmessgeräte und den Kraftaufnehmer. Der Impulsgeber für die Drehzahlbestimmung und der 35