HM15020D

Systeme fr die technische Ausbildung

VersuchsanleitungHM150.20 Demo-Versuch

Francis-Turbine

G.U.N.T. Gertebau GmbHPostfach 1125D-22881 Barsbttel GermanyTelefon (040) 670854-0Telefax (040) 670854-41

Druckschrift Nr.: 917.000 20 A150 02 05/96

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Versuchsanleitung

HM150.20 Demo-Versuch Francis-Turbine

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Inhaltsverzeichnis1 Gertebeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2 Versuchvorbereitung und Durchfhrung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1 Versuchsvorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

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

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

3.1 Turbinenkennlinien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.2 Leistungskurven. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

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


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1 Gertebeschreibung

Das Gert ist fr den Ausbildungs- und Versuchs-betrieb bestimmt. Es dient der Demonstration zumFunktionsprinzip einer Francis-Turbine. Die Leitschaufeln im Spiralgehuse sind verstell-bar. Mit einer einstellbaren, mechanischen Bremsein-richtung kann die Turbine belastet werden.Typische Turbinen-Kennlinien und Leistungskur-ven fr verschiedene Drehzahlen knnen so mitHilfe der Leitschaufelverstellung und der Brems-einrichtung aufgenommen werden.

Die Wasserversorgung sollte ber HM 150Grundmodul Strmungstechnik erfolgen, dadie Francis-Turbine fr diese Pumpendatenausgelegt ist.Mit HM 150 lt sich ein geschlossener Wasser-kreislauf aufbauen.

Bei einem Anschlu an ein Laborwassernetz solltedarauf geachtet werden, da bei angschlossenerTurbine ein Volumenstrom von ca. 40 l/h und einWasserdruck von 0.1 bar erreicht wird, damit dienachfolgend beschriebenen Demonstrationsver-suche durchgefhrt werden knnen.

Fr die Versuche wird zustzlich ein Handtacho-meter bentigt, welches nicht im Lieferumfang ent-halten ist.


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1 Gertebeschreibung 1

Das Gert besteht im wesentlichen aus:

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1

1 Grundplatte2 Eintritt Druckrohr3 Spiralgehuse4 Leitschaufeln5 Laufrad

6 Leitschaufelverstellung7 einstellbare Bremsvorrichtung8 Federwaage9 Manometer10 Austritt Saugrohr


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Ein Schnitt durch das Spiralgehuse zeigt dieKraftbertragung vom Laufrad zur Riemenschei-be.

1 Eintritt Druckrohr in das Spiralgehuse2 Spiralgehuse3 Leitschaufeln4 Laufrad5 Leitschaufelverstellung6 Saugrohr

12

11

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10

9

3

4

6

7

1

2 5

7 Wellendichtring8 Turbinenwelle9 axiale Verstelleinrichtung fr das Laufrad10 Riemenscheibe11 Riemen12 Federwaage


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2 Versuchvorbereitung und Durchfhrung

2.1 Versuchsvorbereitung

- Versuchsaufbau auf HM 150 stellen, so dader Austritt aus dem Saugrohr (1) das Wasserin den Kanal von HM 150 leiten kann.

- Schlauchverbindung zwischen HM 150 unddem Anschlu (2) der Francis-Turbine herstel-len und Ablauf des volumetrischen Tanks vonHM 150 ffnen.

- Die Bremsvorrichtung der Turbine mit demHandrad (3) ganz lsen, die Federwaagen (4)sind entlastet und der Riemen (5) wird nichtmehr an die Riemenscheibe gezogen.

- Haupthahn HM 150 schlieen und Pumpe HM150 einschalten, Haupthahn langsam voll ff-nen.

- Hebel (6) fr die Leitschaufelverstellung durchDrehen lsen und durch langsames Auf- undZustellen (7) der Leitschaufeln das Saugrohr(1) luftfrei machen.

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2 Versuchvorbereitung und Durchfhrung 4

2.2 Einstellungen und Messungen

Leitschaufelverstellung

Der Anstrmwinkel des Wassers auf die Laufrad-schaufeln (1) wird durch die Stellung der Leitsch-aufeln (2) vorgegeben. Dieser Anstrmwinkelbestimmt die Drehzahl und damit auch die Lei-stung der Turbine.

Die Leitschaufelverstellung wird durch Drehen desVerstellhebels (3) gelst.

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

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Die Achsen (1) der Leitschaufeln (2) sind drehbarund dichtend aus dem Gehuse (3) gefhrt. Vonauen sind Anlenkhebel (4) auf die Achsen mon-tiert. Stifte (5) in der Verstellscheibe (6) fhren dieAnlenkhebel in einem Langloch (7). So knnen dieLeitschaufeln von auen whrend des Betriebesmit dem Verstellhebel (8) verstellt werden. Derlsbare Verstellhebel klemmt die Verstellscheibeauf dem Wellenlager (9).

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Verstellung des Spalts zwischen Deckscheibeund Laufrad

Der Deckscheibenspalt (1) kann mit Hilfe der Ein-stellbuchse (2) eingestellt werden. Dazu mu dieRiemenscheibe (3), die die Einstellbuchse kontert,gelst werden. Die Einstellbuchse wird mit einemMaulschlssel SW10 gedreht .

Um die Spaltverluste so gering wie mglich zuhalten, sollte auch der Spalt zwischen Deckschei-be und Laufrad so klein wie mglich sein. BeimEinstellen ist aber darauf zu achten, da das Lauf-rad nicht an der Deckscheibe klemmt.

Riemenscheibe, Einstellbuchse und Turbinenwel-le sind mit Linksgewinde ausgefhrt.

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Bestimmung des Volumenstrom

- Um den Volumenstrom V. zu bestimmen,die Zeit t stoppen, die bentigt wird um denvolumetrischen Tank von HM 150 z.B.von20 auf 30 Liter aufzufllen.

Bestimmung der Drehzahl

- Fr die Ermittlung der Drehzahl n wird einHandtachometer bentigt, welches mit Hilfeeiner Reflektionsmarke (1) die Drehzahl an-zeigt. Die Reflektionsmarke wird auf die Riemen-scheibe (2) geklebt. Das Handtachometermu dann mit seiner Reflexlichtschrankesenkrecht auf die Marke gerichtet werden.

Bestimmung der Fallhhe

- Die Fallhhe H der Wassersule entsprichtdem anliegendem Pumpendruck vor der Turbi-ne. Die Fallhhe wird am Manometer (1) inbar abgelesen.

H = p g mit = 1000 kgm3

und g = 9.81 ms2

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Bestimmung des Drehmoments

Fr die Bestimmung des Drehmoments mu mitder Bremseinrichtung eine Last aufgebracht wer-den. Mit Hilfe der Federwaagen (1) und des Durchmes-sers der Riemenscheibe (2) kann so ein Momentbestimmt werden.

M = F D2 mit D = 50 mm

Fr die Kraft F mu die Differenz der beiden abge-lesenen Werte fr die Krfte F1 und F2 eingesetztwerden.

F = F1 F2

- Mit dem Handrad (3) die Traverse (4) nachoben drehen, bis beide Federwaagen einenWert anzeigen. Die Krfte F1 und F2 ablesenund die Differenz bilden. Den Wert F in Nnotieren.

Achtung!Riemen und Riemenscheibe unbedingt trok-ken und fettrei halten !

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2

F2 F1


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3 Versuche

Um Leistung und Wirkungsgrad der Francis-Turbi-ne bestimmen zu knnen, werden vorher nocheinigegrundlegende Formeln aufgefhrt, damiteine Berechnung der Kennlinien erfolgen kann.

Moment M an der Welle:Moment = Kraft x Hebelarm

M = F D2 [Nm] mit D = 0.05m

Leistung Pab an der Turbinenwelle:Leistung = Moment x Winkelgeschwindigkeit

Pab = M 2 n60 [W ] mit n in min

1

Hydraulische Leistung Phyd :Die hyd. Leistung ist eine Funktion von Volumen-strom und Fallhhe

Phyd = f (V.

, H ).

Damit ergibt sich fr die hyd. Leistung:Phyd = V

.

H g.

In die folgende Formel kann die abgelesene Fall-hhe direkt in bar eingesetzt werden:

Phyd = V. p 1051000 60 [W ] mit V

.

in l/min

Wirkungsgrad :


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3 Versuche 10

Wirkungsgrad = Wellenleistung / Hyd. Leistung

= PabPhyd

Wenn man das innere Reibmoment von ca.0.0125Nm, welches hauptschlich vom Wellen-dichtring hervorgerufen wird, von vornherein mitbercksichtigt, kann der Wirkungsgrad noch ge-steigert werden.


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3 Versuche 11

3.1 Turbinenkennlinien

Fr die Aufnahme von Turbinenkennlinien dieLeitschaufeln auf die Stellung fr maximale Dreh-zahlstellen. Dazu mit dem Handtachometer dieDrehzahl messen und dann die Verstellung durchanziehen des Verstellhebels festsetzen.Die Last an der Bremseinrichtung in Schritten mitca. 15 - 20 Mepunkten erhhen, bis die Turbinen-welle auf ca. 100 min1 abgebremst ist.

Der Volumenstrom V. ist ber die ganze Mereihefast konstant. Er wird in die Berechnungen mit

V. = 38 lmin eingesetzt.

Beispielhaftes Meergebnis:

Drehzahlnin

min1

BremskraftFinN

FallhheHin

bar

Momentan derWelle

Min

Nm

Leistungan derWellePabinW

Hyd.Leistung

PhydinW

Wirkungsgrad

Wirkungsgrad ohne

Wellendichtring

1700 0 0.13 0.000 0.00 8.23 0,00 0.001600 0.1 0.12 0.003 0.42 7.60 0.05 0.331500 0.25 0.11 0.006 0.98 6.97 0.14 0.421400 0.3 0.1 0.008 1.10 6.33 0.17 0.461300 0.55 0.09 0.014 1.87 5.70 0.33 0.631200 0.8 0.09 0.02 2.51 5.70 0.44 0.721100 0.9 0.08 0.023 2.59 5.07 0.51 0.801000 1 0.08 0.025 2.62 5.07 0.52 0.79900 1.15 0.08 0.029 2.71 5.07 0.54 0.77800 1.3 0.08 0.033 2.72 5.07 0.54 0.74700 1.4 0.09 0.035 2.57 5.70 0.45 0.61600 1.45 0.1 0.036 2.28 6.33 0.36 0.48500 1.55 0.1 0.039 2.03 6.33 0.32 0.42400 1.65 0.11 0.041 1.73 6.97 0.25 0.32300 1.7 0.11 0.043 1.34 6.97 0.19 0.25200 1.75 0.12 0.044 0.92 7.60 0.12 0.16100 1.75 0.13 0.044 0.46 8.23 0.06 0.07


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3 Versuche 12

0.05

0.04

0.03

0.02

0.01

03

2.5

2

1.5

1

0.5

0

75

50

25

0 0 500 1000 1500 2000

Drehzahl n in min-1

Wirkungsgrad

Moment an derTurbinenwelle

M in Nm

Pab inWatt

ohne Wellen-dichtring

Leistung an derTurbinenwelle

,


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3 Versuche 13

3.2 Leistungskurven

Fr die Aufnahme von Leistungskurven wird dieBremseinrichtung immer so eingestellt, da beiverschiedenen Leitschaufelstellungen immer diegleiche Drehzahl n gemessen wird. Die dazugeh-rige Bremskraft ablesen und notieren.

Der Volumenstrom V.

ist ber die ganze Mereihefast konstant. Er wird in die Berechnungen mit

V.

= 38 lmin eingesetzt.

Beispielhaftes Meergebnis:

Leitschaufel-

stellung

n = 750 min-1 n = 850 min-1 n = 1000 min-1

Brems-kraft

FinN

Momentan derWelle

Min

Nm


Brems-kraft

FinN

Momentan derWelle

Min

Nm


Brems-kraft

FinN

Momentan derWelle

Min

Nm


1 0.40 0.010 0.79 0.22 0.0055 0.49 0.10 0.003 0.202 0.65 0.016 1.28 0.44 0.011 0.98 0.35 0.009 0.693 0.85 0.021 1.67 0.56 0.014 1.28 0.50 0.013 0.984 0.90 0.023 1.77 0.76 0.019 1.67 0.65 0.016 1.285 1.05 0.026 2.06 0.80 0.020 1.77 0.75 0.019 1.476 1.10 0.028 2.16 0.88 0.022 1.96 0.85 0.021 1.677 1.20 0.030 2.36 0.92 0.023 2.06 0.90 0.023 1.778 1.25 0.031 2.45 0.96 0.024 2.16 0.95 0.024 1.879 1.30 0.033 2.55 1.00 0.025 2.26 1.00 0.025 1.9610 1.30 0.033 2.55 1.00 0.025 2.26 1.00 0.025 1.9611 1.35 0.034 2.65 1.08 0.027 2.36 1.00 0.025 1.9612 1.40 0.035 2.75 1.12 0.028 2.45 1.00 0.025 1.9613 1.35 0.034 2.65 1.08 0.027 2.36 0.95 0.024 1.8714 1.30 0.033 2.55 1.00 0.025 2.26 0.95 0.024 1.8715 1.25 0.031 2.45 0.96 0.024 2.16 0.90 0.023 1.7716 1.20 0.030 2.36 0.92 0.023 2.06 0.90 0.023 1.7717 1.15 0.029 2.26 0.92 0.023 2.06 0.90 0.023 1.7718 1.10 0.028 2.16 0.88 0.022 1.96 0.85 0.021 1.67


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3 Versuche 14

32.5

2

1.5

1

0.5

0 0 5 10 15 20

Leitschaufelstellung

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elle

Pab

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Wat

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750 min-1

850 min-1

1000 min-1


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3 Versuche 15

4 Technische Daten

Auslegungsdaten: Volumenstrom V. = 50l/minFallhhe H = 2 mDrehzahl 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 Stck

Laufrad: Auendurchmesser: 50 mmInnendurchmesser: 30 mmSchaufelbreite: 5 mmLaufradschaufeln: 7 StckEintrittswinkel: 1 = 58.1Austrittswinkel: 2 = 90

Bremskraft: max. 10 N

Riemenscheibe: Durchmesser: 50 mm

Schlauchanschlu: Druckschlauchtlle D = 20 mm

Abmessungen:Lnge: 400 mmBreite: 400 mmHhe: 650 mmGewicht: 12 kg


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4 Technische Daten 16

hm150201d.PDFInhaltsverzeichnis1 Gertebeschreibung 12 Versuchvorbereitung und Durchfhrung 42.1 Versuchsvorbereitung 42.2 Einstellungen und Messungen 5

3 Versuche 103.1 Turbinenkennlinien 123.2 Leistungskurven 14

4 Technische Daten 16

Documents

HM15020D