Labor für Strömungslehre und Strömungsmaschinen sowie Dampfprüfstand
Das Labor verfügt über folgende Prüfstände:
- Windkanal
- Radialventilatorprüfstand
- Kleindampfturbine
- Turboverdichter
- Schaufelschwingungsprüfstand
- Rohrreibungsprüfstand
- Wasserturbinenprüfstand
- Kreiselpumpenprüfstand
- Axialventilator
- Messdatenerfassungssystem
- Windkanal
An der TH Lübeck wurde ein Windkanal Göttinger Bauart ausgelegt und konstruiert und im Auftrag der Fachhochschule gefertigt. Der Kanal steht senkrecht und hat eine Länge von etwa 12,5 m und eine Höhe von 4,2 m. Das Kontraktionsverhältnis der Düse beträgt N = 4,55. Der Düsenaustrittsquerschnitt hat die Abmessungen ADÜSE = 0,665 m x 0,665 m, die maximale Länge der Messstrecke beträgt Lmax = 1,43 m. Es wird eine maximale Blasgeschwindigkeit von cmax = 60 m/s erreicht. Der Antrieb des einstufigen Ventilators mit Nachleitrad erfolgt durch einen drehzahlgeregelten Gleichstrommotor mit 4-Quadranten-Betrieb, der eine maximale Kupplungsleistung von PK = 53 kW liefert. Der Motor hat zwei Wellenenden mit im Stillstand schaltbaren Kupplungen, so dass er wahlweise den Ventilator des Windkanals bzw. den Turboverdichter antreiben kann.
Messtechnik
- Stationäre Geschwindigkeitsmessungen durch Prandtl-Rohre und Fünflochsonden, instationäre Geschwindigkeitsmessungen durch Hitzdrahtanemometrie.
- Geschwindigkeitsmessung mit Laser-Doppler-Anemometrie.
- Druckverteilungsmessungen mit LAN Druckscanner Netscanner 98RK-1 für 48 Kanäle.
- Strömungssichtbarmachung mit Nebelgenerator und Nebelsonde sowie Laser-Lichtschnitt-Technik.
- Detektion von turbulenten Schwankungen in der Strömung mit der Heißfilmmesstechnik
- Rechnergestütze Messung von Kräften und Momenten auf umströmte Körper durch eine 6-Komponenten-Windkanalwaage.
- Positionierung der Mess-Sonden mittels Sondenverstellvorrichtung in der gesamten Messstrecke. Die Verstellung erfolgt über rechnergesteuerte Schrittmotoren.
Praktikumsversuche
- Tragflügelversuch
- Modellwindturbine
- Kugelversuch
- Particle Image Velocimetry – PIV
Im Windkanal der TH-Lübeck wird ein sogenanntes Particle Image Velocimetry-PIV-System eingesetzt. Hierbei wird eine mit Partikeln versetzte Strömung mit einem aufgeweiteten Laserstrahl angeleuchtet und mit Hilfe einer Kamera wird die Bewegung der angeleuchteten Teilchen aufgezeichnet und digitalisiert. Mit Hilfe eines Auswertealgorithmus können dann in einem Rechner die Geschwindigkeiten der Partikel nach Betrag und Richtung im gesamten beleuchteten Bereich bestimmt werden.
Polarenprüfstand im Windkanal mit aktivem PIV System
Im Bild ist der Polarenprüfstand im Windkanal mit aktivem PIV System zu sehen. Oberhalb des schräg angestelltem Profils befindet sich der Laser mit der Lichtschnittoptik. Vor dem Fenster mit dem Profil ist die Hochgeschwindigkeitskamera auf einem Stativ zu sehen.
Zeitaufgelöste PIV-Messung einer Tragflügelumströmung im Windkanal der TH-Lübeck
Messtechnik
- Litron Laser 2 kanalig, LD20-527 PIV Series, Nd:YLF DPSS Laser, 527nm, 2x20mJ, 1000Hz
- Dantec Lichtschnittoptik mit verschiedenen Öffnungswinkeln
- SpeedSense VEO 410 Kamera 1MP, 5200 Bilder pro Sekunde, 1280x800 pix, 72 GB
- Workstation zur Bildbearbeitung, NVIDIA 2GB, 256 CUDA Kerne für GPU Berechnungen
- Dantec Synchronisationseinheit, 32 Ausgänge zur präzisen Hardwaresynchronisierung
- 2D PIV Software Dantec Dynamic Studio
- DLR Partikelgenerator und SAFEX Partikelgenerator mit beheizter Sonde
Praktikumsversuche
- Tragflügelversuch
- Umströmung einer Kugel
- Radialventilatorprüfstand
Der Radialventilatorprüfstand wurde als Normprüfstand in Kammerbauweise gemäß DIN 24163, Teil 2 konstruiert. Die Luft wird durch eine Viertelkreisdüse (1) mit dem Innendurchmesser DDü=209,8 mm aus der Umgebung angesaugt. Sie strömt anschließend durch ein zylindrisches Rohrstück (2), einen Diffusor (3) und ein Übergangsstück (4) zu einer Klappendrossel (5), die den Volumenstrom drosselt bzw. den Druck absenkt. Die Drossel besteht aus 6 gegenläufig verstellbaren Klappen, die durch einen Elektromotorantrieb (6) über ein Steuergerät (7) verstellt werden können. An die Drossel schließt sich die quadratische Beruhigungskammer (8) mit den Innenquerschnittsmaßen 750 mm x 750 mm an, die mit einem Lochblech und zwei Sieben ausgerüstet ist. Die Beruhigungskammer ist so ausgelegt, dass dort auch Untersuchungen von Wärmetauschern durchgeführt werden können. Aus der Beruhigungskammer strömt die Luft durch eine Viertelkreisdüse in die Ventilatoransaugleitung (9). Der einstufige Radialventilator (10) mit freiem Ausblasstutzen (11) weist die folgenden Auslegungsdaten auf:
- Hersteller: Pollrich Ventilatoren GmbH
- Typ: VR 40S20C1UK0560RG360MMU0
- Laufradaußendurchmesser D = 0,56 m
- Max. Drehzahl nmax = 3000 min-1
- Totaldruckerhöhung (Ausleg.) Dpt = 4500 Pa
- Volumenstrom (Ausleg.) V = 1,75 m
- Wellenleistung (Ausleg.) Pk = 9,4 kW
- Motor: Siemens Drehstromm. Pmax = 11 kW
Zwischen den Kupplungen von Ventilator und Antriebsmotor ist eine Drehmoment-Messwelle (12) montiert, die das Drehmoment des Antriebsmotors (13) erfasst. Der Motor ist mittels eines mobilen Frequenzumrichters (14) stufenlos drehzahlregelbar.Messtechnik
- Viertelkreisdüse zur Messung des Volumenstroms
- Prandtl Rohr mit manueller Verstelleinheit
- Laser-Doppler-Anemometers (LDA) der Fa. Dantec mit 2-achsiger Traversiereinheit
- Infrarot Drehzahlmesser, Quecksilberbarometer, Aspirationspsychrometer
- Digitale Handmessgeräte für Differenzdruck und Temperatur
- Schallpegelmesser mit FFT Spektrum Analyse Drehmomentmesswelle mit Messverstärker
Praktikumsversuche
- Geschwindigkeits- und Durchflussmessung von Gasen
- Kennlinien- Geräuschmessungen an einem Radialventilator
- Kleindampfturbine
Im Versuchskesselhaus ist eine komplette Dampfkraftanlage mit einer einkränzigen Kleindampfturbine des Herstellers Kühnle, Kopp & Kausch (KKK) installiert. Sie liefert bei einem maximalen Dampfverbrauch von 500 kg/h eine Kupplungsleistung von PK = -30 kW, die durch eine Wirbelstrombremse abgebremst wird. Die pendelnde Lagerung der Wirbelstrombremse gestattet eine Drehmomentmessung. Die Auslegungsdrehzahl beträgt n = 8500 min-1, bei einer Schnellschlussdrehzahl von 9350 min-1 wird die Turbine durch die mechanische Schnellschlusssicherung (Schnellschlussbolzen) und durch eine SPS Betriebsüberwachung außer Betrieb gesetzt.
Bei dem Dampferzeuger, der 2007 im Zuge einer Modernisierung aufgestellt wurde, handelt es sich um einen LOOS-Flammrohr-Rauchrohrkessel Universal Typ UHD 800. Die Sattdampfleistung beträgt 600 kg/h bei einem Betriebsüberdruck von 16 bar.
Weitere wichtige Anlagenteile sind der Rohrbündelkondensator für den Abdampf der Turbine mit angeschlossenem außenliegendem Kühlturm und die Speisewasseraufbereitungsanlage.
Messtechnik
- Dampfblenden mit Differenzdrucksensoren und Thermoelementen
- Barometer, Röhrenfedermanometer
- Gaszähler
- Wirbelstrombremse mit Drehzahl- und Drehmomentmessung
- Agilent Messdatenerfassungssystem mit drei Messeinschüben
- Keysight VEE Software zur Versuchsauswertung
Praktikumsversuche
- Thermodynamische Messungen an einer Dampfturbine – Dampfturbinenversuch
- Kesselwirkungsgrad
- Turboverdichter
Aus Ersatzteilen eines serienmäßigen MAN-B&W Abgasturboladers für Schiffsdieselmotoren wurde an der TH Lübeck der Prototyp eines einstufigen Radialverdichters konzipiert, gefertigt und in Betrieb genommen. Die messtechnische Ausrüstung des Prüfstandes wurde im Rahmen von Abschlussarbeiten durch Studierende vorgenommen.
Die hohe Verdichterdrehzahl wird durch ein Spezialgetriebe der Fa. Stegherr erzeugt. Der Verdichter erhielt zusätzlich ein durch einen Schrittmotor verstellbares Vorleitrad. Das überkritisch laufende Verdichterlaufrad ist fliegend auf der Getriebeabtriebswelle gelagert. Bei der maximalen Drehzahl von nmax = 33000 min-1 wird ein maximales Totaldruckverhältnis von p t = 1,85 erreicht. Der maximale Ansaugvolumenstrom beträgt 0,63 m3/s. Die Antriebsleistung des Elektromotors erreicht PK = 53 kW.
Der Turboverdichter kann auch als Luftversorgungsanlage zur Untersuchung von Armaturen oder Strömungsmaschinen eingesetzt werden.
Messtechnik
- Mobiles Messdatenerfassungssystem
- Scanivalve Druckmesssystem mit 48 Kanälen, 15 psi
- Netscanner Druckmesssystem mit 64 Kanälen, 1 psi, 15 psi
- Schwingungsüberwachung des Laufrades durch induktives Abstands-Überwachungssystem und zwei Graphitstifte
- Thermoelemente in allen thermodynamischen Ebenen
- Druckmessung mit U-Rohren, Röhrenfedermanometer und Drucksensoren
- Induktive Drehzahlmessung
- 4 Kanal Digital Oszilloskop mit USB Datenspeicherung
- dynamischer Drucksensor der Fa. Kistler nach dem Laufrad mit Messverstärker und Spektrum Analyser OROS 34
Praktikumsversuche
- Thermodynamische Messungen an einem Turboverdichter - Turboladerversuch
- Schaufelschwingungsprüfstand
In einem Schaufelschwingungsprüfstand können Standschwingungsversuche mit Schaufeln axialer Strömungsmaschinen durchgeführt werden.
Die Elastizität der Einspannung ist variabel. Die Schaufeln werden elektromagnetisch in beliebigen Frequenzen zu Schwingungen angeregt. Außer Schaufeln können auch andere stabförmige magnetische Bauteile angeregt werden.
Messtechnik
- Laser- Vibrometer zur Messung lokaler Schwingungsamplituden
- Miniatur-Beschleunigungsaufnehmer IPE
- DMS- Sensoren an der Schaufelwurzel mit Messverstärker
- 4 Kanal Digital Oszilloskop mit USB Datenspeicherung
- OROS 34 Schwingungsmesssystem, 4 Kanäle, Ethernet Link, FFT Analyse, Auswerte-Software
- Wechselstromzange zur Messung des Erregerstroms
Praktikumsversuche
- Schwingungsuntersuchungen an Schaufeln axialer Strömungsmaschinen - Schaufelschwingungsversuch
- Rohrreibungsprüfstand
In einem geschlossenen Kreislauf mit Hochspeicherbehälter sind drei Messstrecken zur Bestimmung der Rohrreibungszahl λ bei laminarer und turbulenter Rohrströmung in Rohren unterschiedlicher Rauigkeit installiert. Durch entsprechende Einlaufstrecken wird sichergestellt, dass in den Messstrecken vollausgebildete Rohrströmung vorliegt.
Durch zwei sehr kleine traversierbare Pitotsonden können das Einlaufprofil und das voll ausgebildete turbulente Geschwindigkeitsprofil der Rohrströmung aufgenommen werden.
Messtechnik
- Mobiles Messdatenerfassungssystem
- Flügelrad-Wasserzähler, Ringkolben-Wasserzähler
- Ethernet-Druckscanner mit 16 simultanen Druckkanälen, Magnetventile zur Entlüftung
- U-Rohr Manometer
- Thermoelement
Praktikumsversuche
- Bestimmung der Rohrreibungszahl λ
- Wasserturbinenprüfstand
Die Anlage des Prüfstandes für hydraulische Strömungsmaschinen enthält neben den Kreiselpumpen auch einen Prüfstand mit einer Peltonturbine.
Da keine Stauanlage vorhanden ist, wird der Wasserturbinenbetrieb durch eine der Kreiselpumpen simuliert. Die Turbine des Herstellers Voith ist für eine Nutzfallhöhe von H = 45 m, einen Wasservolumenstrom von Q= 40 m3/h und eine Leistung von PK = -3,68 kW ausgelegt. Die Nenndrehzahl erreicht n = 1100 min-1. Die Turbine wird durch einen Prony’schen Zaum abgebremst.
Da das Laufradgehäuse teilweise aus Plexiglas hergestellt ist, lassen sich bei Einsatz eines Stroboskops die Strömungsverhältnisse im Turbinenlaufrad gut erkennen.
Messtechnik
- Drehmomentmessung durch den Prony’schen Zaum
- Infrarot- Drehzahlmessgerät
- Röhrenfedermanometer
- Digital Stroboskop
Praktikumsversuche
- Peltonturbinenversuch
- Kreiselpumpenprüfstand
Im Kreiselpumpenprüfstand sind zwei einstufige Kreiselpumpen radialer Bauart installiert.
Die Pumpe P1 (Hersteller: Grundfos; H = 42,4 m; Q=113 m3/h; TPE 80-520 / 2, drehzahlvariabel durch Frequenzumrichter) ist eine Inline-Pumpe, während Pumpe P2 (Hersteller Flowserve/ SIHI, ZLND 050200 A1, H = 32m; Q= 68 m3/h; drehzahlvariabel durch Frequenzumrichter) eine Normpumpe nach EN 733/DIN 24255 ist. Die Pumpe P1 lässt sich durch eine App des Herstellers auch über eine Bluetooth-Infrarot Verbindung bedienen. Die Kreiselpumpenanlage erlaubt unterschiedliche Schaltungen (geschlossener Kreislauf, offener Kreislauf, Parallelbetrieb der Pumpen P1 und P2). Außerdem sind Messaufbauten zur Untersuchung von Armaturen möglich. Der Kreiselpumpenprüfstand ist mit dem Peltonturbinenprüfstand anlagentechnisch zum Prüfstand für hydraulische Strömungsmaschinen zusammengefasst.
Messtechnik
- Mobiles Messdatenerfassungssystem mit LAN Verbindung
- Coriolis-Massenstrommessgerät, Ultraschallmessgerät, magnetisch-induktives Messgerät
- Ethernet-Druckscanner mit 16 simultanen Druckkanälen, Magnetventile zur Entlüftung
- Röhrenfedermanometer, Drucktransmitter mit Display
- Drosselgeräte (Kurzventuridüse, Düse, Blende)
- Infrarot- Drehzahlmessgerät, Leistungsmessgerät
Praktikumsversuche
- Abnahmeversuche an Kreiselpumpen- Kreiselpumpenversuch
- Volumen- und Massenstrommessung in Flüssigkeiten
- Axialventilator
Für Kennlinienmessungen an einer Axialmaschine wird der Axialventilator des Windkanals der TH Lübeck verwendet. Der Ventilator des Herstellers Babcock hat die die Typbezeichnung AXN 12/56/1120 R2. Der Antrieb ist außenliegend und über ein Riemengetriebe mit dem Ventilator verbunden. Bei 1400 min-1 erzeugt die Maschine einen Volumenstrom von 97000 m³/h bei einer Gesamtdruckdifferenz von 1400 Pa mit einer Kupplungsleistung von 53 kW. Der Laufraddurchmesser beträgt 1120 mm. Das Laufrad ist aus Aluminium und hat 12 im Stillstand stufenlos verstellbare Laufradschaufeln. Der Ventilator ist mit einem Nachleitwerk ausgestattet, das aus 16 Leitschaufeln besteht.
Messtechnik
- Mobiles Messdatenerfassungssystem
- Barometer, Hygrometer
- 1 traversierbares Prandtlrohr und 1 traversierbare Fünflochsonde mit Thermoelement
- Schrägrohrmanometer, U-Rohrmanometer, digitale Differenzdruckmessgeräte
- Digitalmultimeter
- LAN Druckscanner Netscanner 98RK-1 für 48 Kanäle
Praktikumsversuche
- Axialventilator
- Mobiles Messdatenerfassungssystem
Um an verschiedenen Prüfständen in mehreren Gebäuden Messungen durchführen zu können, wurden einige wesentliche Geräte in einem mobilen Rack zusammengefasst. Es enthält zwei Messdatenerfassungssysteme mit Steckplätzen für Module unterschiedlicher Funktion wie 20 Kanal-Multiplexer, 16 Kanal Digital Ausgang, 16 Kanal Digitaleingang mit Counter Funktion etc..
Zur Versorgung von Sensoren und Schrittmotoren sind Netzteileinschübe eingebaut. Zur Schrittmotorsteuerung ist ein Schrittmotorcontroller montiert. Die Kommunikation mit dem jeweiligen Messrechner erfolgt über GBIP, USB und LAN Schnittstellen.
Die Software zur Steuerung des mobilen Messdatenerfassungssystems und zur Auswertung der Messungen wird mit der grafischen Entwicklungsumgebung Keysight VEE Pro und der Programmiersprache Delphi im Hause erstellt.
- Für Strömungssimulation
Software
Für die Strömungssimulation werden 2 Softwaresysteme eingesetzt. Als kommerzielles System wird ANSYS CFX mit Research und Academic Lizenzen verwendet. In der ANSYS Workbench Umgebung werden in der Lehre alle Module von der Geometrie über Vernetzung und Preprozessor bis zu Solver und Postprozessor verwendet. Kopplungen von CFD- Struktur Rechnungen werden gemeinsam mit der FEM-Abteilung der TH Lübeck in der Workbench realisiert.
Als zweites Softwaresystem steht OpenFOAM als Open Source Code zur Verfügung. Dieses beinhaltet Gittergeneratoren, verschiedene Solver und ParaView als Postprozessor. Schnittstellen ermöglichen den Datenaustausch zwischen beiden Systemen.
Hardwareausstattung
Beide Software-Pakete sind auf einem Rechencluster mit 128 Kernen installiert. Dieser ermöglicht das parallele Rechnen von mehreren Jobs. Die Jobverwaltung wird mittels Remote Solver Lösungen durchgeführt. Des weiteren stehen zwei Workstations mit erhöhter Rechen- und Grafikkapazität für das Postprocessing und das Aufsetzen der CFD- Rechnungen zur Verfügung. Über das Hochschulnetz sind diese Kapazitäten in Lernräumen mit Arbeitsplatzrechnern und Büros für die Studierende und Mitarbeiter verfügbar.
