SB1 - Grundlagen, Kennzahlen, Pumpen, Wasserturbinen Flashcards
Worin besteht der wesentliche Unterschied zwischen Kraft- und Arbeitsmaschinen?
Kraftmaschinen entziehen einem Arbeitsmedium Energie und setzen sie in mechanische um.
Arbeitsmaschinen nutzen mechanische Energie, um die Energie des Arbeitsmediums zu erhöhen.
Was sind die beiden wichtigsten Arbeitsmedien der Kraft- und Arbeitsmaschinen und worin gleichen und unterscheiden sie sich?
Flüssigkeiten und Gase, kurz Fluide genannt. Flüssigkeiten sind praktisch inkompressibel, Gase nicht. Flüssigkeiten haben eine etwa tausendfach höhere Dichte als Gase.
Die Maschinen können im Ganzen oder in ihren Bauteilen als Systeme aufgefasst werden. Charakterisieren Sie den allgemeinen Systembegriff, und nennen und beschreiben Sie die ver- schiedenen Systeme.
Systeme sind von ihrer Umgebung abgegrenzte Stoffmengen oder räumliche Bereiche mit gedachten oder realen Systemgrenzen. Es gibt insbesondere
#abgeschlossene Systeme, die weder Masse noch Energie mit ihrer Umgebung austau- schen;
#geschlossene Systeme, die keine Masse, jedoch Energie mit ihrer Umgebung austauschen und
#offene Systeme, die sowohl Masse als auch Energie mit ihrer Umgebung austauschen;
#adiabate Systeme, die wärmedicht (d.h. thermisch ideal isoliert) sind und als geschlossene oder offene Systeme den Austausch von Energie nur in Form von Arbeit zulassen;
#homogene Systeme, die aus einer Phase (einem Stoff einheitlichen physikalischen Eigen- schaften) bestehen, und heterogene, die sich aus mehreren Phasen zusammensetzen.
Änderungen in einem System werden durch Zustandsgrößen beschrieben. Nennen Sie die drei thermischen Zustandsgrößen, und beantworten Sie dazu folgende Fragen:
(1) Wie wird der Zusammenhang zwischen Masse und Volumen ausgedrückt?
(2) Wie setzt sich der Druck im Inneren eines Systems zusammen?
(3) Worin besteht der Unterschied zwischen der thermodynamischen und der Celsius- Temperatur?
Volumen, Druck und Temperatur.
(1) Der Zusammenhang lässt sich über die Dichte ρ = m/V ausdrücken.
(2) Aus dem Druck, der sich aus der Summe der äußeren Belastungen und des Eigengewichts des Fluids ergibt.
(3) Der Zusammenhang zwischen der Celsius-Tempertur t und der Kelvin-Temperatur T
wird über die Gleichung t = T – 273,15 K zum Ausdruck gebracht.
Nennen Sie Kriterien, nach denen man das Verhalten von Strömungen beurteilen kann?
inkompressible und kompressible Strömungen;
Kriterien sind:
Bringen Sie die Begriffe „beschleunigte, verzögerte Strömung“ und „günstig, ungünstig“ in Verbindung, und begründen Sie Ihre Feststellung.
Beschleunigte Strömung ist günstig; verzögerte Strömung ungünstig, da sie ablösungsgefährdet ist und höhere Verluste aufweist.
Wie lautet das nach der EULERschen Hauptgleichung formulierte Wirkungsprinzip einer Strömungsmaschine?
Die für die Funktion der Strömungsmaschine notwendige Dralländerung des Fluids wird durch eine Umlenkung der Strömung erreicht.
Aus welchen Energieformen setzt sich die Gleichung von BERNOULLI zusammen?
Potenzielle Energie, kinetische Energie und Druckenergie.
Welche Rolle spielen Viskosität und REYNOLDS-Zahl bei der Definition realer Fluide?
Fluide heißen real, wenn beim Fließen Reibung auftritt. Eine stoffabhängige Kenngröße der Reibung ist die Viskosität oder Zähigkeit. Strömungen realer Fluide zeichnen sich zudem durch mehr oder weniger stark ausgeprägte Turbulenz aus, die u.a. von der Dichte, Viskosität und Fließgeschwindigkeit des Fluids abhängt und mit der REYNOLDS-Zahl bestimmt werden kann.
Nennen Sie notwendige Bedingungen für eine Strömungsablösung.
Verzögerte Strömung und Wandreibung.
An der Wand erfolgt durch Reibung eine zusätzliche Verringerung der kinetischen Energie. In Strömungsrichtung nimmt der Druck zu, die Fluidteilchen kommen zum Stillstand und lösen sich von der Wand.
Ausgegangen wird von einem rotierenden Propeller. Wo müssen Instrumente angeordnet werden, um die Relativ- und Absolutgeschwindigkeit des Fluids w und c und die Führungsgeschwindigkeit u an einer definierten Stelle der Austrittskante zu messen?
Relativgeschwindigkeit w: am rotierenden Propellerblatt.
Absolutgeschwindigkeit c: im gleichen Abstand von der
Achse wie das Gerät für die Messung von w, jedoch hinter dem Propellerblatt feststehend angeordnet (z.B. auf einem Fundament). Führungsgeschwindigkeit u: Gemessen wird die Drehzahl, aus der u = r ⋅ berechnet wird.
Vergleichen Sie die Baulängen von Düse und Diffusor für vergleichbare Bedingungen, und geben Sie eine Begründung für ausgewiesene Unterschiede.
Düse kurz; Diffusor lang, da ablösungsfrei nur eine Verzögerung möglich ist, die einem Kegeldiffusor von etwa max. 8° entspricht.
Was ist Kavitation?
Wenn an Energie umsetzenden Bauteilen (wie dem Laufrad einer Kreiselpumpe oder dem Unterwasserflügel eines Tragflächenbootes) der örtliche Druck unter den Dampfdruck der Flüssigkeit sinkt, bilden sich örtlich begrenzt Dampfbläschen. Beim Kondensieren der Dampfbläschen erfolgen im mikroskopischen Maßstab Implosionen, die die Werkstoffoberfläche erodieren. Dieser Vorgang heißt Kavitation.
Ein Flugzeug hat verhältnismäßig große Tragflächen, ein Tragflächenboot nur sehr kleine. Erklären Sie das.
Die Dichte des Wassers ist etwa 800 mal so groß wie die der Luft. So können mit kleinen Flächen bei kleiner Geschwindigkeit große Kräfte übertragen werden [s. Gl. (1.35)].
Turbinenschaufeln sind dick und stark gekrümmt, Verdichterschaufeln dünn und mit geringer Wölbung. Warum ist das so?
Die beschleunigte Strömung in einer Turbine ermöglicht ablösungsfreie Umströmung eines dicken, stark gewölbten Profils. Umgekehrtes gilt für die Verdichterschaufel.
Vergleichbarkeit vorausgesetzt: Kann eine Turbinenstufe eine größere oder eine kleinere Leistung umsetzen als eine Verdichterstufe? Begründen Sie Ihre Antwort.
Folgt aus Antwort 1.16): Nach der EULERschen Gleichung kann die Turbine pro Stufe eine höhere Leistung umsetzen als der Verdichter.
Kann der Druck in einer Flüssigkeit unter den Dampfdruck sinken?
Nein. Beim Versuch, den Druck unter den zur Flüssigkeitstemperatur (= Siedetemperatur) gehörenden Dampfdruck pD abzusenken, erhöht sich die Dampfmenge.
Kann grundsätzlich auch kaltes Wasser in einem aus Maschine und Rohrleitung bestehendem System sieden? Wenn ja, welche Bedingungen müssen an den entsprechenden Stellen erfüllt sein?
Ja, an diesen Stellen ist der statische Druck gleich dem Dampfdruck. Charakteristische Stellen sind hochgelegene Leitungsteile mit hoher Strömungsgeschwindigkeit (Engstellen) bei insgesamt niedrigem Druckniveau.
Auf welchen Gesetzen basieren die Kennzahlen?
Die Kennzahlen basieren auf den Modellgesetzen.
Erklären Sie die spezifische Drehzahl nq.
Die spezifische Drehzahl nq ist die Drehzahl einer geometrisch ähnlichen Strömungsmaschine
mit folgenden Daten: H = 1 m ; V = 1 m3/s. Die Umrechnung mit Modellgesetzen auf definierte Daten ermöglicht den Vergleich der Maschinen untereinander.
Ordnen Sie − soweit möglich − folgende Begriffe einander zu: Langsamläufer, Schnellläufer, axiales/radiales Laufrad, hohe/niedrige spezifische Drehzahl und hohe/niedrige Betriebsdrehzahl.
Radiales Laufrad, Langsamläufer, niedrige spezifische Drehzahl, hohe Druckzahl, niedrige Lieferzahl.
Axiales Laufrad, Schnellläufer, hohe spezifische Drehzahl, niedrige Druckzahl, hohe Lieferzahl.
Kann unter vergleichbaren Bedingungen ein radiales Laufrad einen höheren oder niedrigeren Druck als ein Axialrad erzeugen?
Höheren Druck infolge der Fliehkraftwirkung der radialen Strömungsrichtung.
Eine Kennlinie kann mit dimensionsbehafteten Größen oder mit Kennzahlen dargestellt werden. Was ist der grundsätzliche Unterschied?
Die Kennlinien mit dimensionsbehafteten Größen gelten für eine konkrete Pumpe, die mit einer bestimmten Drehzahl läuft.
Die Kennlinie mit den Kennzahlen gelten für modellähnliche Pumpen mit beliebiger Drehzahl. Für eine vorgegebene Pumpe (d; n) werden sie umgerechnet.
Welches Diagramm nennt man Rohrleitungslinie/Anlagenkennlinie?
Bei diesem Diagramm ist über dem Volumenstrom V der Strömungsverlust H = ∆p/(ρ ⋅ g) aufgetragen.
Die Kurve ist wegen der quadratischen Abhängigkeit eine nach oben offene Parabel. Die parallel um ∆hgeod nach oben verschobene Parabel gibt den Energiebedarf (H ⋅ g = Y) der Anlage in Abhängigkeit vom Volumenstrom wider (Anlagenkennlinie).
