Mitteilungen des Hydraulischen Instituts der Technischen Hochschule München: Heft 5 9783486765786, 9783486765779

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Mitteilungen des Hydraulischen Instituts derTechnischen Hochschule München Herausgegeben vom Institutsvorstand

D.Thoma Dr.-Ing., o. Professor

Heft 5 mit 76 Abbildungen

M ü n c h e n u n d Berlin 1 9 3 2

Verlag von R. Oldenbourg

Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung, vorbehalten. Copyright 1932 by R. Oldenbourg, München und Berlin.

Druck von R. Oldenbourg, München und Berlin.

Vorwort. Die F o r s c h u n g s a r b e i t e n ,

über

die in

dem vorliegenden f ü n f t e n H e f t der

Mitteilungen

b e r i c h t e t w i r d , sind v o n d e r N o t g e m e i n s c h a f t d e r D e u t s c h e n W i s s e n s c h a f t u n t e r s t ü t z t Der Notgemeinschaft Zeiten

dem

gebührt

ganz

besonderer Dank

Institut Mittel zugewendet

Arbeiten ermöglicht

hat,

dafür, daß

sie t r o t z

die bei s p a r s a m e r W i r t s c h a f t

worden.

der Ungunst

der

den Abschluß

der

haben.

Die A r b e i t e n w u r d e n a u ß e r d e m g e f ö r d e r t d u r c h die F i r m a A. O t t in K e m p t e n , M e ß f l ü g e l f ü r die U n t e r s u c h u n g e n

von

welche

A n l a u f t z u r V e r f ü g u n g s t e l l t e , u n d d u r c h die

J . M. V o i t h in H e i d e n h e i m , w e l c h e d a s f ü r die A r b e i t v o n R i e m e r s c h m i d

Firma

b e n ö t i g t e , im H i n -

blick auf d e n k l e i n e n M a ß s t a b n u r s e h r s c h w i e r i g h e r s t e l l b a r e k l e i n e T u r b i n e n l a u f r a d k o s t e n l o s lieferte.

Beiden

F i r m e n sei a u c h bei dieser G e l e g e n h e i t v e r b i n d l i c h s t

gedankt.

M ü n c h e n , i m S e p t e m b e r 1932.

D. Thoma.

Inhaltsverzeichnis. Seite

Dipl.-Ing. Fritz A n l a u f t , Hydrometrische Flügel bei schräger Anströmung

1

Dipl.-Ing. Fritz R i e m e r s c h m i d , Der Einfluß der Zähigkeit des Wassers auf die hydraulischen Eigenschaften einer kleinen Francismodellturbine

20

Dr.-Ing. Rolf V o i t l ä n d e r , Untersuchungen über die Schmierfähigkeit von ölen . . .

47

Dipl.-Ing. Rudolf W a s i e l e w s k i , Verluste in glatten Rohrkrümmern mit kreisrundem Querschnitt bei weniger als 90° Ablenkung

53

Hydrometrisehe Flügel bei schräger Anströmung. Von Dipl.-Ing. Fritz Anlauft.

Einleitung. Die Wassermessung in offenen Kanälen und Rohrleitungen mit dem hydrometrischen Flügel (Woltniann-Flügel) erfreut sich wegen ihrer leichten H a n d h a b u n g und wegen ihrer Zuverlässigkeit großen Vertrauens. Daß dieses Vertrauen berechtigt ist, geht aus den in den letzten J a h r e n an verschiedenen Stellen vorgenommenen vergleichenden Wassermessungen hervor. In der vorliegenden Arbeit, über die eine vorläufige Mitteilung in Heft 4 der Mitteilungen des Hydraulischen Instituts der Technischen Hochschule München erschienen ist, wird das Verhalten der hydrometrischen Flügel bei schräger Anströmung festgestellt, und es wird auf Vorschlag von Professor Dr.-Ing. D. T h o m a nach Mitteln gesucht, die die von der Schrägströmung herrührende Fehlanzeige der Flügel beseitigen oder vermindern.

I. Die Aufgabe, ihre Grenzen und ihre Bearbeitung. Die Grundlagen der Flügelmessung sind allgemein bekannt und brauchen hier nicht näher erörtert zu werden. Die Durchflußmenge ist: Q=

lv>.dj-,

wobei v die senkrecht zum Meßquerschnitt stehende Komponente der Wassergeschwindigkeit v ist (Abb. 1), df das Element des Meßquerschnittes bedeutet und das Integral über den ganzen Meßquerschnitt zu nehmen ist. Wenn der Winkel, den die Wassergeschwindigkeit mit der senkrecht zum Meßquerschnitt stehenden Flügelachse bildet, mit < +45°) auf verschiedene Flügelbauarten geht aus Abb. 11 hervor: v die Werte von — (j>= Flügeldrehungen pro 1 m Wagenweg bei Schrägstellung, v0 = Flügeldrehunvo gen pro 1 m Wagenweg bei gerader Anströmung, beides bei 1 m/s Fahrgeschwindigkeit) sind über v ©aufgetragen. Dabei sind auch die Cosinuslinien eingezeichnet, denen die — K u r v e eines idealen "o Flügels folgen müßte.

10

H y d r o m e t r i s c h e Flügel bei schräger A n s t r ö m u n g .

Abb. 11.

Abb. 12.

Hydrometrische Flügel bei schräger Anströmung.

11

Die m i t 1., 2., 3., 4. u n d 5. b e z e i c h n e t e n K u r v e n b e z i e h e n sich auf f o l g e n d e h a n d e l s ü b l i c h e B a u a r t e n ( A b b . 12): 1. S c h u t z r i n g f l ü g e l T y p 2. » » 3. » »

I X c N r . 1034 (90,8 m m F l ü g e l r a d d u r c h m e s s e r ) , » 3 7 1 5 (56,8 » » ), IXc » 2 7 7 2 (89,5 » » ), (gleiche B a u a r t wie N r . 1), 4. Flügel V T e x a s m i t S c h r ä g k a n t s c h a u f e l N r . 5 2 1 0 (125,0 m m F l ü g e l r a d d u r c h m e s s e r ) 5. » V » » Speichenschaufel N r . 5 2 1 0 (120,2 m m » ) V

Bei k l e i n e n W i n k e l n ( — 1 5 ° < < p < + 15°) w e i c h t die b e o b a c h t e t e — K u r v e v

bei Flügel 5

'o

a m w e n i g s t e n v o n d e r Cosinuslinie a b , die — K u r v e liegt d a b e i im g a n z e n Bereich u n t e r d e r Cosinusv

o

linie. A u f f a l l e n d ist, d a ß die Anzeige d e r drei S c h u t z r i n g f l ü g e l d e u t l i c h u n s y m m e t r i s c h ist, w ä h r e n d Flügel 4 u n d 5 eine p r a k t i s c h s y m m e t r i s c h e Anzeige e r g e b e n . Z u n ä c h s t w u r d e v e r s u c h t bei den F l ü g e l n 1, 2 u n d 3 die U n s y m m e t r i e d e r Anzeige zu beseitigen.

2. Verminderung der Unsymmetrie der Anzeige. E s liegt n a h e , die U n s y m m e t r i e d e r Anzeige d e m einseitig a n g e o r d n e t e n Z ä h l w e r k ( A b b . 13 u n d 16) z u r L a s t zu legen. Die V e r k l e i d u n g d e s Z ä h l w e r k s ( A b b . 13) f ü l l t auf d e r e i n e n Seite ( o b e n ) den R a u m zwischen d e r F l ü g e l a c h s e u n d d e r G e s t e l l i n n e n k a n t e a u s . Der vor d e m S c h u t z b l e c h

A b b . 13.

O t t - F l ü g e l , T y p I X c , Nr. 1034 mit einseitiger Verkleidung.

A b b . 14.

O t t - F l ü g e l , T y p I X c , Nr. 1034 m i t d u r c h g e h e n d e r Verkleidung.

e n t s t e h e n d e S t a u h ü g e l w i r k t auf d a s F l ü g e l r a d v e r s c h i e d e n ein, j e n a c h d e m o b er r e c h t s o d e r links v o n d e r V e r k l e i d u n g s t e h t ; bei A n s t r ö m u n g v o n links w ü r d e n n u r d a n n dieselben S t r ö m u n g s v e r h ä l t n i s s e wie bei A n s t r ö m u n g v o n r e c h t s v o r l i e g e n , w e n n b e i m W e c h s e l d e r A n s t r ö m s e i t e a u c h d e r D r e h s i n n d e r F l ü g e l s c h r a u b e u m g e k e h r t , d . h. d a s F l ü g e l r a d d u r c h ein spiegelbildliches Flügelr a d e r s e t z t w ü r d e (alle u n t e r s u c h t e n Flügel h a t t e n r e c h t s g e w u n d e n e S c h r a u b e n f l ä c h e n ) . Der E i n f l u ß d e r d e r S c h r a u b e n f l ä c h e des F l ü g e l r a d e s n o t w e n d i g e r w e i s e a n h a f t e n d e n U n s y m m e t r i e k ö n n t e g r u n d s ä t z l i c h d a d u r c h beseitigt w e r d e n , d a ß alle a n d e r e n Teile r o t a t i o n s s y m m e t r i s c h z u r F l ü g e l a c h s e a u s g e b i l d e t w e r d e n . Die Z ä h l w e r k s v e r k l e i d u n g w ä r e dabei a b e r so u n f ö r m i g a u s g e fallen u n d h ä t t e e i n e n so e r h e b l i c h e n W a s s e r w i d e r s t a n d e r z e u g t , d a ß die A u s f ü h r u n g n i c h t v e r s u c h t w u r d e . D e s h a l b b e g n ü g t e m a n sich d a m i t , d a s einseitige S c h u t z b l e c h v e r s u c h s w e i s e d u r c h eine ü b e r die g a n z e G e s t e l l b r e i t e d u r c h g e h e n d e , a n d e r G e s t e l l n a b e b e f e s t i g t e V e r k l e i d u n g zu e r s e t z e n ( A b b . 14). T h o m a , Mitteilungen d . T e c h n . Hochschule M ü n c h e n .

2

]2

Hydronictrisclie Flügel bei sehniger Anströmung.

In A b b . 15 sind d i e Versuchsergebnisse f ü r diese A u s f ü h r u n g d a r g e s t e l l t . Es w u r d e t a t s ä c h lich eine V e r m i n d e r u n g d e r U n s y i n m e t r i e erzielt. Die noch e r k e n n b a r e n A b w e i c h u n g e n sind w o h l kleinen U n g e n a u i g k e i t e n in d e r A u s f ü h r u n g des Flügelgestelles u n d d e m E i n f l u ß d e r F l ü g e l s t a n g e z u z u s c h r e i b e n , die bei d i e s e n Versuchen b ü n d i g mit der G e s t e l l u n t e r k a n t e a b s c h l o ß , also eine U n s y m m e t r i e d e r A n o r d n u n g e r z e u g t e (s. a u c h u n t e r A b s c h n i t t IV, 3, S. 9).

A b b . 15.

O t t - F l ü g e l N r . 3715 u n d N r . 1034. U n s y m m e t r i e d e r A n z e i g e .

D e r Vorteil, d e n die d u r c h g e h e n d e V e r k l e i d u n g d u r c h die V e r m i n d e r u n g d e r U n s y m m e t r i e d e r A n z e i g e b o t , w u r d e j e d o c h a u f g e h o b e n d u r c h den Nachteil des sehr g r o ß e n W i d e r s t a n d e s f ü r s t a r k e S c h r ä g s t r ö m u n g (

± 4 0 ° ) , der b e s o n d e r s bei den s c h w ä c h e r e n F l ü g e l s t a n g e n s t a r k e Erz i t t e r u n g e n v e r a n l a ß t e . Die f o l g e n d e n Versuche sind, falls n i c h t s Gegenteiliges b e m e r k t w o r d e n ist, i m m e r m i t e i n s e i t i g e r V e r k l e i d u n g d u r c h g e f ü h r t w o r d e n .

Hydrometrische Flügel bei schräger Anströmung.

13

3. Korrektur der Flügelanzeige durch Änderungen des Schutzringes. Der Zweck der im folgenden beschriebenen Versuche war durch A b ä n d e r u n g des die Ström u n g im Schraubenkreise besonders bei schräger A n s t r ö m u n g fraglos s t a r k beeinflussenden Schutz-

113$

A b b . 16. O t t - F l ü g e l , T y p I X c, N r . 2772. Flügelraddurchmesser 89,5 m m .

Ringtiefe ^

ringes bei Schutzringflügeln eine bessere Ann ä h e r u n g der zu erreichen.

v

»'o

Fiachring

Kurve an die Cosinuslinie

Der Flügel 3, mit dem diese Versuche d u r c h g e f ü h r t wurden, besitzt in der handelsüblichen A u s f ü h r u n g (Abb. 16) einen Schutzring (Flachring) nach A b b . 17. Schon bei mäßig schräger A n s t r ö m u n g m u ß sich dabei eine Ablösung an der scharfen E i n t r i t t s k a n t e des Ringes ergeben, deren Wirbel z u m Teil durch den vom Flügelrad bestrichenen R a u m abziehen. In einer ersten Versuchsreihe wurde der u n v e r ä n d e r t e Flachring parallel zu der in der Abbildung gezeichneten Normallage (a — 5,1 m m , s. Abb. 16) auf dem Flügelgestell um verschiedene Strecken nach r ü c k w ä r t s verschoben. In einer zweiten Versuchsreihe wurde eine K o m b i n a t i o n des bei s t a r k e r Verschiebung seinen eigentlichen Zweck nicht mehr erfüllenden Flachringes mit einem um das Flügelrad als Schutz herumgelegten

\

\ Profi/ring

/ 4

b" —

a*1,9

m A b b . 17.

2*

14

Hydrometrische Flügel bei schräger Anströmung.

Profilring u n t e r s u c h t . In der dritten Versuchsreihe wurden schließlich unter Fortlassung d e s Flachringes verschiedene, nicht nach rückwärts verschobene Profüringe untersucht. Der Schutzringfliigel Typ I X c von Ott, der f ü r alle Versuchsreihen benutzt wurde, ist im Abb. 16 mit dem normalen Flachring dargestellt. Dieser Flachring ist auf dem Gestell durch S c h r ä u b chen befestigt, deren Mittellinie bei 0 angegeben ist. Zwecks Verschiebung des Ringes wurden imi Gestell noch andere, weiter zurückliegende Gewindelöcher 1, 2, 3, 3', 4 und 5 derart vorgesehen,, d a ß der Ring bis zu 40 nun nach rückwärts verschoben werden konnte. Zur Kennzeichnung d e r Ringstellung bei den Versuchen soll der Abstand a von der Eintrittsebene des Ringes bis zu d e r Ebene dienen, in der die Eintrittskanten der Flügelschaufeln liegen. Bei dem Flügel Nr. 2772 im handelsüblicher Anordnung ist, wie e r w ä h n t , a = 5 , l mm. Die Austrittskanten des Flügelrades sind 28 mm von der Ebene der Eintrittskanten entfernt, der Flachring ist 20 mm tief. Die L i c h t weite des Ringes war bei allen Versuchsringen 113 mm. Bei allen Versuchen wurden die äußerem Versuchsbedingungen wie z. B. Eintauchtiefe, Flügelstange und Einbauart gleichgehalten, soferni nichts Gegenteiliges bemerkt ist. 1. V e r s u c h s r e i h e : V e r s c h i e b u n g d e s

Flachringes.

In Abb. 18 ist abhängig vom Winkel

2

—U

1W000

1,5 160000

2

5 180000

5,5 200000

6 220000

R/d= 2; t = n,0°C

0,5 20000

SOOOO

t-5

3,5

2,5

1,5 WOOO

80000

mooo

120000

160000

5,5

180000

200000

220000

R/d=4 •t = nfi°c •° 5

1

1,5

2,5

2

3

20000

WOOO

60000

80000

100000

20000

WOOO

60000

80000

100000

¥.5

3,5 120000

5

n 5,5

I

6

1W000

160000

180000

200000

220000

1WOOO

160000

180000

200000

22000i

R/d=10: t= 13,3"C v

[m/s] 1,5 20000

WOOO

60000

2,5

V.5

3,5

100000

—

120000 Re —~

Abb. 14.

mooo

160000

5.5

180000

200000

6 220000

Verluste in g l a t t e n R o h r k r ü n i i r e r n mit kreisrundem Querschnitt bei weniger als 90" A b l e n k u n g .

Widerstandsbeiwerte

für 60° Ablenkung abhängig von Re =

Abb. 15.

v.d

'

Verluste in glatten R o h r k r ü m m e r n mit kreisrundem Querschnitt bei weniger als 90° Ablenkung.

Widerstandsbeiwerte für 75°Ablenkung abhängig von Re= "^r ' 0,15

0,10

0,05 0,15

i

0,10

|

0,05 0,15

0,10

0,05

Re Abb. 16.

v-d

% abhängig von Rg = jl

10

t,bi ¡15°

: V

2

20000

— - ~ --j

10000

60000

80000

6 1 f 2

10

20000

-

120000

110000

160000

180000

200000

220000

WOOO

60000

.

30000

> 1

2

100000

Z bei Z2Vz°

\

•—-.J

10

bei verschiedenem R/d.

100000

120000

110000

160000

180000

200000

220000

160000

180000

200000

220000

160000

180000

200000

220000

%be>' 3 0 ° —

20000

WOOO

60000

80000

100000

120000

140000

Kbe ¡45°

2

?

6 20000

-

WOOO

60000

80000

100000

120000

110000

Kbet 60°

\

\

X.

_

-

\

'/

—

? — -

20000

WOOO

60000

80000

100000

••

120000

110000

ReAbb. 17.

160000

180000

200000

220000

Verluste in g l a t t e n

R o h r k r ü m m e r n m i t k r e i s r u n d e m Q u e r s c h n i t t bei w e n i g e r als 90° A b l e n k u n g .

67

Bei den Ablenkungen von 15° und 22l/,° sind die Unterschiede der Verluste für verschiedene R/d so klein, daß sie nicht mit Sicherheit festzustellen sind (Abb. 17). Es können hier die Widerstandsbeiwerte als unabhängig von R/d angesehen werden. Bei 30° Ablenkung jedoch beginnt der Krümmer mit einem Krümmungsverhältnis R/d = 1 merklich schlechter zu werden als

A b b . 18. W i d e r s t a n d s b e i w e r t e bei verschiedenem R/d a b h ä n g i g vorn Ablenkungswinkel