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klausur hydromechanik ii

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SS 2005<br />

Prüfungstermin: 13. Oktober 2005<br />

K L A U S U R HYDROMECHANIK II<br />

- ohne Unterlagen -<br />

- Dauer 60 Minuten -<br />

N A M E :<br />

V O R N A M E:<br />

Matrikel- Nr.:<br />

Aufgabe 1 2 3 4 Summe<br />

Zeitbedarf 8 12 15 25 60<br />

erreichte<br />

Punkte<br />

Note


Klausur Grundfach - Hydromechanik II SS 2005, 13.10.2005 2<br />

Aufgabe 1:<br />

Zeit: 8 min.<br />

Die in Abb. 1.1 dargestellte Filterschicht mit der Höhe H = 0,7 m und der<br />

Querschnittsfläche A = 0,3 m² wird von Wasser stationär durchströmt (Q A = Q E ); d.h.<br />

der Wasserstand wird konstant auf einer Höhe von h = 0,7 m gehalten. Der freie<br />

Wasserspiegel im oberen Behälter entspricht der Oberkante der Filterschicht.<br />

g = 9,81 m/s 2<br />

ρ w = 1000 kg/m³<br />

Q A<br />

h = 0,7 m<br />

Filterschicht<br />

(Höhe H = 0,7 m;<br />

Querschnitt A = 0,5 m²,<br />

k f =1·10 -7 m/s)<br />

Q A = Q E<br />

Auffangbehälter<br />

Abb. 1.1:<br />

Filterschicht und Auffangbehälter<br />

a) Bestimmen Sie die Zeit t 50 , nach der eine Wassermenge von V = 50 l die<br />

Filterschicht durchsickert hat!<br />

b) Beantworten Sie die folgenden Fragen stichwortartig:<br />

Wie ändert sich die Zeit t 50 , wenn<br />

i. - der Wasserstand erhöht wird<br />

<strong>ii</strong>. - der Durchlässigkeitsbeiwert k f der Filterschicht steigt<br />

<strong>ii</strong>i. - eine Flüssigkeit mit geringerer Viskosität verwendet wird


Klausur Grundfach - Hydromechanik II SS 2005, 13.10.2005 3<br />

Lösung Aufgabe 1:<br />

a)<br />

Q = A⋅ v v = k ⋅ I<br />

Δh<br />

I =<br />

Δl<br />

mit Δ h = 0,7m und Δ l = 0,7m<br />

0,7m<br />

I = = 1, 0<br />

0,7m<br />

m<br />

v = 110 ⋅ ⋅ 1,0=<br />

10<br />

m<br />

Q= 0,5m<br />

⋅ 10 = 5⋅10<br />

s<br />

2 −7 −8<br />

−7 −7<br />

m<br />

s<br />

s<br />

3<br />

V 0,05m<br />

V = Q⋅t → t = = = 1.000.000s= 277,78h=<br />

11,57d<br />

Q<br />

−8<br />

m³<br />

510 ⋅<br />

s<br />

b)<br />

i. erhöhter Wasserstand führt zu erhöhtem I und somit zu größerer<br />

Sickergeschwindigkeit t 50 sinkt daher<br />

<strong>ii</strong>.<br />

<strong>ii</strong>i.<br />

erhöhter k f -Wert führt ebenfall zu einer erhöhten Sickergeschwindigkeit<br />

t 50 sinkt<br />

geringere Viskosität führt einer geringeren inneren Reibung der<br />

Flüssigkeit, der Widerstand beim Durchsickern sinkt, die<br />

Sickergeschwindigkeit steigt t 50 sinkt


Klausur Grundfach - Hydromechanik II SS 2005, 13.10.2005 4<br />

Aufgabe 2:<br />

Zeit: 12 min.<br />

An der Sohle des in Abb. 2.1 dargestellten rechteckigen Kanals der Breite b = 3,0 m<br />

ist eine Sohlschwelle der Höhe s = 0,4 m eingebaut. Der Abfluss im Kanal beträgt<br />

Q = 4,0 m³/s bei einer von der Sohlschwelle unbeeinflussten Wassertiefe von<br />

h = 1,0 m.<br />

g = 9,81 m/s 2<br />

ρ w = 1000 kg/m³<br />

b = 3,0 m<br />

h s<br />

= <br />

s = 0,4 m<br />

b = 3,0 m<br />

Wasser<br />

Sohlschwelle<br />

<br />

Q = 4,0 m³/s<br />

h = 1,0 m<br />

h s<br />

s = 0,4 m<br />

Sohlschwelle<br />

Abb. 2.1:<br />

Kanalsohle mit Schwelle<br />

Bitte beantworten Sie die folgenden Fragen:<br />

Bildet sich vor der Schwelle ein Aufstau Sollte es zu einem Aufstau kommen, so<br />

geben Sie die erforderliche Mindestenergiehöhe vor der Schwelle an, um den<br />

Abfluss Q = 4,0 m³/s über die Sohlschwelle abzuführen.<br />

Bestimmen sie eine mögliche Wassertiefe hs über der Sohlschwelle, wenn eine<br />

Energiehöhe von hE = 1,5 m vor der Schwelle zur Verfügung steht


Klausur Grundfach - Hydromechanik II SS 2005, 13.10.2005 5<br />

Lösung Aufgabe 2:<br />

a)<br />

Um zu bestimmen, ob sich vor der Schwelle ein Aufstau bildet, muss die Energie<br />

bestimmt werden, die erforderlich ist, um den gegebenen Abfluss über die<br />

Sohlschwelle abzuführen. Diese erforderliche Energie wird mit der Energie<br />

verglichen, die im Fließquerschnitt vor der Schwelle vorhanden ist. Ist diese Energie<br />

geringer als die erforderliche Energie über der Sohlschwelle, so kommt es zu einem<br />

Aufstau VOR der Schwelle.<br />

Vorhandene Energie vor der Schwelle:<br />

2 2<br />

v0<br />

1,333<br />

+ h0 = hEvorh<br />

,<br />

= + 1,0 = 1,091m<br />

2⋅g<br />

2⋅9,81<br />

mit<br />

Q Q 4,0 m<br />

Q= A⋅ v v0<br />

= = = = 1, 33<br />

A b⋅h<br />

3, 0 ⋅1, 0 s<br />

0 0<br />

Erforderliche Energie über der Schwelle:<br />

2 2<br />

vgr<br />

2,356<br />

+ hgr<br />

+ s= hE , erf<br />

= + 0,566 + 0,4 = 1,249m<br />

2⋅g<br />

2⋅9,81<br />

mit<br />

3<br />

Q 4,0 m<br />

q = = = 1,333<br />

b 3, 0 s⋅m<br />

h<br />

v<br />

1, 33<br />

9,81<br />

2 2<br />

3 3<br />

gr<br />

= = =<br />

gr<br />

q<br />

g<br />

0,566m<br />

m<br />

= g⋅ hgr<br />

= 9,81⋅ 0,566 = 2,356<br />

s<br />

Die erforderliche Energie über der Schwelle beträgt h E,erf = 1,249 m. Vor der<br />

Schwelle steht aber nur eine Energie von h E,vorh = 1,091 m zur Verfügung. Somit<br />

kann das anströmende Wasser nicht vollständig abgeführt werden und es kommt zu<br />

einem Aufstau vor der Schwelle. Durch den Aufstau steigt die Energie vor der<br />

Schwelle an. Erreicht diese Energie die notwendige Energie h E,erf , so wird das<br />

anströmende Wasser vollständig abgeführt und es kommt zu keinem weiteren<br />

Aufstau. Es stellt sich ein stationärer Zustand ein.<br />

b)<br />

Bei bekannter Energiehöhe VOR der Schwelle (aufgrund der Energieerhaltung muss<br />

diese Energiehöhe natürlich auch ÜBER der Schwelle vorhanden sein, lässt sich die<br />

Bernoulli-Gleichung für die Grenztiefe nach h auflösen:


Klausur Grundfach - Hydromechanik II SS 2005, 13.10.2005 6<br />

2<br />

vs<br />

+ hs<br />

+ s= 1, 5m mit s=<br />

0, 4m<br />

2⋅<br />

g<br />

Q 4,0 1<br />

Q= A⋅ v= b⋅hs⋅ vs vs<br />

= = = 1, 333⋅<br />

b⋅h 3, 0 ⋅h h<br />

⎛ 1 ⎞<br />

⎜1,333⋅<br />

⎟<br />

hs<br />

→<br />

⎝ ⎠<br />

+ hs<br />

+ 0, 4 = 1,5m<br />

2⋅<br />

g<br />

2<br />

1,333<br />

2⋅g⋅h<br />

2<br />

s<br />

2<br />

3 3 2<br />

s<br />

s<br />

3 2<br />

s<br />

s<br />

+ h = 1,1m<br />

s<br />

1, 333 + 2 ⋅g⋅ h = 1,1⋅2<br />

⋅g⋅h<br />

h<br />

−1,1⋅ h + 0,091 = 0<br />

s s s<br />

Durch ausprobieren lässt sich eine mögliche Lösung h s = 1,0 m leicht finden.<br />

Betrachtet man sich die Werte, dann drängt sich diese einfache Lösung geradezu<br />

auf. Zusätzlich gab es beim Vorlesen der Klausuraufgaben den Hinweis, dass die<br />

gesuchte Lösung aus einer geraden Zahl besteht.


Klausur Grundfach - Hydromechanik II SS 2005, 13.10.2005 7<br />

Aufgabe 3:<br />

Zeit: 15 min.<br />

Ein Freispiegelgerinne mit dem in Abb. 3.1 dargestellten Querschnitt und einer<br />

Sohlneigung von I = 1,5 ‰ soll umgebaut werden. Für die Bemessung des neuen<br />

Querschnitts müssen jedoch noch Berechnungen für den derzeitigen wie für den<br />

geplanten Querschnitt durchgeführt werden.<br />

g = 9,81 m/s 2<br />

ρ w = 1000 kg/m³<br />

k st,1 = 80 m 1/3 /s<br />

k st,2 = 60 m 1/3 /s<br />

I = 1,5 ‰<br />

k st,2 , I<br />

k st,2 , I<br />

1,6 m<br />

1,5 m<br />

k st,1<br />

h 1 =2,0 m<br />

h 2 =0,7m<br />

k st,1 , I<br />

2,1 m<br />

1,0 m<br />

1,0 m 3,0 m<br />

2,0 m<br />

Abb. 3.1:<br />

Gerinnequerschnitt im Ist-Zustand<br />

a) Wie groß ist der Abfluss Q a im Ist-Zustand (s. Abb. 3.1) bei einer Wassertiefe<br />

von h 1 = 2,0 m<br />

b) Ermitteln Sie, welcher Fließzustand (schießen/strömen/Grenzzustand) im Ist-<br />

Zustand bei einem Wasserstand von h 2 = 0,7 m vorliegt.


Klausur Grundfach - Hydromechanik II SS 2005, 13.10.2005 8<br />

k st,3 = 100 m 1/3 /s<br />

I = 1,5 ‰<br />

k st,3 , I<br />

k st,3 , I<br />

R<br />

k st,3 , I<br />

Abb. 3.2:<br />

Gerinnequerschnitt für den geplanten Ausbau<br />

c) Nach dem Umbau soll das Gerinne den in Abb. 3.2 gezeigten Querschnitt<br />

besitzen (Halbkreisquerschnitt mit anschließenden geneigten Vorländern).<br />

Wie muss der Radius R des Halbkreisquerschnitts gewählt werden, wenn der<br />

in a) berechnete Abfluss Q a genau im Hauptgerinne abgeführt werden soll,<br />

ohne dass die Vorländer überflutet werden.<br />

(Wenn sie Q a in Aufgabe a) nicht berechnet haben, dann verwenden Sie<br />

Q a ’=20 m³/s.)


Klausur Grundfach - Hydromechanik II SS 2005, 13.10.2005 9<br />

Lösung Aufgabe 3:<br />

a)<br />

Überprüfung Hauptgerinne<br />

Q = v⋅<br />

A<br />

Q = v ⋅ A<br />

i<br />

∑<br />

ges i i<br />

n=<br />

1<br />

Bestimmung des Durchflusses Q 1 (Hauptgerinne)<br />

= ⋅ ⋅<br />

0,5 2<br />

v k 3<br />

st,1<br />

I R<br />

A<br />

R = U<br />

Q = v ⋅A<br />

1 1 1<br />

v = k ⋅I ⋅R<br />

0,5 2 3<br />

1 st,1 1<br />

A1<br />

R1<br />

=<br />

U<br />

=<br />

1<br />

2m⋅3m<br />

( 22m ⋅ + 3)<br />

= 6 m<br />

Bestimmung des Durchflusses Q 2<br />

7<br />

⎛ 1/3<br />

m<br />

0,5<br />

1 s<br />

6<br />

⎜<br />

⎝<br />

3<br />

= 16,77<br />

m s<br />

( )<br />

2 3 ⎞<br />

Q = 80 ⋅0,0015 ⋅ m ⋅2m ⋅3m<br />

7 ⎟<br />

⎠<br />

Q = v ⋅A<br />

2 2 2<br />

v = k ⋅I ⋅R<br />

R<br />

0,5 2 3<br />

2 st,2 2<br />

2<br />

A<br />

=<br />

U<br />

=<br />

2<br />

2<br />

0,5m ⋅1m<br />

( 0,5m + 1m )<br />

= 1 m<br />

Bestimmung des Durchflusses Q 3<br />

3<br />

⎛ 1/3<br />

m<br />

0,5<br />

2 s<br />

1<br />

⎜<br />

⎝<br />

3<br />

= 0,56<br />

m s<br />

( )<br />

2 3 ⎞<br />

Q = 60 ⋅0,0015 ⋅ m ⋅0,5m⋅1m<br />

3 ⎟<br />


Klausur Grundfach - Hydromechanik II SS 2005, 13.10.2005 10<br />

Bestimmung von Q ges<br />

b)<br />

Q = v ⋅A<br />

3 3 3<br />

v = k ⋅I ⋅R<br />

R<br />

0,5 2 3<br />

3 st,3 3<br />

3<br />

A<br />

=<br />

U<br />

=<br />

3<br />

3<br />

1m ⋅ 2m<br />

( 1m + 2m)<br />

= 2 m<br />

Bestimmung des Fließzustandes<br />

Bestimmung des Durchflusses Q 0,7<br />

3<br />

⎛ 1/3<br />

m<br />

0,5<br />

3 s<br />

2<br />

⎜<br />

⎝<br />

3<br />

= 3,55<br />

m s<br />

( )<br />

2 3 ⎞<br />

Q = 60 ⋅0,0015 ⋅ m ⋅1m⋅2m<br />

3 ⎟<br />

⎠<br />

Q = v ⋅A<br />

Q = Q + Q + Q<br />

0,7 0,7 0,7<br />

ges 1 2 3<br />

= 16,77 + 3,55 + 0,56<br />

= 20,88<br />

v = k ⋅I ⋅R<br />

R<br />

0,5 2 3<br />

0,7 st,1 0,7<br />

0,7<br />

A<br />

=<br />

U<br />

=<br />

0,7<br />

0,7<br />

0,7m ⋅3m<br />

( 20,7m ⋅ + 3)<br />

=<br />

2,1<br />

m<br />

4, 4<br />

⎛<br />

3 3 3<br />

m m m<br />

s s s<br />

3<br />

m s<br />

2,1<br />

( 4, 4 )<br />

2<br />

1/3<br />

0,5<br />

3<br />

Q<br />

m<br />

1<br />

= ⎜80 s ⋅0,0015 ⋅ m ⎟⋅0,7m⋅3m<br />

⎝<br />

⎠<br />

3<br />

= 3,98<br />

m s<br />

⎞<br />

2<br />

q<br />

h 3<br />

gr<br />

=<br />

g<br />

2<br />

⎛Q0,7<br />

⎞<br />

⎜ ⎟<br />

3 b<br />

=<br />

⎝ ⎠<br />

g<br />

Bestimmung der Grenztiefe h gr<br />

( )<br />

Bestimmung des Fließzustandes<br />

=<br />

3<br />

1, 32<br />

2 2<br />

m s<br />

9,81<br />

= 0,56m<br />

m<br />

2<br />

s<br />

2<br />

Strömen, wenn h > h gr bzw. v < v gr<br />

Schießen, wenn h < h gr bzw. v > v gr<br />

Strömender Fließzustand<br />

hgr<br />

= 0,56m< 0,7m = h


Klausur Grundfach - Hydromechanik II SS 2005, 13.10.2005 11<br />

c)<br />

Bestimmung des Durchmessers r<br />

hydraulischer Radius für Halbkreis<br />

A<br />

R =<br />

U<br />

2<br />

π⋅ r<br />

= 2<br />

π⋅ r<br />

r<br />

=<br />

2<br />

nach r umgestellt<br />

Q= v⋅<br />

A<br />

= I ⋅k ⋅R ⋅A<br />

1/2 2/3<br />

st,3<br />

2/3<br />

1/2 ⎛ r ⎞ π 2<br />

st,3<br />

= I ⋅k ⋅⎜<br />

⎟ ⋅ ⋅r<br />

⎝2⎠<br />

2<br />

für Q = 20 m³/s<br />

⎛ 1 2⋅Q<br />

⎞<br />

r = 2<br />

⎜<br />

3<br />

0,5 π⋅kst<br />

⋅ I ⎟<br />

⎝<br />

⎠<br />

3<br />

8<br />

für Q = 20,88 m³/s<br />

3<br />

⎛ 1 2⋅<br />

20m /s ⎞<br />

= 2<br />

⎜<br />

1/3<br />

3<br />

100<br />

m<br />

0,5<br />

s 0,0015 ⎟<br />

⎝ π⋅ ⋅ ⎠<br />

= 1,86m<br />

3<br />

8<br />

3<br />

⎛ 1 2⋅<br />

20,88m / s ⎞<br />

= 2<br />

⎜<br />

1/3<br />

3<br />

100<br />

m<br />

0,5<br />

s 0,0015 ⎟<br />

⎝ π⋅ ⋅ ⎠<br />

= 1,89m<br />

3<br />

8


Klausur Grundfach - Hydromechanik II SS 2005, 13.10.2005 12<br />

Aufgabe 4:<br />

Zeit: 25 min.<br />

In einem Pumpspeicherwerk sind das obere und das untere Becken durch eine<br />

Rohrleitung mit dem konstanten Durchmesser D = 1,0 m miteinander verbunden<br />

(Abb. 4.1). Im Pumpbetrieb wird Wasser aus dem unteren in das obere Reservoir<br />

gepumpt (Durchfluss Q P) . Im Turbinenbetrieb fließt das Wasser aus dem oberen<br />

zurück in das untere Reservoir und treibt dabei eine Turbine an (Durchfluss Q T ).<br />

Gegeben:<br />

Q T = 5,0 = m³/s Q P = 3;= m³/s D = 1,0 m ν = 1·10 -6 m²/s<br />

h 1 = 30,0 m h 2 = 80,0 m h 3 = 5,0 m h 4 = 2,0 m<br />

ξ E1 = 0,5 ξ E2 = 0,5 ξ A = 1,0<br />

ξ K1 = 0,4 ξ K2 = 0,6 ξ K3 = 0,35 k = 0,35 mm<br />

l 1 = 70,0 m l 2 = 80,0 m l 3 = 5,0 m l 4 = 3,0 m<br />

η T = 0,8 η P = 0,9 P P,max = 4.300 kW<br />

h 1 =30,0m<br />

v=0<br />

l 1 =70,0m<br />

ζ Ε1<br />

D=1,0m<br />

h 2 =80,0m<br />

h 3 =5,0m<br />

l 2 =80,0m<br />

l 3 =5,0m<br />

ζ Κ3<br />

Turbine<br />

ζ Κ1<br />

Freier<br />

ζ<br />

ζ Α<br />

Κ2 Q T Ausfluss<br />

v=0<br />

h 4 =2,0m<br />

ζ Ε2<br />

Q P<br />

l 4 =3,0m<br />

l 5 =2,0m<br />

Pumpe<br />

Abb. 4.1:<br />

Pumpspeicherwerk mit Pumpe, Turbine und Wasserreservoiren


Klausur Grundfach - Hydromechanik II SS 2005, 13.10.2005 13<br />

a) Berechnen Sie die Nettoleistung P T,netto der Turbine bei einem Durchfluss<br />

von Q T = 5 m³/s und einem Wirkungsgrad von η T = 0,8!<br />

b) Berechnen Sie die Bruttoleistung P P,brutto der Pumpe bei einem Durchfluss<br />

von Q P = 3 m³/s und einem Wirkungsgrad von η P = 0,9!<br />

c) Wird die maximale Bruttopumpenleistung von P P,max = 4.300 kW<br />

überschritten, so erfolgt eine automatische Abschaltung der Pumpe. Geben<br />

Sie an, bei welchem Wasserstand im oberen Reservoir dies der Fall ist.<br />

Anlage:<br />

MOODY-Diagramm


Klausur Grundfach - Hydromechanik II SS 2005, 13.10.2005 14<br />

Anlage 4.1:<br />

MOODY-Diagramm


Klausur Grundfach - Hydromechanik II SS 2005, 13.10.2005 15<br />

Lösung Aufgabe 4:<br />

a) Nettoleistung der Turbine<br />

Die verlustbehaftete Bernoulli-Gleichung unter Berücksichtigung einer Turbine<br />

lautet<br />

z v p z v p<br />

∑ ∑ h<br />

2g ρg 2g ρg<br />

2 2<br />

0 0 i i<br />

0<br />

+ + =<br />

i<br />

+ + + ξ<br />

E<br />

+ ξ<br />

L<br />

+<br />

Turbine<br />

Für die Bestimmung der Fließgeschwindigkeit v im Rohr wird der Durchfluss Q und die<br />

Querschnittsfläche A benötigt. Im vorliegenden Fall ist der Durchfluss Q gleich dem<br />

Turbinendurchfluss. Die Gleichung für die Bestimmung der Fließgeschwindigkeit ist<br />

Der Term<br />

∑<br />

h<br />

E<br />

QTurbine<br />

v =<br />

A<br />

QTurbine<br />

⋅ 4<br />

= π⋅<br />

2<br />

D<br />

3<br />

5m s ⋅ 4<br />

= π⋅<br />

2<br />

1m<br />

= 6,37<br />

m s<br />

berücksichtigt die Verluste infolge von Einbauten, wie Krümmern, Ein-<br />

und Ausläufen, Änderungen des Querschnitts sowie Rohrverzweigungen. Die<br />

Summe der Einzelverluste kann mit der folgenden Gleichung bestimmt werden.<br />

In dieser Aufgabe sind die Einzelverluste infolge des Ein- und Auslaufs, des<br />

Krümmers 1 und Krümmers 2 vorhanden.<br />

Der Verlustterm<br />

2<br />

vi<br />

= ξ ⋅<br />

2g<br />

2<br />

v<br />

= ( ξ<br />

E1<br />

+ξ<br />

K1<br />

+ξ<br />

K2<br />

+ξA<br />

) ⋅<br />

2g<br />

6,37<br />

= ( 0,5 + 0, 4 + 0,60 + 1)<br />

⋅ 29,81 ⋅<br />

= 5,17m<br />

∑h<br />

E ( ∑ i)<br />

2 m<br />

2<br />

2<br />

s<br />

m<br />

s<br />

2<br />

∑ hL<br />

beinhaltet die Verluste infolge der Rohrreibung. Die<br />

Bestimmung dieses Terms erfolgt über die Bestimmung des Reibungsbeiwertes λ.<br />

Der Beiwert λ wird mit der Rohrrauhigkeit, Rohrdurchmesser sowie der Reynoldszahl<br />

bestimmt.<br />

Zu erst wird das Verhältnis der Rohrrauhigkeit k und des Rohrdurchmessers D<br />

ermittelt.<br />

Berechnung der Reynoldszahl Re<br />

k 0,35mm<br />

=<br />

D 1000mm<br />

= 0,00035<br />

Re<br />

v⋅<br />

D<br />

= υ<br />

6,37 ⋅1m<br />

=<br />

10<br />

m s<br />

−6 m<br />

2<br />

s<br />

−6<br />

= 6,37 ⋅10


Klausur Grundfach - Hydromechanik II SS 2005, 13.10.2005 16<br />

Aus dem Moody-Diagramm mit k/D und Re: λ = 0,0155<br />

∑<br />

h<br />

L<br />

⎛<br />

=λ⋅<br />

⎜<br />

⎝<br />

∑<br />

D<br />

l<br />

i<br />

2<br />

⎞ vi<br />

⋅<br />

⎟<br />

⎠ 2g<br />

2<br />

⎛l1 + l2<br />

⎞ v<br />

=λ⋅⎜<br />

⋅<br />

D<br />

⎟<br />

⎝ ⎠ 2g<br />

⎛70m + 80m + 3m + 2m ⎞ 6,37<br />

= 0,0155⋅⎜<br />

⎟⋅<br />

⎝ 1m ⎠ 2 ⋅9,81<br />

= 5,13m<br />

2 m<br />

2<br />

s<br />

2<br />

m<br />

s<br />

2<br />

Anwendung der Bernoulli Gleichung für z 0 und z 1<br />

z 0 : Rohrachse Einlass im Oberbecken<br />

z 1 : Rohrachse Turbine und Auslass<br />

Umstellen der Gleichung nach h Turbine<br />

v p v p<br />

z z ∑ ∑ h<br />

2g ρg 2g ρg<br />

2 2<br />

0 0 1 1<br />

0<br />

+ + =<br />

1+ + + ξ<br />

E<br />

+ ξ<br />

L<br />

+<br />

Turbine<br />

2 2<br />

6,37 m<br />

2<br />

s<br />

80m + 0 + 30m = 0 + + 0 + 5,17m + 5,13m + h<br />

29,81 ⋅<br />

6,37<br />

110m − −5,17m − 5,13m = h<br />

29,81 ⋅<br />

m<br />

s<br />

2<br />

2 m<br />

2<br />

s<br />

2<br />

Turbine<br />

m<br />

2<br />

s<br />

Turbine<br />

Turbine<br />

6,37<br />

80m + 0 + 30m = 0 + + 0 + 5, 27m + 4,65m + h<br />

29,81 ⋅<br />

97,63m = h<br />

2 m<br />

2<br />

s<br />

2<br />

Turbine<br />

m<br />

2<br />

s<br />

Berechnung der Turbinenleistung<br />

P =η ⋅Q ⋅h ⋅ρ ⋅g<br />

Turbine Turbine Turbine Turbine W<br />

= 0,8⋅5 ⋅97,63m ⋅1000 ⋅9,81<br />

= 3831001W<br />

= 3831kW<br />

3<br />

m<br />

kg<br />

m<br />

s 3 2<br />

m s<br />

b) Bruttoleistung der Pumpe<br />

Bei der Berechnung der Pumpenleistung wird angenommen, dass die<br />

Geschwindigkeit im oberen Becken v = 0 m/s ist. Dies ist so in der Skizze angeben.<br />

Bernoulli-Gleichung mit Verlusten für die Pumpe<br />

z v p h z<br />

v p<br />

2g g 2g g<br />

2 2<br />

0 0 i i<br />

0<br />

+ + +<br />

mano<br />

=<br />

i<br />

+ + + ξ<br />

E<br />

+ ξL<br />

ρ ρ<br />

∑ ∑


Klausur Grundfach - Hydromechanik II SS 2005, 13.10.2005 17<br />

Bestimmung der Fließgeschwindigkeit v im Rohr<br />

Bestimmung der Einzelverluste<br />

∑h<br />

E ( ∑ i)<br />

Bestimmung der Rohrverluste<br />

Bestimmung des Beiwertes λ<br />

=<br />

Berechnung der Reynoldszahl Re<br />

QTurbine<br />

v =<br />

A<br />

QTurbine<br />

⋅ 4<br />

= π⋅<br />

2<br />

D<br />

3<br />

3m s ⋅ 4<br />

= π⋅<br />

2<br />

1m<br />

= 3,82<br />

2<br />

vi<br />

= ξ ⋅<br />

2g<br />

2<br />

v<br />

= ( ξ<br />

E1<br />

+ξ<br />

K1<br />

+ξ<br />

K2<br />

+ξ<br />

K3<br />

+ξE2<br />

) ⋅<br />

2g<br />

3,82<br />

= ( 0,5 + 0, 4 + 0,60 + 0,35 + 0,5)<br />

⋅ 29,81 ⋅<br />

= 1, 75m<br />

m s<br />

k 0,35mm<br />

=<br />

D 1000mm<br />

0,00035<br />

2 m<br />

2<br />

2<br />

s<br />

m<br />

s<br />

2<br />

Re<br />

v⋅<br />

D<br />

= υ<br />

3,82 ⋅1m<br />

=<br />

10<br />

m s<br />

−6 m<br />

2<br />

s<br />

−6<br />

= 3,82 ⋅10<br />

Aus dem Moody-Diagramm mit k/D und Re: λ = 0,0155<br />

∑<br />

h<br />

L<br />

2<br />

⎛ li<br />

⎞ vi<br />

=λ⋅<br />

⋅<br />

⎜<br />

D ⎟<br />

⎝ ⎠ 2g<br />

2<br />

⎛l1 + l2 + l3<br />

⎞ v<br />

=λ⋅⎜<br />

⋅<br />

D<br />

⎟<br />

⎝ ⎠ 2g<br />

⎛70m + 80m + 5m + 2m + 3m ⎞ 3,82<br />

= 0,0155⋅⎜<br />

⎟⋅<br />

⎝<br />

1m ⎠ 2 ⋅9,81<br />

= 1,84m<br />

Anwendung der Bernoulli Gleichung für z 0 und z 1<br />

z 0 Rohrachse Pumpe<br />

z 1 Rohrachse Auslass im Oberbecken<br />

∑<br />

2 m<br />

2<br />

s<br />

2<br />

m<br />

s<br />

2<br />

v p v p<br />

z h z<br />

2g ρg 2g ρg<br />

2 2<br />

0 0 1 1<br />

0<br />

+ + +<br />

mano<br />

=<br />

1+ + + ξ<br />

E<br />

+ ξL<br />

2 2<br />

3,82 m<br />

2<br />

s<br />

0 + 0 + 2m + h<br />

mano<br />

= 85m + + 30 + 1,75m + 1,84m<br />

29,81 ⋅<br />

∑<br />

m<br />

s<br />

2<br />


Klausur Grundfach - Hydromechanik II SS 2005, 13.10.2005 18<br />

Umstellen der Gleichung nach h mano<br />

0 + 0 + 2m + h = 85m + 30 + 1,75m + 1,84m<br />

mano<br />

h = 85m + 30 + 1,75m + 1,84m −2m<br />

mano<br />

= 116,6m<br />

Berechnung der Pumpenleistung<br />

1<br />

P = ⋅Q ⋅h ⋅ρ ⋅g<br />

Pumpe Pumpe mano W<br />

ηPumpe<br />

1<br />

= ⋅ 3 ⋅ 116,6m ⋅ 1000 ⋅ 9,81<br />

0,9<br />

= 3812820W<br />

= 3813kW<br />

3<br />

m<br />

kg<br />

m<br />

s 3 2<br />

m s<br />

c) Berechnung der maximalen Wasserstandsänderung im Oberbecken<br />

Die Bruttoleistung der Pumpe berechnet sich zu<br />

1<br />

P = ⋅Q ⋅h ⋅ρ ⋅g<br />

Pumpe Pumpe mano W<br />

ηPumpe<br />

Der Durchfluss Q wird beibehalten Q = 3 m³/s<br />

Verluste bleiben gleich und Geschwindigkeiten bleiben gleich!<br />

Aufstellung der Bernoulli-Gleichung<br />

z v p h z<br />

v p<br />

2g g 2g g<br />

2 2<br />

0 0 i i<br />

0<br />

+ + +<br />

mano<br />

=<br />

i<br />

+ + + ξ<br />

E<br />

+ ξL<br />

ρ ρ<br />

∑ ∑<br />

Wasserstandsänderung wirkt sich auf den Druck am Punkt 1 aus<br />

v p v p<br />

2 2<br />

0 0 1 1<br />

z0 + + + hmano = z1+ + + ∑ξ E<br />

+ ∑ξL<br />

2g ρg 2g ρg<br />

2 2<br />

v0 p P<br />

0 Pumpe<br />

⋅η v1 p1<br />

z0 + + + = z1+ + +Δ hW + ∑ξ E<br />

+ ∑ξL<br />

2g ρg QPumpe<br />

⋅ρW<br />

⋅g 2g ρg<br />

4300000kW ⋅0,9<br />

0 + 0 + 2m + = 85m + 30m +Δ h<br />

3<br />

m<br />

kg<br />

m<br />

W<br />

+ 1,75m + 1,84m<br />

3 s ⋅1000 3⋅9,81<br />

2<br />

m s<br />

4300000kW ⋅0,9<br />

2m +<br />

−85m −30m −1,75m − 1,84m =Δh<br />

3<br />

3<br />

m<br />

kg<br />

m<br />

W<br />

s ⋅ 1000 3 ⋅<br />

m 9,81 2<br />

s<br />

14,9m =Δh<br />

W<br />

Der Wasserspiegel steigt um 14,9m.

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