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.