Einrichtung zur Messung des hydraulischen Wirkungsgrades von Turbinen, Pumpen oder ähnlichen Maschinen Die Erfindung .betrifft eine Einrichtung zur Mes sung des hydraulischen Wirkungsgrades von Turbi nen, Pumpen oder ähnlichen Maschinen.
Bei thermometrischen und thermodynamischen Verfahren zur Messung .des hydraulischen Wirkungs grades von Strömungsmaschinen, wie Wasserturbinen und Pumpen, wird von der Tatsache Gebrauch ge macht, dass der Druckabfall derFlüssigkeit zu einer Steigerung der Temperatur der Flüssigkeit führt, wel che der Druckänderung proportional ist.
Beim thermometrischen Verfahren werden übli cherweise Platin-Widerstandsthermometer zur direk ten Messung der Flüssigkeitstemperatur am Zulauf ,und Ablauf ,der Maschine verwendet. Aus .diesen Temperaturen kann der hydraulische Wirkungsgrad der Maschine ermittelt werden. Es ist sehr schwierig, nach diesem Verfahren genaue Messergebnisse zu erhalten.
Beim thermodynamischen Verfahren wird bei spielsweise bei einer Wasserturbine üblicherweise eine Wasserströmungsprobe von der Turbinenleitung durch einen Behältergeleitet, welcher Ein- und Aus gangsventile hat. Ein Paar Platin-Widerstandsthermo- meter, von denen eines in den Behälter und .das ,an dere in eine Probe des Abflusswassers hineinragt, sind Teile einer Brückenschaltung. Die Ventile wer den zur Veränderung der Strömung so eingestellt, dass der abgeglichene Zustand ,
der Brückenschaltung erzielt wird, und dann wird der Druck .der .Flüssigkeit im Behälter gemessen. Dieser Druck dividiert durch die gesamte Druckhöhe des Wassers in :der Turbinen leitung (Nutzfallhöhe) ergibt :direkt den hydraulischen Wirkungsgrad der Turbine.
Bei den bisherigen Verfahren sind ,die Platin-Wi- derstandsthermometer unbefriedigend, weil sie dazu neigen, unter Hysterese, Alterung und Instabilität zu leiden und nach einem Transport normalisiert (geglüht) oder akklimatisiert werden müssen. Beim thermodynamischen Verfahren bildet überdies die Brückenschaltung einen kostspieligen und .schweren Teil :der Einrichtung.
Die Erfindung .bezweckt, die Genauigkeit bei der Messung des hydraulischen Wirkungsgrades wesent lich zu steigern.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Messung des hydraulischen Wirkungsgrades von Turbinen, Pumpen oder ähnlichen Maschinen hat Hoch- und Niederdruck-Behälter, welche dazu bestimmt sind, von Probeflüssigkeit des Zulaufes und Ablaufes der Maschine durchflossen zu werden, mehrere thermisch ausdehnbare, längliche Elemente, welche je mit einem dieser Behälter vereinigt ,sind, um Wärme von ,den Flüssigkeitsproben aufzunehmen, und eine Mess- vorrichtung, welche mit,den Elementen wirksam ver bunden ist, um Änderungen der Dimension dieser Elemente anzuzeigen.
Die Messvorrichtung ist vorzugsweise so aus- geführt, dass sie eine Null- bzw. Gleichgewichtsan zeige ergibt, wenn die Längen der Elemente gleich sind. Dabei hat ein Hochdruck-Behälter Einlass- und Auslass-Drosselventile, welche eine Einstellung der Flüssigkeitstemperatur auf Null- oder Gleichgewichts- anzeige ermöglichen, und eine Vorrichtung zur Mes sung des Flüssigkeitsdruckes.
Die Messvorrichtung kann optischer Art, bei spielsweise ein Mikroskop oder ein Autokollimator, oder elektronischer Art, beispielsweise ein Kapazi- täts- oder Induktivitätsmessgerät sein.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes .unter Bezugnahme auf .die schematischen Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 und 2 zeig= je eine verschiedene Ausfüh rungsform der Einrichtung in wirksamer Verbindung mit einer Wasserturbine, Fig.3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Einrichtung in wirksamer Verbindung mit einer Pumpe.
Die Einrichtung nach Fig. 1 zur Messung des hydraulischen Wirkungsgrades einer Wasserturbine 1 mit einer Turbinenleitung 2 und einem Ablauf 3 hat ein Paar im Abstand voneinander horizontal und koaxial angeordnete zylindrische Behälter 4 und 5, deren einer mit dem Ablauf 3 und .deren anderer mit der Turbinenleitung 2 verbunden ist, um Wasserpro ben von diesen zu empfangen. Die Behälter haben je einen zentralen, axialen Durchgang 6 bzw. 7. Zwei gleiche zylindrische Messingrohre 8 und 9 erstrecken sich konzentrisch je in einem der Durchlässe 6 und 7.
Diese Rohre dehnen sich unter dem Einfluss der Wärme des in den Behältern enthaltenen Wassers aus. Eine Anzeigevorrichtung 10 steht mit den Enden der Rohre 8 und 9 in Verbindung .und zeigt Änderun gen der Abmessungen der Rohre an, und ein Mano meter 12, welches mit :dem Behälter 5 verbunden ist, dient zur Anzeige .des Wasserdruckes in diesem Be hälter. Eine Fernleitung 13 geht von einem Proben- Entnehmer 14 im Ablauf 3 aus und fördert in dem Niederdruck-Behälter 4, aus dem die Wasserprobe durch eine Leitung 15, welche ein Steuerventil 16 und eine Saugpumpe 17 enthält, abgeleitet wird.
Eine Fernleitung 18 geht von einem Proben.entnehmer 19 in der Turbinenleitung 2 aus und fördert durch ein Drosselventil 20 in den Hochdruck-Behälter 5, aus dem die Wasserprobe durch eine Leitung 21 mit einem Drosselventil 22 abfliesst. Zylindrische Leit wände 23 und 24 sind konzentrisch in den Behältern 4 und 5 angeordnet, um eine axiale Strömung der Wasserproben durch diese Behälter über deren in nere Wände sicherzustellen.
Die Fernleitungen und Behälter sind mit Wasser mänteln versehen, welche durch gestrichelte Linien angedeutet sind. Die Wasserströmung von der Turbi nenleitung und dem Ablauf durch die Mäntel wird durch Ventile 16<I>A,</I> 20 A und<I>22 A</I> gesteuert, welche Duplikate der Ventile 16, 20 und 22 sind. Die Mäntel sind umhüllt und können zusätzlich von Luftmän teln umgeben sein, die die Form von Kanälen haben, durch welche Luft von einer gemeinsamen Liefer stelle durch einen Ventilator, ein Gebläse oder dergl. geblasen wird. Dadurch werden Wärmesteigerungen oder -verpuste der Proben möglichst klein gehalten.
Da es weiterhin wünschenswert ist, die restlichen Wärmesteigerungen oder -verluste bei beiden Proben so gleich wie möglich zu machen, haben bei=de Fern leitungen dieselbe Länge, und .es sind Vorrichtungen vorgesehen, um anzuzeigen, .dass die Grössen der Strömung oder des Druckverlustes in beiden Fernlei tungen und beiden Mänteln gleich sind. Diese Grös- sen werden durch die Drosselventile und Steuerven tile ,gesteuert.
Um die Wirkung von Veränderungen der Temperaturdes Wassers aus der Turbinenleitung möglichst klein zu halten, sind (nicht dargestellte) Ventile oder andere Steuermittel vorgesehen, welche eine Einstellung der Grösse der Strömung der Probe .aus der Turbinenleitung ermöglichen, so dass die Zeit, welche :die Probe bis zum Erreichen .ihres Be hälters braucht, gleich der Zeit ist, welche das Be triebswasser erfordert, um :durch die Turbine zu flies sen, und welche die Ablaufprobe braucht, um ihren Behälter zu erreichen.
Das Messingrohr 9 ist am äusseren Ende eines Tragstabes 25 aus Invar oder einem anderen Mate rial geringer Wärmeausdehnung befestigt, welcher sich koaxial in dem Rohr 9 erstreckt und mit sei nem inneren Ende an einem feststehenden Widerlager 26 befestigt ist. Das Messingrohr 8 ist mit seinem in neren Ende am Widerlager 26 befestigt und an sei nem äusseren Ende mit :dem angrenzenden äusseren Ende eines Invarstabes 27 verbunden, welcher sich koaxial in dem Rohr 8 erstreckt.
Die Anzeigevorrichtung 10 besteht aus einem Autokollimator 28, dessen Blickrichtung auf einen Spiegel 29 gerichtet ist. Der Spiegel 29 ist von zwei parallelen Blattfedern 30 und 31 getragen, deren eine mit .dem freien äusseren Ende des Rohres 9 und deren andere mit dem freien äusseren Ende des Sta bes 27 verbunden ist.
Unterschiede in den Vergleichslängen der Rohre 8 und 9 werden durch die Blattfedern in entspre chende Neigungsbe#,vegungen des Spiegels 29 umge formt, und mit :dem Autokollimator 28 wird .die ent sprechende Änderung des Winkels eines Lichtstrahles, welcher von dem Spiegel reflektiert ist, .gemessen.
Bei Verwendung der Einrichtung werden eine stetige Wasserströmung durch den Hochdruck-Behäl- ter 5 und eine gleiche, stetige Wasserströmung durch den Niederdruck-Behälter 4 aufrecht erhalten. Die letztere wird vom Ablauf 3 erforderlichenfalls unter der Wirkung der Pumpe 17 abgezogen.
Dann werden die Drosselventile 20 und 22 so eingestellt, dass der Autokollimator Null anzeigt, woraufhin das Manome ter 12 abgelesen und die Ablesung durch die Nutzfall- höhe dividiert wird, um den Wirkungsgrad der Tur bine nach Korrekturen in bezug auf die Änderungen der inneren Energie des Wassers unter Druck zu er halten.
Andere Ausführungsformen sind möglich. So können die Rohre oder Stäbe der Anzeigevorrichtung durch Bimetallstreifen in flacher oder gewundener Form ersetzt werde. Die Behälter können konzen trisch ineinander und :die ausdehnungsfähigen Ele mente dabei im Zwischenraum zwischen den Behäl tern angeordnet werden.
Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform der Ein richtung hat zwei nebeneinander aufrecht angeord nete zylindrische Behälter 32 und 33 mit zentralem axialem Durchgang 34 bzw. 35. Zwei gleiche Mes singstäbe 36 und 37 erstrecken sich durch die Durch gänge 34 und 35, welche Öl als Wärmeübertra- gungsmittel enthalten können; sie sind an ihren :un teren Enden .durch einen Stab 38 miteinander ver bunden .und haben Querarme 39 und 40 an .ihren oberen Enden.
Eine zur Vergrösserung der Bewegung dienende Vorrichtung mit zwei parallelen Blattfedern 41 verbindet die Arme 39 und 40 mit einer der bei den Platten 42 eines Kondensators, an dem ein elek tronischer Kapazitätsmesser angeschlossen ist. Diese Platte bewegt sich in Richtung auf die andere und von der anderen weg, wenn die Länge .eines Stabes in bezug auf die Länge des anderen ändert. Der Kapazi tätsmesser zeigt an, ob die Stäbe gleich lang sind.
Fig. 3 zeigt eine Einrichtung zur Messung des hydraulischen Wirkungsgrades von Pumpen, insbe- sondere wenn der Wirkungsgrad über 50 % beträgt und an der (kalten) Niederdruckseite der Pumpe ein Druck herrscht, der ungenügend ist, eine Erwärmung durch Drosselung zu ermöglichen.
Die Hoch- und Niederdruck-Behälter 43 und 44 sind an die Hoch- bzw. Niederdruckseite der Pumpe 45 angeschlossen, während ein dritter Behälter 46, welcher -in einer Reihe zwischen d .en anderen beiden Behältern in glei chen Abständen von diesen angeordnet ist, durch eine Leitung 47 mit der Hochdruckseite zwecks Auf nahme einer Wasserprobe verbunden ist.
Der diesem Behälter 46 zugeordnete Stab 48, welcher gleich den anderen beiden Stäben 49 und 50 ist, ist direkt mit einer Platte 51 des Kondensators des Kapazitätsmes sers verbunden, während :die anderen beiden Stäbe 49 und 50 gemeinsam durch einen Stab 53 direkt mit der anderen Platte 52 dieses Kondensators verbun den sind.
Wenn .die Flüssigkeitsproben durch die Behälter 44 und 46 fliessen, dehnt sich der Stab 48 des Behäl ters 46 aus. Diese Ausdehnung wird von der Anzeige vorrichtung angezeigt. Bei geeigneter Einstellung der Drosselventile 54 und 55 des Hochdruckbehälters 43 wird der Stab 49 des letzteren .so erwärmt und ausge dehnt, dass eine Nullanzeige der Anzeigevorrichtung erhalten wird. Dann, werden die Drücke in den drei Behältern mittels der Manometer 56, 57 und 58 ge messen und der hydraulische Wirkungsgrad der Pumpe 45 aus ,diesen Drücken berechnet.
Durch Änderung .der Abstände der Behälter und damit auch der Stäbe ist es möglich, die Einrichtung Pumpen-Wirkungsgraden .unter 50 % anzupassen.
Die bei Turbinen zu verwendende Einrichtung kann ebenso wie die für Pumpendrei Behälter umfas sen. Dabei tritt der mittlere Behälter an die Stelle des Hochdruck-Behälters, während die beiden äusseren Behälter parallel .geschaltet werden, um einen doppel ten NiederdruckaBehälter zu bilden. Auch können die mechanische Vergrösserungsvorrichtung weggelassen und die Stäbe direkt mit der Kapazitäts,Messvorrich- tung verbunden werden. Diese Einrichtung hat den Vorteil konstruktiver Stabilität.
Durch die Verwendung dehnbarer Rohre oder Stäbe und einer Vorrichtung zur Anzeige oder Mes sung körperlicher Verschiebungen der Rohre oder Stäbe an Stelle von Widerstands-Thermometern und einer Brückenschaltung ist,die Einrichtung wesentlich genauer und ausserdem robuster.
Es ist zu bemerken, dass die Messingstäbe oder -rohre durch Rohre, Stäbe oder dergl. .aus anderem Metall oder Material geeigneter Wärmedehnung er setzt werden können.
Unabhängig von der Art der verwendeten Anzei gevorrichtung ist es möglich und wünschenswert, diese zur Nullanzeige zu verwenden. Die hierzu erfor- .derliche Eichung der Einrichtung wird mit .Flüssigkeit derselben Temperatur (vorzugsweise aus einer ge- meinsamen Zuleitung und ohne Drosselung) vorge nommen, welche durch beide (oder alle) Behälter gleichzeitig geleitet wird.
Während beide (oder alle) Rohre oder Stäbe auf diese Weise dieselbe Tempera tur haben, wird die Anzeigevorrichtung auf einen ge eigneten Nullpunkt eingerichtet. Diese Nullanzeige wird wieder .erhalten, wenn die Einstellung der Dros selung wie oben beschrieben vollständig vorgenom- men,ist.