Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000 Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 1/139 Hydraulischer Widder
169
Embed
Hydraulischer Widder - media.sharefoodforest.orgmedia.sharefoodforest.org/literatur/technik/technik.-.widder... · stopped by the waste valve rapidly. This action causes a waterhammer.
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 1/139
Hydraulischer
Widder
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 3/139
Inhaltsverzeichnis Deckblatt Seite 001 „Erste Seite“ Seite 002 Inhaltsverzeichnis Seite 003 1. Kurzzusammenfassung des Projektes Seite 004 bis 005 2. Der Verlauf des Projektes Seite 006 bis 011 3. Geschichte des Hydraulischen Widders Seite 012 bis 014 4. Funktionsweise eines Hydraulischen Widders Seite 015 bis 016 5. Pflichtenheft Seite 017 bis 024 6. Vokabelliste Seite 025 bis 028 7. Verschiedene Entwürfe für die Konstruktion Seite 029 bis 031 8. Konstruktion Seite 032 bis 067 9. Fertigung Seite 068 bis 083 10. Testlauf Seite 084 bis 086 11. Montage Seite 087 bis 090 12. Berechnung Seite 091 bis 097 13. Projekttagebücher Seite 098 bis 126 14. Kalkulation des Projektes Seite 127 bis 136 15. Kommentar zum Projekt Seite 137 bis 139 16. Werksatteste
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 4/139
Kurzzusammen-
fassung
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 5/139
1. Kurzzusammenfassung des Projektes In Auftrag und in Zusammenarbeit mit der GROHAG (Großglockner Hochalpenstraßen Aktiengesellschaft) wurde ein Hydraulischer Widder entworfen und gefertigt. Darunter versteht man eine wasserbetriebene Stoßpumpe, die keine weiteren Energiequellen zum Betrieb benötigt und das Prinzip des sogenannten Druckstoßes ausnützt. Ein Hydraulischer Widder wandelt die kinetische Energie des Wassers in potentielle Energie um, um damit einen Teil des Wassers, welches den Widder betreibt, auf ein höhergelegenes Niveau anzuheben. Ein, aus einem stehenden oder fließenden Gewässer durch die Druckleitung entnommener, Volumenstrom wird durch das Stoßventil plötzlich abgestoppt. Dadurch wird ein Druckstoß ausgelöst. Der Druck im Widder und in der Druckleitung erhöht sich schlagartig, wodurch sich das Druckventil im Windkessel des Hydraulischen Widders öffnet. Ein Volumenstrom kann mit diesem höheren Druck in den Windkessel „entweichen“ und gelangt daraufhin durch die Steigleitung zu einem Springbrunnen, der mit diesem Wasser betrieben wird. Während des Betriebes eines Hydraulischen Widders wird in jedem Arbeitstakt die kinetische Energie des Wassers in potentielle Energie umgewandelt. Der Hydraulische Widder wurde in der WasserWunderWelt in Krimml aufgestellt und soll den Besuchern das Funktionsprinzip eines solchen veranschaulichen und begreiflich machen. Da dieser im Freien steht, musste er unbedingt witterungsbeständig (rostfrei) ausgeführt werden. Auf die Sicherheit der Konstruktion wurde großer Wert gelegt. In commission and in cooperation with the GROHAG we’ve designed and constructed a hydraulic ram. Such a device is a waterpowered impulse pump which doesn’t need any other source of energy for its operation and makes use of the socalled waterhammer. A hydraulic ram converts the velocity energy of the water into potential energy. Therefore a part of the water the ram is powered by is lifted to a higher level. A flow of water which comes from a stagnant or flowing lake or river flows through the drive pipe and is stopped by the waste valve rapidly. This action causes a waterhammer. The pressure in the ram and in the drive pipe increases suddenly. Therefore the delivery valve opens and a flow of water at a higher pressure can get into the air chamber and through the delivery pipe to a fountain which is powered by this flow of water. Every power stroke causes the conversion of velocity energy into potential energy. The hydraulic ram will be used in the WasserWunderWelt in Krimml and is supposed to show its operation principle to the visitors. The ram will be placed outside and therefore it has to be weatherproof (use of stainless steel). An important point was the safety of the design.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 6/139
Verlauf des Projektes
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 7/139
3. Der Verlauf des Projektes Am Ende des letzten Schuljahres galt es ein Ingenieurprojekt zu finden. Unser Jahrgang hatte sich schon in Gruppen zu zwei bis vier Personen unterteilt. Als uns unser AV Dr. Kittl über einige Einzelheiten zum Ingenieurprojekt informierte, sprach er unter anderem ein mögliches Projekt, betitelt mit Hydraulischer Widder, an. Wir informierten uns zu diesem Thema durch Artikel aus dem Internet und bekundeten Dr. Kittl unser Interesse am genannten Projekt. Da es keine anderen Mitinteressenten auf dieses Projekt gab, wurde uns dieses Projekt als Ingenieurprojekt für das folgende Schuljahr zugeteilt. Auftraggeber dieses Projektes war die GROHAG (Großglockner Hochalpenstraßen Aktiengesellschaft). Der Hydraulische Widder war als eine der Attraktionen in der WasserWunderWelt in Krimml geplant. Unsere erste Aufgabe am Beginn des Schuljahres bestand darin, uns mit dem Auftraggeber in Verbindung zu setzen. Es war geplant den Hydraulischen Widder direkt mit einer Goldwäscheranlage zu koppeln. Aufgrund einer zu geringen Ausgangsleistung des Widders musste dieses Projekt leider eingestellt werden. So standen uns für das Projekt 200.000 ATS zur Verfügung. Gleich in der zweiten Schulwoche bekamen wir einen Termin bei der GROHAG. Dieser Termin diente hauptsächlich dazu die Vorgaben zu fixieren, also die genaue Aufgabenstellung festzulegen. Die von der GROHAG gestellten Vorgaben waren sehr offen und boten uns damit viele Freiheiten bezüglich der Konstruktion. Es wurde nur verlangt, dass der Hydraulische Widder möglichst anschaulich und vandalensicher sein soll, wobei auch historische Konstruktionen nicht ganz außer Acht gelassen werden sollten. Wir entschieden uns den Widder so weit wie möglich aus transparentem Acrylglas zu fertigen. In den ersten Wochen des Schuljahres beschäftigten wir uns hauptsächlich mit der Einbausituation des Widders und erstellten einige Entwürfe für die Konstruktion. Am 30. September 1999 besuchten wir das Freilichtmuseum Großgmain. Wir hatten einen Termin bei Ing. Unterberger, dem technischen Berater des Freilichtmuseums. Im Freilichtmuseum steht ein restaurierter Hydraulischer Widder. Diesem galt unser Besuch. Wir konnten anhand des Widders die genaue Arbeitsweise eines solchen erkennen. Dem dort aufgestellten Widder steht ein Gefälle von zwei Metern zur Verfügung, er wird aus einem Becken gespeist. Wir schätzten die Förderhöhe des Hydraulischen Widders auf etwa zehn Meter. Am oberen Ende der Steigleitung fanden wir lediglich einen geringen Durchfluss vor. Der Widder förderte zwar kontinuierlich und nicht stoßweise, jedoch war der Volumenstrom, der in den Hochbehälter floss sehr gering. Zusätzlich zur Besichtigung eines im Betrieb befindlichen Hydraulischen Widders konnten wir auch einen in Reparatur befindlichen Widder besichtigen und uns diesen entleihen. Wir bedankten uns bei Ing. Unterberger für die wichtigen Erkenntnisse, die wir durch den Besuch gewannen. Da wir auch die Erlaubnis hatten, den Hydraulischen Widder zu zerlegen, machten wir uns noch am selben Tag daran dies zu tun. Durch die Zerlegung erhielten wir viele wichtige Informationen über den Aufbau eines Hydraulischen Widders. Durch die Informationen, die wir an diesem Tag erhielten und durch eine kurze Leistungsabschätzung mussten wir feststellen, dass die Goldwäscheranlage nicht antreibbar ist. Daraufhin wurde das Projekt von der GROHAG gestrichen.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 8/139
Eine Woche später begannen wir mit der Erstellung eines Pflichtenheftes. Dieses sollte beinhalten: - Einleitung (Projektbezeichnung, Einführung, Hintergrundinformationen) - Verwendungszweck des Produktes - Bezugsunterlagen (Normen, Literatur zum Thema) - Begriffe (Definition diverse Begriffe zum Projekt) - Spezifikationen (Termine, Kosten, Funktion, Betriebsdaten und andere) Da sich beispielsweise öfters Änderungen der Konstruktion ergaben, musste auch das Pflichtenheft öfters abgeändert und auf den neuesten Stand gebracht werden. Am 11. Oktober 1999 hatten wir einen weiteren Termin bei der GROHAG. Diesmal präsentierten wir die ersten Entwürfe und einige Erkenntnisse, die wir in den vergangenen Wochen gewonnen hatten. Ing. Pils, einer unserer Ansprechpartner bei der GROHAG, war mit den Entwürfen einverstanden und bat uns bis Mitte November einen Kostenvoranschlag zu erstellen. Anschließend an die Besprechung besuchten wir die Stadtbücherei, um einige Informationen über Hydraulische Widder zu erhalten. In einem Buch über Pumpen fanden wir einige Seiten, die dem Thema Hydraulischer Widder gewidmet waren. Bezüglich des Kostenvoranschlages besprachen wir uns mit Dr. Kittl, der uns beim Aufbau desselben behilflich war. Um konstruktive Fehler frühzeitig zu erkennen starteten wir die Konstruktion mit Pro-Engineer, kurz Pro-E. Da Pro-E ein 3D-Zeichenprogramm ist, erhöht sich die Anschaulichkeit während der Konstruktion erheblich gegenüber einer zweidimensionalen Darstellung. Dies war auch ein Grund, warum wir mit der Konstruktion in 3D begannen. Kurzzeitig überlegten wir die Berechnung der instationären Strömungsvorgänge mit dem sogenannten Charakteristikenverfahren um unseren Widder auslegen zu können. Da aber die Anforderungen unseres Widders mit den Daten des im Freilichtmuseums besichtigten Stoßhebers in etwa übereinstimmten, genügte es die dort vorhandenen Dimensionen leicht abgeändert zu übernehmen. Außerdem wäre der zeitliche Aufwand einer solchen Berechnung viel größer als ihr eigentlicher Nutzen gewesen, da der Widder rasch in die Fertigung gehen sollte. In den folgenden Wochen entwickelte sich das Projekt stetig weiter. Da ein herkömmlicher Plexiglaszylinder den hohen Drücken im Betrieb nicht standhalten kann, überlegten wir uns eine andere Variante. Eine Möglichkeit war die Verwendung einer dicken Plexiglasplatte, die anschließend in die richtige Form gebogen wird. Die optisch störende Klebstelle könnte man eventuell mit einer Füllstandsmessung verschönern. Aber auch diese Variante schlug später fehl, da uns kein Hersteller garantieren konnte, dass der Werkstoff druckstabil ist. Daraufhin beschlossen wir den Zylinder mit einem Schaufenster zu versehen. Die Konstruktion des Flatterventils lehnten wir an historische Konstruktionen an. Falls diese Variante nicht funktionieren sollte, sahen wir vor, dass ein Normrückschlagventil verwendet werden kann.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 9/139
Nachdem wir mit Pro-E einige Zeichnungen erstellt hatten, besprachen wir uns mit einigen Werkstättenlehrern bezüglich der Fertigung. Nachdem wir mit den Werkstättenlehrern, die uns mit nützlichen Verbesserungsvorschlägen versorgten, gesprochen hatten, änderten wir die Konstruktion teilweise ab. Besonders wichtig bei der Konstruktion war es, zu beachten, ob die gewählten Materialien in den gewünschten Abmessungen zur Verfügung stehen. Weiters sind Werkstoffkombinationen nicht ohne weiteres durchführbar, da elektrolytische Vorgänge die Werkstückoberflächen zerstören. Nachdem wir die Konstruktion mit Pro-E im Wesentlichen abgeschlossen hatten, erstellten wir die Werkstattzeichnungen mit Autocad. Am 11. Februar 2000 schickte uns die GROHAG die endgültigen Pläne bezüglich Einbausituation und Verwendungszweck des Hydraulischen Widders zu. Zu Beginn des Projektes stand der Verwendungszweck noch nicht definitiv fest. Falls keine entsprechende Anwendung gefunden werden würde, sollte der Widder, wie auch bei seinen historischen Verwendungen, Wasser in einen Hochbehälter fördern. Kurzzeitig überdachten wir die Möglichkeit, mit Hilfe des Widders einen Wasserstrahl („Springendes Wasser“) zu erzeugen. Schließlich entschied sich die GROHAG aber dafür mit dem Hydraulischen Widder einen Springbrunnen zu betreiben. Nach einigen Überlegungen bezüglich Schaufenster, entschlossen wir uns dazu dieses nicht zu realisieren, da man durch ein solches Schaufenster lediglich erkennen kann, dass der Zylinder mit Wasser gefüllt ist. Weiters stehen die Kosten nicht dafür ein Schaufenster zu verwirklichen. Nachdem die Konstruktion nun so gut wie abgeschlossen war, begannen wir damit das nötige Material zu bestellen beziehungsweise bei diversen Firmen über die Verfügbarkeit der benötigten Materialien Einkünfte einzuholen. Das größte Problem hierbei stellt die Materialverfügbarkeit dar. Deshalb lohnte es sich, sofort nach Fixierung der endgültigen Konstruktion, diverse Firmen anzurufen oder anzuschreiben, um eventuelle Liefer- oder Verfügbarkeitsprobleme frühzeitig zu erkennen und zu berücksichtigen. Als wir die Einzelteilzeichnungen fertiggestellt hatten, begannen wir mit Unterstützung der Werkstätte die Fertigung. Die interessantesten Abschnitte der Fertigung sind in diesem Buch dokumentiert.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 10/139
Am 6. April 2000 führten wir nach Abschluss der Fertigung und nach dem Zusammenbau des Hydraulischen Widders den Testlauf im Werkstättenhof der HTL durch. Nach kleinen anfänglichen Schwierigkeiten arbeitete der Widder einwandfrei. Wir simulierten beim Testlauf auch in etwa den geplanten Springbrunnenbetrieb. Genauere Ausführungen zum Testlauf siehe im dazugehörigen Kapitel. Ein paar Tage später, am 10. April 2000, nahmen wir eine ungefähre Wirkungsgradabschätzung vor. Auch hierzu sind in den entsprechenden Kapiteln (Testlauf und Berechnung) genauere Informationen enthalten. Eine Woche nach dem Testlauf besuchten wir die WasserWunderWelt in Krimml. Wir klärten noch alle ausstehenden Unklarheiten mit den Vertretern der GROHAG ab und besichtigten kurz das noch unfertige Gelände. Weitere Informationen hierzu sind im Kapitel Montage zu finden. Nachdem der Widder bis auf einige Kleinigkeiten vollständig fertig war, konnten wir uns ganz der Dokumentation der Diplomarbeit widmen. Neben der Dokumentation musste auch noch die Präsentation des Projektes vorbereitet werden. Zu dieser verwendeten wir PowerPoint, wobei wir auch für etwaige technische Probleme Folien parat hatten.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 11/139
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 12/139
Geschichte des Hydraulischen
Widders
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 13/139
4. Geschichte des Hydraulischen Widders Vor mehr als 200 Jahren, im Jahr 1797, machte der Franzose Joseph Montgolfier eine bedeutende Erfindung – eine hydraulische Wasserpumpe, die zum Betrieb außer einem vorhandenen Gefälle und einem entsprechenden Volumenstrom keinerlei andere natürliche (Mensch oder Tier) oder künstliche Energiequellen (Motor) benötigt. Im Hügelland des Mostviertels war es für die Bauern, deren Höfe etwas höher lagen, früher meist unmöglich, einen Brunnen beim Haus graben zu lassen, da das Wasser zu tief unter der Oberfläche war. Für diese Leute war die Erfindung des Hydraulischen Widders von großer Bedeutung. Mit einem Hydraulischen Widder, der vor allem in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts auch bei uns von den Brunnenmachern hergestellt wurde, war es möglich Wasser über große Strecken und Höhenunterschiede hinweg zu pumpen. Eine Widderanlage war damals eine große Erleichterung und bedeutete einen gewissen Komfort für ein Gehöft, da das Wasser nicht mehr mühsam auf dem Rücken angeschleppt werden musste. Ein Hydraulischer Widder war zur damaligen Zeit verhältnismäßig teuer. Ein Bauer musste dafür etwa zwei schwere Ochsen verkaufen, um eine solche Anlage zu erwerben, wobei zu bedenken ist, dass früher auch auf großen Bauernhöfen verhältnismäßig wenig Vieh gehalten wurde. Überall, wo Fließwasser in Trinkwasserqualität im Überfluss vorhanden ist, auch hunderte Meter entfernt vom Haus, kann ein Hydraulischer Widder betrieben werden. Das Wasser aus einem Bach oder einer Quelle wurde aufgefangen und floss in einem Rohr zum Widder. Dort konnte dann etwa ein Fünftel bis ein Zehntel davon in einem kleinen Rohr nach oben in ein Reservoir in der Nähe des Hauses gepumpt werden. Für jeden Meter Gefälle, der zur Verfügung stand, konnte man das Wasser etwa zehn Meter hoch heben. Der Widder arbeitete Tag und Nacht und förderte stetig eine zwar geringe aber ausreichende Menge, die zur Versorgung von einem oder mehreren Häusern diente. Im 19. Jahrhundert wurden im Mostviertel tausende Widder gebaut. In so manchem Graben kann man auch noch heute das regelmäßige Klopfen eines Hydraulischen Widders hören, der schon über hundert Jahre im Betrieb ist.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 14/139
Mit der Zeit geriet der Hydraulische Widder in Vergessenheit. Zwar war er bis nach dem Zweiten Weltkrieg noch weit verbreitet, jedoch wurde dieser seit damals immer weniger verwendet. Die Erfindung des Hydraulischen Widders hat trotz moderner Pumpen besonders in entlegenen Gebieten und elektrizitätsfernen Regionen ihre Existenzberechtigung. In Länder der Dritten Welt finden Hydraulische Widder auch heute noch eine Anwendung.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 15/139
Funktionsweise
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 16/139
Trie
bwas
serg
efäl
le
För
derh
öhe
Hochbehälter
Triebwasserbehälter
Stoßventil Druckventil
Steigleitung
Windkessel
5. Funktionsweise eines Hydraulischen Widders
Die obige schematische Skizze dient dazu die folgenden Erklärungen besser zu verstehen. Ein Hydraulischer Widder nutzt zum Betrieb das Prinzip des sogenannten Druckstoßes. Durch die linke Druckleitung fließt das Wasser, das von einem stehenden oder fließenden Gewässer stammt, zum Widder. Dieses fließt durch den Widder hindurch und strömt durch das Stoßventil wieder aus. Durch den Volumenstrom des Wassers wird der Stössel nach oben bewegt, bis er schließlich den Durchfluss absperrt. Dadurch wird eine Druckwelle ausgesendet, ein Druckstoß findet statt. Der Druckstoß bewirkt, dass der Druck im Widder und in der Druckleitung schlagartig ansteigt. Durch den hohen Druck öffnet sich das Flatterventil, welches im Prinzip ein Überdruckventil ist. Das Wasser strömt nun aufgrund der vorhandenen Druckdifferenz in den Druckkessel. Dadurch gleicht sich das vorhandene Ungleichgewicht teilweise aus. Da am oberen Ende der Steigleitung Atmosphärendruck herrscht und im Druckkessel ein entsprechend höherer Druck vorhanden ist, ergibt sich auch hier wiederum eine Strömung. Ein Teil des Wassers wird durch die Steigleitung zum Hochbehälter gefördert. Wenn der Druck, der am Stoßventil anliegt wieder abnimmt, sinkt dieses durch sein Gewicht nach unten. Der Strömungsquerschnitt wird wieder freigegeben und das Wasser strömt wieder aus, wobei auch der Stössel wiederum nach oben bewegt wird und der Vorgang von neuem beginnt. Ein Hydraulischer Widder eignet sich neben seiner historischen Anwendung auch dazu kleinere Apparate anzutreiben. Er dient in der WasserWunderWelt zum Betrieb eines Springbrunnens, der nach der vorhandenen Förderhöhe beziehungsweise nach dem vorhandenen Druck ausgelegt wurde.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 17/139
Pflichtenheft
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 18/139
6. Pflichtenheft Im Pflichtenheft wurde zu Beginn des Projektes die Aufgabenstellung genau formuliert. Im Laufe der Diplomarbeit ergaben sich immer wieder einige Veränderungen, die im Pflichtenheft zu berücksichtigen waren. Deshalb wurde dieses stets auf dem neuesten Stand gehalten. Neben der Formulierung der Aufgabenstellung enthält das Pflichtenheft auch noch zahlreiche andere Informationen. Unter anderem sind dies eine Kostenübersicht, eine Aufgabenaufteilung unter den einzelnen Gruppenmitgliedern und den Verwendungszweck des Hydraulischen Widders. Auf den folgenden sechs Seiten ist die Endversion des Pflichtenheftes zu sehen.
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 1 von 6
Pflichtenheft 5HMB 1999/20001. Einleitung Projektbezeichnung: Hydraulischer Widder (engl. hydraulic ram) Einführung in das Projekt: Ein Hydraulischer Widder ist eine wasserbetriebene Stoßpumpe, die einen Teil des Wassers, durch den sie angetrieben wird, auf ein höheres Niveau fördert. Der Hydraulische Widder nutzt dabei die kinetische Energie des in einem Rohr fließenden Wassers und wandelt diese in potentielle Energie um. Hintergrundinformationen: Im Jahre 1797 machte der Franzose Joseph Montgolfier eine bedeutende Erfindung, eine Wasserpumpe, die ohne Menschenkraft oder Motorantrieb arbeitet. Diese Pumpe, ein sogenannter Hydraulischer Widder, ist überall dort einsetzbar, wo ein ausreichendes Wassergefälle aus einem stehenden oder fließenden Gewässer zur Verfügung steht. Bis nach dem Zweiten Weltkrieg war diese Pumpe weit verbreitet, heute wird sie nur mehr selten verwendet. Hydraulische Widder haben trotz moderner Pumpen ihre Existenzberechtigung in entlegenen Gebieten und elektrizitätsfernen Regionen. Besonders in den Entwicklungsländern der Dritten Welt finden Hydraulische Widder auch heute noch ihre Anwendung. 2. Verwendungszweck des Produkts Der Hydraulische Widder wird in Zusammenarbeit mit der GROHAG (Großglockner Hochalpenstraßen Aktiengesellschaft) entworfen und gebaut und soll in der WasserWunderWelt in Krimml, die im Juli 2000 eröffnet wird, aufgestellt werden. Die Funktion eines Hydraulischen Widders soll möglichst einfach und auch für Laien verständlich präsentiert werden. Der Hydraulische Widder wird zum Betrieb eines Springbrunnens verwendet. Die genaue Ausführung des Springbrunnens wird von der GROHAG festgelegt (eventuell Stein mit einigen Pflanzen). 3. Begriffe In der folgenden schematischen Abbildung ist der prinzipielle Aufbau eines Hydraulischen Widders zu erkennen. Alle wichtigen Größen sind zum besseren Verständnis eingetragen und werden anschließend erklärt. Nach der Erklärung ist der Widder im tatsächlichen Einbauzustand in der WasserWunderWelt dargestellt. Prinzipieller Aufbau eines Hydraulischen Widders
Trie
bwas
serg
efäl
le
För
derh
öhe
Hochbehälter
Triebwasserbehälter
Stoßventil
Druckventil
Steigleitung
Windkessel
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 2 von 6
Pflichtenheft 5HMB 1999/2000Triebwasserbehälter (engl. supply source): Behälter, aus welchem bei stehenden Gewässern das Wasser, das den Hydraulischen Widder betreibt, stammt. Druckleitung (engl. drive pipe): Verbindungsleitung zwischen Triebwasserbehälter oder fließendem Gewässer und Widder. Triebwassergefälle (engl. supply head): Höhenunterschied zwischen dem Anfang der Treibleitung und dem Eintritt derselben in den Hydraulischen Widder. Stoßventil (engl. waste valve): Ventil, durch welches das überschüssige Wasser entweicht. Druckventil (engl. delivery valve): Ventil, am unteren Ende des Windkessels. Wenn ein genügend hoher Druck an diesem anliegt, so öffnet es sich. Windkessel (engl. air chamber): Behälter, in welchen das Druckwasser durch das Druckventil einströmt und durch die Steigleitung, die zum Hochbehälter führt, wieder verläßt. Steigleitung (engl. delivery pipe): Verbindungsleitung zwischen Windkessel und Hochbehälter. Hochbehälter (engl. storage tank): Behälter, in den das Wasser gefördert wird. Förderhöhe (engl. delivery head): Höhenunterschied zwischen dem Anfang der Steigleitung und dem Auslass in den Hochbehälter. Tatsächlicher Aufbau des Hydraulischen Widders in der WasserWunderWelt
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 3 von 6
Pflichtenheft 5HMB 1999/20004. Bezugsunterlagen Normen und gesetzliche Vorschriften: Zum Bau, zur Montage und zum Betrieb eines Hydraulischen Widders sind keinerlei Normen oder gesetzliche Vorschriften bekannt. Druckführende Teile sind entsprechend dem Stand der Technik im Druckrohrleitungsbau zu dimensionieren. Literatur zum Stand der Technik: Zum Thema Hydraulischer Widder gibt es in der Literatur ausreichend Informationen. Aus folgenden Quellen gewannen wir unsere Informationen zum Thema. - Internet: Im Internet findet man ausschließlich unter "hydraulic ram" Informationen zu
diesem Thema. Wir fanden vielerlei Informationen zum Bau, zur Auslegung und zur Berechnung eines Hydraulischen Widders.
- Freilichtmuseum Großgmain: Durch einen Besuch im Freilichtmuseum erhielten wir
diverse Kopien, unter anderem von der Schautafel, die im dort aufgestellt ist, einige grundlegende Informationen, ein Produktblatt der Gebrüder Roittner und einen Artikel aus den Salzburger Nachrichten über Hydraulische Widder. Weiters wurde uns ein historischer Widder zur Ansicht zur Verfügung gestellt.
- Firma Garvens: Die Firma Garvens stellte uns eine Kopie des Produktblattes vom Mai
1961 zur Verfügung, aus der wir einige Informationen gewinnen konnten. Besonders hilfreich waren die Informationen über den Betrieb und Probleme beim Betrieb eines Hydraulischen Widders.
- Stadtbücherei: Durch einen Besuch in der Stadtbücherei erhielten wir weitere
Informationen zum Thema aus dem Fachbuch "Die Pumpen" von Hellmuth Schulz (Springer Verlag, Berlin 1977).
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 4 von 6
Das derzeitige Angebot an Hydraulischen Widdern ist recht beschränkt. Diese werden kaum mehr in Serie produziert, sondern meist als Einzelstücke angefertigt.
23. 3. 1999 laufend bis Projektende ab April 2000 ab 24. 2. 2000
- Kosten: Vorhandenes Budget: 150.000 ATS
Materialkosten - Druckbeständiger Zylinder aus Edelstahl - Basisblock aus rostfreiem Edelstahl - Stoßventil und Ventilstange - Kappe und Flansche aus rostfreiem Edelstahl - Sonstige Materialien (z.B. Schrauben) Fertigungskosten und sonstige Kosten - Maschinenbenützung zur Fertigung - Auswärtig vergebene Arbeiten - Planung, Konstruktion und Berechnung - Kostenreserve
4.000 ATS
10.000 ATS 2.000 ATS 3.000 ATS 11.000ATS
35.000 ATS 10.000 ATS 45.000 ATS 30.000 ATS
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 5 von 6
Pflichtenheft 5HMB 1999/2000Technische: - Funktionsbeschreibung: Der Hydraulische Widder wandelt die kinetische Energie des
Wassers in potentielle Energie um, um damit einen Teil des Wassers, welches den Widder betreibt, auf ein höhergelegenes Niveau anzuheben. Ein, aus einem stehenden oder fließenden Gewässer durch die Druckleitung entnommener, Volumenstrom wird durch das Stoßventil abrupt abgestoppt. Dadurch wird ein sogenannter Druckstoß ausgelöst. Der Druck in der Druckleitung erhöht sich schlagartig, wodurch sich das Druckventil in den Windkessel des Hydraulischen Widders öffnet. Ein Volumenstrom kann mit diesem höheren Druck in den Windkessel „entweichen“ und gelangt daraufhin durch die Steigleitung zum Springbrunnen.
- Betriebsdaten und Leistungsmerkmale: Das zur Verfügung stehende Triebwassergefälle
beträgt ein bis zwei Meter, die Förderhöhe beziehungsweise die zur Verfügung stehende Druckhöhe ist abhängig vom Fördervolumenstrom und ist daher in einem gewissen Bereich variabel. Der Hydraulische Widder soll vandalensicher ausgeführt werden. Weiters muss Rostfreiheit gewährleistet sein. Hierzu wird der Widder aus korrosionsfreiem Material hergestellt werden. Die Größe des Hydraulischen Widders läßt sich bereits gut einschätzen. Die Abmessungen werden etwa 0,5 Meter x 0,3 Meter x 0,5 Meter (Länge x Breite x Höhe) betragen.
- Design: Beim Design des Hydraulischen Widders soll primär die Anschaulichkeit im
Vordergrund stehen. Bei der Konstruktion wird darauf geachtet, dass auch historische Elemente in diese eingebunden werden.
- Sicherheit: Damit keine Verletzungsgefahr besteht, wird rund um den Hydraulischen
Widder ein kleiner „Wassergraben“ angelegt. Dadurch ist ein Einklemmen bei bewegten Teilen bei vorschriftsgemäßen Verhalten unmöglich. Da die WasserWunderWelt auch für Kinder gedacht ist, besitzt die Sicherheit einen entsprechenden Stellenwert.
- Zuverlässigkeit: Ein Hydraulischer Widder arbeitet bei richtiger Bauweise und Montage
sehr zuverlässig. - Umweltverträglichkeit: Da ein Hydraulischer Widder durch Wasserkraft betrieben wird,
kommt es beim Betrieb desselben zu keinerlei umweltschädlichen Emissionen, jedoch entstehen beim Betrieb laute Geräusche. Die Wassermenge, die aus dem fließenden oder stehenden Gewässer entnommen wird, gelangt wieder zu etwa 90 Prozent in dieses zurück. In der WasserWunderWelt in Krimml wird das benötigte Wasser aus einem künstlichen Bach entnommen, wodurch sich eine sehr gute Umweltverträglichkeit ergibt, da in diesem Fall kein massiver Eingriff in einen Lebensraum erfolgt.
Allgemeines: - Lager-, Transportbedingungen und Verpackung: Lagerbedingungen und Verpackung
entfallen aufgrund des Verwendungszwecks. Beim Transport des Hydraulischen Widders sollte darauf geachtet werden, dass das Produkt nicht beschädigt wird.
- Wartung: Prinzipiell ist ein Hydraulischer Widder relativ wartungsfrei. Konstruktiv wird
darauf geachtet, dass jedes Element des Hydraulischen Widders, wenn es beschädigt wird leicht ersetzt werden kann.
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 6 von 6
Pflichtenheft 5HMB 1999/20006. Arbeitsaufteilung Folgend ist die Arbeitsaufteilung angeführt, wobei einige Arbeiten kollektiv von der gesamten Projektgruppe durchgeführt werden, andere werden von einzelnen Gruppenmitgliedern alleine bearbeitet. - Kollektiv:
!!Entwürfe !!Probebetrieb (Testlauf) !!Montage des Hydraulischen Widders in der WasserWunderWelt !!Vorbereitung und Erstellung der Präsentation
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 25/139
Vokabelliste
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 26/139
7. Vokabelliste Die Wörter und Ausdrücke sind in drei Klassen unterteilt:
- N . . . Nomen (nouns)
- V . . . Verben (verbs)
- A . . . Adjektive (adjectives)
Klasse Deutscher Ausdruck Englischer Ausdruck N Änderung correction N Apparat, Gerät device N Austrittsflansch output flange N Auswahl selection N Auswertung evaluation, analysis N Basisblock basic block N Bearbeitung treatment, processing N Bearbeitung working N Berechnung calculation N Berechnungsprogramm calculation program N Beschleunigung acceleration N Besprechung discussion, meeting N Betrieb operation N Betriebskosten running costs N Charakteristikenverfahren characteristical method N CNC computer numeric controlled N Daten facts N Deckel lid N Diagramm diagram N Dichtung seal N Dreherei turning workshop N Drehmaschine lathe, turning machine N Druck pressure N Druckstoß waterhammer N Druckventil delivery valve N Durchmesser diameter N Eingabe input N Eintrittsflansch input flange N entlegenes Gebiet remote area N Entwicklungsländer developing countries N Ergänzung completion N Fallbeschleunigung gravitational acceleration N Fertigung manufacture, production N Flansch flange N Flatterventil flutter valve N Fluss river N Förderhöhe delivery head (height)
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 27/139
N Fräserei milling workshop N Fräsmaschine milling machine N geodätische Höhe geodetical height N Geschwindigkeit velocity (speed) N Geschwindigkeitsenergie velocity energy N Geschwindikeitsdifferenz difference in speed N Gießerei foundry N Graph graph N Hauptstrang main pipe N Hochbehälter storage tank N Hochheben elevation lift N Höhe height N Höhendifferenz difference in height N Hohlzylinder hollow cylinder N Hydraulischer Widder hydraulic ram N instationäre Strömung instationary flow N Knotennummer nodnumber N Knotentyp nodtype N ländliches Gebiet rural area N Länge length N Leitung pipe N Leitungsschema pipe system N Menge amount N Programmablauf programme flowing N Programmierung programming N Pumprate pumping rate N Quadratwurzel square root N Quelle spring N Quellenvolumenstrom source flow rate N Querschnittsfläche cross-section N Reibungsverlust loss due to friction N Schallgeschwindigkeit speed of sound N Schraube bolt N Spannschraube tension screw N Springbrunnen fountain N stationäre Strömung stationary flow N Steigleitung delivery pipe N Stoßventil waste valve N Tabelle table N Termin appointment N Termin (Abgabe) deadline N Treibleitung drive pipe N Triebwasserbehälter supply source N Triebwassergefälle supply head (height) N überschüssiges Wasser waste water N Ventilstange valve rod N Verhältnis ratio N Versorgungsvolumenstrom supply flow
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 28/139
N Vervollständigung completion N Verzweigung branching out N Volumenstrom (Wasser) flow of water N Wartung maintenance N Wasserauslass water output N Wassereinlass water input N Wasserfluss flow of water N Werkzeug tool N Windkessel air chamber N Wirkungsgrad efficiency N zusätzliche Energiequelle additional power source V bearbeiten to work on, to deal with V bearbeiten to machine V berechnen to calculate V beschleunigen to accelerate V besprechen to discuss V drehen to turn V ergänzen to complete V erstellen (Zeichnung) to draw up V fertigen to manufacture, to produce V fräsen to mill V gießen to cast, to found V produzieren to manufacture V vervollständigen to complete A diverse several A emissionsfrei pollution free A gedreht turned A gefertigt manufactured, produced A gefräst milled A gegossen casted, founded A preiswert inexpensive
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 29/139
Entwürfe für die
Konstruktion
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 30/139
8. Entwürfe für die Konstruktion Während des Projektes ergaben sich bis zur endgültigen Ausführungsvariante diverse mögliche Entwürfe. Folgend sind diese kurz beschrieben. Verwendung möglichst vieler transparenter Teile Um die Funktionsweise eines Hydraulischen Widders möglichst anschaulich darzustellen, wollten wir den Widder transparent (Material Polyacryl) ausführen. Dabei ergab sich das Problem, dass Polyacryl sehr schlecht druckbeständig ist beziehungsweise nur sehr geringen Drücken standhalten kann. Da uns kein Hersteller garantieren konnte, dass die verwendeten Teile, die im Betrieb auftretenden hohen Drücke unbeschadet überstehen würden, mussten wir diese Ausführungsvariante leider bei Seite legen und uns eine andere Möglichkeit der Ausführung überlegen. Verwendung einer dicken transparenten Kunststoffplatte Nachdem die erste Variante nicht möglich war, überlegten wir uns den Druckkessel aus einer dicken transparenten Kunststoffplatte herzustellen. Dazu müsste man diese biegen und an der Überlappungsstelle zusammenkleben. Auch diese Variante mussten wir wieder verwerfen, da leider auch diese Ausführungsmöglichkeit keine Druckstabilität garantiert. Außerdem wäre die Optik durch den enorm dicken Druckkessel (geschätzte Wandstärke etwa 40 mm) stark gestört. Ob man das Innere des Druckkessels beziehungsweise das Flatterventil überhaupt deutlich erkennen könnte, war äußerst fraglich. Ausführung des Druckkessels mit einem/zwei Schaufenster(n) Als letzte Möglichkeit Einsicht in den Druckkessel zu ermöglichen, sahen wir die Ausführung des Kessels mit einem oder zwei Schaufenster(n). Nach einigen Überlegungen und konstruktiven Einschränkungen beschlossen wir den Druckkessel nicht mit Schaufenstern zu versehen. Gegen die eben beschriebene Ausführung sprachen der hohe zusätzliche Kosten- und Fertigungsaufwand und die Tatsache, dass man durch das Schaufenster lediglich erkennen könnte, dass der Druckkessel mit Wasser gefüllt ist (fehlendes Gegenlicht). Verwendung verschiedener Materialien Da auch die eben beschriebene Variante nicht möglich war, entschieden wir uns dafür auf transparente Teile zu verzichten. Aus fertigungstechnischen Gründen und aufgrund einer großen Gewichtsersparnis überdachten wir die Ausführung des Grundblocks aus Aluminium oder Messing. Das Problem bei solchen Materialkombinationen ist, dass durch elektrolytische Vorgänge das unedlere Material beschädigt wird. Diese Vorgänge werden durch das Führen von Wasser in Bauteilen unterschiedlichen Materials noch enorm verstärkt. Wenn die Fließrichtung von unedleren zum edleren Material ist, so werden die Effekte etwas abgeschwächt.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 31/139
Jedoch ist bei unserer Konstruktion der Grundblock als zentrales Bauteil beidseitig (unedler, edler und edler, unedler) durchflossen. Aufgrund der aufwendigen Isolierung der einzelnen Materialien gegeneinander, entschieden wir uns schließlich für die Aufführung der gesamten Konstruktion aus rostfreiem Edelstahl. Ausführung aller Teile aus Edelstahl Nachdem wir uns über das Material geeinigt hatten, konnten wir mit der eigentlichen Konstruktion des Hydraulischen Widders beginnen. Während dieser ergaben sich immer wieder kleinere Änderungen, bis die endgültige Ausführung fertig konstruiert war. Unten einige Bilder der zuvor beschriebenen Konstruktion mit Schaufenster.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 32/139
Konstruktion
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 33/139
9. Konstruktion Stückliste Pos.-Nr. Stück Bezeichnung Werkstoff Rohmaße Zeich.-Nr. Zulieferer
1 1 Grundblock 1.4301 500 x 300 x 70 1.1 Eisenmetall
2 1 Flansch Druckkessel 1.4404 168,3 x 4,5 2.1 (DIN 2633) Avesta
3 1 Rohr 1.4404 168,3 x 2 2.2 (DIN 1127) Avesta
4 1 Kappe 1.4571 168,3 x 3 2.3 (DIN 2617) Avesta
5 1 Flansch Stoßventil 1.4306 76,1 x 2,9 DIN 2633 Avesta
6 1 Stoßventil 1.4301 d80 x 150 3.1 Eisenmetall
7 1 Kunststoffbüchse Kunststoff d35 x 40 3.2 Altbestand
8 1 Ventilstange 1.4301 d20 x 250 4.2 (DIN 671) Avesta
9 1 Ventilteller 1.4301 d60 x 50 4.1 Eisenmetall
10 1 Flatterventilhalterung 1.4301 20 x 25 x 100 5.1 Eisenmetall
11 1 Flatterventil 1.4301 15 x 40 x 80 5.2 Eisenmetall
12 1 Bolzen 1.4301 d20 x 60 5.3 (DIN 671) Avesta
13 8 Schraube Druckkessel 1.4301 M20 x 50 DIN 933 Höller
14 4 Schraube Stoßventil 1.4301 M16 x 45 DIN 936 Höller
15 2 Schraube Flatterventilhalterung 1.4301 M8 x 16 DIN 933 Höller
16 2 Schraube Flatterventil 1.4301 M6 x 16 DIN 912 Höller
17 4 Hutmutter Grundblock 1.4301 M16 - Höller
18 4 Gewindestange Grundblock 1.4301 M16 x 250 - Höller
19 2 Mutter Ventilstange 1.4301 M16 DIN 936 Höller
28 1 Schweißmuffe 1/2" 1.4436 1/2" 34 lang 2.4 (DIN 2986) Schloetter
29 1 Schweißnippel 1/2" 1.4436 1/2" 35 lang DIN 2982 Schloetter
30 1 Blindpfropfen 1/2" 1.4571 1/2" DIN 2982 Frankstahl
31 1 Blindpfropfen 1" 1.4571 1“ DIN 2982 Frankstahl
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 34/139
Den Zusammenbau des Hydraulischen Widders soll folgende Explosionszeichnung veranschaulichen.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 35/139
Im Folgendem soll der Zusammenbau illustriert werden. Der Grundblock ist das Herzstück der Konstruktion. Er ist die Verlängerung der Zulaufleitung, in ihm werden die Auslässe für das Stoß- und Überdruckventil realisiert. Außerdem werden im Grundblock zwei Auslässe aus dem Druckkessel vorgesehen, einer der in die Steigleitung mündet und einer der als Entleerungsstelle dient.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 36/139
Zuerst werden die Dichtungen für Stoßventil und Druckkessel auf die Dichtflächen gelegt. Für unser Projekt wurden selbst zugeschnittene Dichtungen verwendet, da in unserer Konstruktion Normflansche verwendet wurden, können aber auch handelsübliche Normdichtungen verwendet werden.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 37/139
Nach dem Auflegen der Dichtungen wird das Flatterventil (Überdruckventil) am Grundblock angebracht. In diesem Fall wird aber keine Klingerit-Dichtung sondern eine flexible Dichtung aus Gummi verwendet.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 38/139
Anschließend wird das Stoßventil mit dem Stössel zusammengesetzt und am Grundblock montiert. Der Wasserauslass des Ventils kann parallel oder quer zu der Widderachse stehen. Die Montage des Ventils kann daher beliebig gewählt werden. Wir haben uns für die unten dargestellte Variante entschieden, da bei dieser das überschüssige Wasser problemlos zur Seite wegfließen kann.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 39/139
Um den Zusammenbau abzuschließen, muss nur mehr der Druckkessel montiert werden. Bevor man den Widder in Betrieb nehmen kann, muss der Druckkessel über die obige Anschluss-Stelle komplett mit Wasser gefüllt werden. Danach ist der Druckkessel zu schließen und der Widder kann in Betrieb genommen werden.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 40/139
Anschließend werden einige Ansichten des zusammengebauten Widders dargestellt. Die 3D-Konstruktion wurde ausschließlich mit der Software Pro-Engineer erstellt.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 41/139
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 42/139
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 43/139
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 50/139
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 51/139
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 55/139
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 56/139
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 57/139
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 60/139
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 61/139
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 66/139
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 67/139
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 68/139
Fertigung
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 69/139
10. Fertigung Fertigung des Grundblocks
Die Fertigung des Grundblocks erfolgte, abgesehen von der auswärts vergebenen Arbeit, fast ausschließlich auf der EMCO VMC-200 CNC-Fräsmaschine. Neben der Bearbeitung mit der genannten Maschine wurden lediglich die Außenflächen und die Fasen mit einer konventionellen Fräsmaschine bearbeitet. Auf die Bearbeitung der Außenflächen und der Fasen wird im folgenden nicht näher eingegangen. Bevor die Fertigung mit der CNC-Fräsmaschine gestartet wurde, sollte zur Erleichterung der
weiteren Arbeit ein Einrichteblatt erstellt werden. Dieses beinhaltet im Wesentlichen die Aufspannsituation des Werkstücks, die Lage der Werkstücknullpunkte und die Hauptabmessungen des Werkstücks. Die genaue Aufspannsituation ergab sich bei unserem Werkstück erst bei der praktischen Ausführung, da die Abmessungen desselben an der Grenze des Bearbeitungsbereiches der Maschine lagen. Dem Einrichteblatt beigelegt ist ein Arbeitsplan (Auflistung und Beschreibung der einzelnen Bearbeitungsschritte) und eine Werkzeugliste (Auflistung aller benötigten Werkzeuge mit den dazugehörigen Werkzeugdaten (Drehzahl, Vorschub und Spindeldrehrichtung)). Nachdem diese Vorbereitungen getroffen waren, konnte mit der Erstellung des CNC-Programms begonnen werden. Dazu musste
zuerst die Kontur des Werkstücks gezeichnet werden. Anschließend wurden Schritt für Schritt die einzelnen Bearbeitungsschritte programmiert. Wenn das Programm fertiggestellt ist, kann dieses am PC simuliert werden. Mögliche grobe Fehler können so schon vor der eigentlichen Bearbeitung erkannt und korrigiert werden. Nachdem das Programm vollständig fertig ist, kann dieses in den Maschinenspeicher übertragen werden. Nun musste das Werkstück am Maschinentisch
aufgespannt werden. Nachdem dies erfolgt ist, muss das Werkstück noch eingerichtet werden. Hierzu diente uns ein 3D-Kantentaster. Wenn nun alle Vorbereitungen getroffen worden sind, kann die eigentliche Fertigung beginnen. Wichtig ist es zu beachten, dass die Fertigung zweckmäßigerweise im Betrieb „Einzelsatz“ erfolgt. Auch eine ständige Überwachung der Fertigung ist sinnvoll, da mögliche Programmfehler so meist noch rechtzeitig korrigiert werden können.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 70/139
Nun folgend sind die zuvor angesprochenen Unterlagen (Einrichteblatt, Arbeitsplan, Werkzeugliste und CNC-Programme) beigelegt.
HTL-SALZBURG C A D - C A M - C N C WERKSTÄTTENLABOR MASCHINENBAU E I N R I C H T E B L A T T Name: Hydraul ischer Widder
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 78/139
Schweißen des Druckkessels und des Stoßventils Um die Bauteile Druckkessel und Stoßventil zu schweißen wurde die schuleigene WIG-Schweißanlage verwendet.
Eine Wolfram-Inertgas-Schweißanlage besteht aus einer Stromquelle, die in den meisten Fällen auf Gleichstrom- oder Wechselstromschweißen geschaltet werden kann,
und einem Schweißbrenner, der mit der Stromquelle durch ein Schlauchpaket verbunden ist. Im Schlauchpaket befinden sich die Schweißstromleitung, die Schutzgasführung, die Steuerleitung und bei größeren Brennern der Zu- und Rücklauf des Kühlwassers. Ein Hochfrequenz-Zündgerät ermöglicht ein berührungsloses Zünden des Lichtbogens. Beim WIG-Schweißen wird von rechts nach links geschweißt. Der Brenner wird
ca. 15° schräg zur Schweißrichtung und in einem Abstand von 2mm bis 3mm (Lichtbogenlänge) über das Werkstück geführt. Der Zusatzwerkstoff (Schweißstab) wird seitlich von Hand mit tupfenden Bewegungen zugeführt. Durch Absenken des Schweißstromes am Ende einer Schweißnaht werden Endkrater und mögliche Risse vermieden. Nach dem Abschalten des Schweißstromes muss die Brennerdüse solange über der Schweißstelle gehalten werden, bis das Schmelzbad unter dem nachströmenden Schutzgas erkaltet ist.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 79/139
Für unsere Werkstücke wurde das Gleichstromschweißen mit negativ gepolter Wolframelektrode verwendet, es eignet sich besonders für das Schweißen von NE-Metallen und legierten Stählen (in unserem Fall nicht rostender Edelstahl). Durch das Fließen der Elektronen von der Elektrode zum Werkstück entstehen am Werkstück die höheren und am Lichtbogenansatzpunkt der Wolframelektrode die niedrigeren Temperaturen. Die Wolframelektrode kann daher spitz zugeschliffen werden, wodurch der Lichtbogen stabil brennt und beim Schweißen besser geführt werden kann. Die Schmelzzone ist schmal und tief.
Als Schutzgas wurde das inerte Gas Argon verwendet. Dieses Gas geht auch bei hohen Temperaturen des Lichtbogens keine chemischen Verbindungen mit dem flüssigen Schweißgut ein. Bevor mit der eigentlichen Schweißnaht begonnen werden konnte, wurden die Bauteile etwa 2mm übereinander ausgerichtet und zusammen geheftet. Um auch auf der Innenseite des Stoßventils bzw. des Druckkessels eine schöne Schweißnaht ohne Schweißspritzer zu erhalten wurden sowohl der Druckkessel als auch das Stoßventil mit einem Formiergas (Argon) gefüllt. Dazu wurden die beiden Bauteile weitgehend abgedichtet und den ganzen Schweißvorgang über mit dem Schutzgas durchspült. Dadurch wurde gewährleistet, dass auch auf der Innenseite der Schweißnaht keine unerwünschten chemischen Reaktionen stattfinden konnten.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 80/139
Schleifen und Beizen: Um die Schweißnähte an Druckwindkessel und Stoßventil zu reinigen und gegen unerwünschte Umwelteinflüße zu schützen, mussten diese durch Beizen und Schleifen nachbearbeitet werden.
Zu Beginn wurde die Schweißnaht und deren Umgebung grob gereinigt, das heißt es wurden diverse größere Verunreinigungen mit einer Handfeile oder eventuell mit einem Winkelschleifer entfernt. Darauffolgend musste die Schweißnaht und deren umliegende Fläche fettfrei gemacht werden.
Der gewünschte Erfolg wurde durch eine sehr feinkörnige Polierscheibe erzielt. Nun war die Fläche ausreichend vorbereitet und es konnte mit dem eigentlichen Beizen der Schweißfläche begonnen werden.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 81/139
Es wurde per Hand mit einem Haarpinsel ein spezielles Beizmittel auf der gesamten Schweißnaht und deren geschliffenen, umliegenden Flächen aufgetragen, es war dabei besonders darauf zu achten, dass dies sehr sorgfältig und flächendeckend erfolgte. Nun wurden die gebeizten Werkstücke zum Trocknen bzw. zum Einwirkenlassen des Beizmittels aufgelegt, im Normalfall hätte dieser Trockenvorgang zwei Stunden in Anspruch nehmen sollen, jedoch wurde bei unseren Teilen der gewünschte Erfolg schon nach einer Stunde erreicht.
Nachdem das Beizmittel auf den Flächen deutlich erkennbare Spuren zurückließ, wurden diese mit einem nassen Tuch und einer sehr feinen Polierscheibe entfernt. Um nun die Schweißnaht optisch den anderen Flächen wirklich exakt anzugleichen, wurde nach dem beendeten Beizvorgang das gesamte Werkstück mit einer Schleifscheibe poliert um die Oberfläche des Edelstahls auf Hochglanz zu bringen.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 82/139
Druckprobe des Windkessels Nachdem wir die Vorbereitungsarbeiten für den Windkessel (Organisation der benötigten Teile und deren Schweißnahtvorbereitung) getroffen hatten, wurde er zusammengeschweißt. Da wir nicht ausreichende und keine geprüften Schweißkenntnisse besitzen, übernahm diese Tätigkeit VL Klaus Haipl. Nachdem der Windkessel zusammengeschweißt war, befassten wir uns sogleich mit dessen Prüfung. Da wir unseren Hydraulischen Widder für einen Höchstdruck von maximal 16 bar auslegten, „pressten“ wir den Windkessel mit dem maximal möglichen Betriebsdruck sowie der gebräuchlichen 1,5-fachen Sicherheit ab (24 bar). Versuchsaufbau:
Platte mit Einschweißmuffe
Druck-schlauch Entlüftung
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 83/139
Versuchserläuterung: Um den Druck prüfen zu können, mussten wir als ersten Schritt den Windkessel geeignet, am unteren Ende (beim Flansch) abdichten. Wir verwendeten dabei eine Metallplatte der Stärke 8mm und bohrten in diese 8 Durchgangslöcher, um sie auf den Flansch zu schrauben und eines für den Druckschlauch. Auf das Loch für den Druckschlauch der Handpumpe wurde eine Muffe mit Außengewinde angeschweißt, um den Druckschlauch befestigen zu können. Als wir nun diesen Deckel fertig hatten, legten wir eine Dichtung zwischen Windkesselflansch und der Platte und verschraubten sie miteinander. Anschließend füllten wir den Kessel mit Wasser und „drückten“ ihn mit einem Druck von 24 bar ab. Kommentar: Der Versuch verlief reibungsfrei und ohne Probleme. Wie von uns erwartet, hielt der Windkessel den Druck von 24 bar stand und war somit voll einsatzbereit. Versuchsort: Werkstättenhof der HTBLA-Salzburg Verwendete Geräte:
- Windkessel - mit Wasser gefüllte Abpresspumpe - diverse Werkzeuge und Schrauben
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 84/139
Testlauf
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 85/139
Absperrventil
Druckleitung
Zuleitung
Stahlfass Steigleitung
Hydraulischer Widder
WasserstrahlDüse
überschüssiges Wasser
11. Testlauf Am 6. April 2000 führten wir im Werkstättenhof der HTL den Testlauf des Hydraulischen Widders durch. Folgend ist eine schematische Skizze des Aufbaus für den Testlauf zu sehen.
Bevor der Testlauf durchgeführt werden konnte, musste das Stahlfass zuerst über die Zuleitung mit Wasser gefüllt werden. Als dies geschehen war, konnte das Absperrventil geöffnet werden. Das Wasser floss nun durch die Druckleitung zum Hydraulischen Widder. Über das Stoßventil entwich das überschüssige Wasser. Nachdem ein Druckstoß erfolgte, wurde ein Teil des Wassers durch die Steigleitung zur Düse gefördert. Durch die Düse (Simulation des Springbrunnenbetriebs) wurde ein etwa eineinhalb Meter hoher Wasserstrahl erzeugt. Die einzelnen Arbeitstakte waren deutlich erkennbar, wobei der Wasserstrahl aber nie ganz abriss. Der Testlauf verlief jedoch nicht ganz ohne Probleme.
Flatterventil
Stoßventil
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 86/139
Der Vorgang wie er oben beschrieben ist, funktionierte nicht von Anfang an reibungslos. Da die Ventilstange im Stoßventil zuwenig Spiel hatte, kam kein Druckstoß zustande. So mussten wir die Hülse, die in das Stoßventil eingepresst war zunächst entfernen. Später bearbeiteten wir diese noch nach, indem wir den Innendurchmesser derselben vergrößerten. Nachdem dieses Problem gelöst war, funktionierte der Widder einwandfrei.
Am 10. 4. 2000 machten wir uns daran den Wirkungsgrad des Hydraulischen Widders grob abzuschätzen. Die Bedingungen für die Bestimmung des Wirkungsgrads waren nicht optimal, da der Wasserspiegel im Stahlfass nicht konstant war, sondern stetig abnahm. Trotzdem gelang uns eine gute Abschätzung des Wirkungsgrades. Die Bestimmung des Wirkungsgrades sowie die Aufnahme aller sonst benötigten Daten siehe Berechnung.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 87/139
Montage
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 88/139
12. Montage Am 13. 4. 2000 besuchten wir erstmals die WasserWunderWelt in Krimml. Wir nahmen auch den schon fertigen Widder mit. Nach einer Besprechung mit einigen Vertretern der GROHAG und den Architekten der WasserWunderWelt besichtigten wir das noch unfertige Gelände. Nach Absprache mit Herrn Haubner legten wir als Montagezeitraum die Tage vom 8. bis zum 11. Juni 2000 fest. Da die mündliche Reifeprüfung beziehungsweise die Präsentation der Diplomarbeit bereits vor dem Montagetermin stattfinden, kann die Montage nur ansatzweise dokumentiert werden. Anschließend sind die Pläne, die die Einbausituation des Hydraulischen Widders zeigen, eingefügt.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 89/139
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 90/139
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 91/139
Berechnung
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 92/139
13. Berechnung Berechnung der Spannung in Längsrichtung p = 1600000 Pa D = 168,3 mm s = 2 mm
Sl = p . (D - 2 . s)
2 . s =
1600000 Pa . (168,3 mm - 2 . 2 mm)2 . 2 mm
= 65,72 N
mm2
Berechnung der Spannung in Querrichtung
Sq = Sl
2 =
65,72 N
mm2
2 = 32,86
Nmm2
Auslegung des Springbrunnens Für die Berechnung des Wirkungsgrades eines Hydraulischen Widders gilt folgende Formel.
n = Vab . hab
Vzu . hzu
n . . . Wirkungsgrad des Hydraulischen Widders (einheitenlos) Vab . . . Fördervolumenstrom in l/s hab . . . Förderhöhe in m Vzu . . . Versorgungsvolumenstrom in l/s hzu . . . Versorgungsgefälle in m Der Wirkungsgrad wurde im durchgeführten Testlauf ermittelt. Dazu wurden folgende Daten aufgenommen.
Vab = 0,1111 ls hab = 1,95 m
Vzu = 1,1556 ls hzu = 1,6875 m
Aus diesen Größen kann nun der Wirkungsgrad berechnet werden.
n = Vab . hab
Vzu . hzu =
0,1111 ls . 1,95 m
1,1556 ls . 1,6875 m
= 0,11
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 93/139
Durch die Gültigkeit der Gleichung V = A . v kann nun unter Annahme eines Düsenquerschnitts A beziehungsweise eines Düsendurchmessers d die Austrittsgeschwindigkeit v des Wasserstrahls aus der Düse berechnet werden. Die Höhe H des aus der Düse ausströmenden Wasserstrahls kann mit dem Gesetz des Vertikalen Wurfs nach oben ermittelt werden. Die entsprechende Gleichung lautet wie folgt.
H = v2
2 . g
Die Auswertung der obigen Gleichungen wurden mit Excel durchgeführt, wobei für den Versorgungsvolumenstrom Vzu und den Düsendurchmesser d verschiedene Werte angenommen wurden. Die Höhen h ab und h zu sind von der GROHAG vorgegeben und somit fix festgelegt. Der Fördervolumenstrom Vab ergibt sich durch den Wirkungsgrad. Auslegung des Springbrunnens mit zeitgetaktetem Ventil Neben der obig durchgeführten Auslegung gibt es noch eine zweite Möglichkeit den Springbrunnen zu betreiben. Mit Hilfe eines zeitgetakteten Ventils kann man den Fördervolumenstrom für eine bestimmte Zeit anstauen, bis dieser einen entsprechenden Druck erreicht hat. Wenn nun das Ventil öffnet, entsteht ein wesentlich größerer Wasserstrahl als bei herkömmlichem Betrieb. Da aber in der WasserWunderWelt eine solche Attraktion mit dem Titel „Geysir“ schon vorhanden ist, entschied sich die GROHAG für die erste Variante. Trotzdem ist anschließend die zugehörige Berechnung angeführt. Die Auswertung der folgenden Berechnung ist wie zuvor der zugehörigen Exceltabelle zu entnehmen.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 94/139
Diese Berechnung wird nun solange durchgeführt, bis ein entsprechender Druck erreicht ist. Die zur Berechnung notwendige Öffnungszeit des Flatterventils t errechnet sich wie folgt.
t = 2 . LvSch
= 2 . 6 m
1485 ms
= 0,0081 s
Wenn nun ein Druck p ab von beispielsweise 9 bar erreicht ist, kann das zeitgetaktete Ventil öffnen und den Wasserstrahl erzeugen. Zur Berechnung der Zeit t Öffn, nach welcher das zeitgetaktete Ventil öffnen soll, muss man noch berücksichtigen, dass sich der Stössel nach jedem Druckstoß senkt und wieder nach oben bewegen muss, bevor der nächste Druckstoß stattfindet. Diese Zeit t D wird für die folgende Berechnung mit 1 s angenommen. Durch den durchgeführten Testlauf hat sich diese Annahme in guter Näherung bestätigt. i = 55 (aus Exceltabelle) tÖffn = i . (t + tD) = 55 . (0,0081 s + 1 s) = 55,44 s Die Zeit t Öffn beträgt in etwa eine Minute. Mit einer solchen Zeitspanne wäre der Geysir gut betreibbar. p zu . . . Versorgungsdruck in bar p ab . . . Förderdruck in bar Vneu . . . „Neues“ Luftvolumen im Druckkessel in l t . . . Öffnungszeit des Flatterventils in s L . . . Länge der Druckleitung in m vSch . . . Schallgeschwindigkeit in Wasser in m/s (=Geschwindigkeit des Druckstoßes) i . . . Anzahl der Druckstöße, die notwendig sind um den gewünschten Druck zu erreichen (einheitenlos) t Öffn . . . Zeit, nach der das zeitgetaktete Ventil öffnet in s t D . . . Zeit, die der Stössel benötigt, um abzusinken und den Wasserdurchfluss wieder abzusperren in s
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 95/139
Auswertungstabelle für die Auslegung des Brunnens ohne zeitgetaktetes Ventil
Arbeitsstunden in der SchuleHeim- oder Freizeitarbeiten
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 123/139
Stunden pro Monat / Daniel Zöller
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Septe
mber
Oktobe
r
Novem
ber
Dezem
ber
Janu
ar
Febru
ar April
Mai
Monat
Stu
nden
anza
hl Planung, Organisation undDokumentationKonstruktion und Berechnung
Fertigung
Vergleich Arbeitsstunden / Daniel Zöller
0
10
20
30
40
50
60
70
Septe
mber
Oktobe
r
Novem
ber
Dezembe
rJa
nuar
Febru
ar April
Mai
Monat
Pro
zent
Heim- oder FreizeitarbeitenArbeiten in der Schule
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 124/139
Vergleich Gesamtarbeitsstunden / Daniel Zöller
44%
28%
28%Planung, Organisation undDokumentationKonstruktion und Berechnung
Fertigung
Vergleich Gesamtarbeitsstunden / Daniel Zöller
84%
16%
Arbeitsstunden in der SchuleHeim- oder Freizeitarbeiten
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 125/139
Stunden pro Monat / Gesamte Gruppe
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Septe
mber
Oktobe
r
Novembe
r
Dezem
berJan
uar
Febru
ar April
Mai
Monat
Stu
nden
anza
hl Planung, Organisation undDokumentationKonstruktion und Berechnung
Fertigung
Vergleich Arbeitsstunden / Gesamte Gruppe
0
50
100
150
200
250
Septe
mber
Oktobe
r
Novem
ber
Dezembe
rJa
nuar
Febru
ar April
Mai
Monat
Pro
zent
Heim- oder FreizeitarbeitenArbeiten in der Schule
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 126/139
Vergleich Gesamtarbeitsstunden / Gesamte Gruppe
58%25%
17%
Planung, Organisation undDokumentationKonstruktion und Berechnung
Fertigung
Vergleich Gesamtarbeitsstunden / Gesamte Gruppe
79%
21%
Arbeitsstunden in der SchuleHeim- oder Freizeitarbeiten
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 127/139
Kalkulation
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 128/139
16. Kalkulation Die Kalkulation des Projektes wurde großteils mit Excel durchgeführt. Folgend sind einige Erklärungen zur Kalkulation sowie die Ermittlung der Projektgesamtkosten angeführt. Die Kalkulation umfasst zwei Tabellen, eine für die Materialgesamtkosten und eine für die Fertigungsgesamtkosten. Materialgesamtkosten Die Materialgesamtkosten umfassen die Materialkosten (Kosten für das Material) und die Materialgemeinkosten (alle Kosten, die mit dem Material in Zusammenhang stehen, diesem aber nicht direkt zugeordnet werden können, wie beispielsweise Lieferkosten, Lagerkosten und sonstige mittelbar anfallende Kosten). Die Materialgemeinkosten werden den Materialkosten prozentuell zugerechnet. Der angenommene Prozentsatz beträgt 10 %. Bei der Berechnung der Materialkosten ist zu beachten, dass die Mehrwertsteuer (MWSt) nicht veranschlagt wird. Die Mehrwertsteuer wird erst bei der Ermittlung des Bruttoverkaufspreises berücksichtigt. Die Materialkosten umfassen bei der Kalkulation die Kosten für das reine Material, den Legierungszuschlag, die Bearbeitungskosten der Lieferfirmen, die Frachtkosten, die Kosten für ein Werksattest sowie die Kosten für die Verpackung der Teile. Diese Kosten sind nicht genau aufgeschlüsselt, sondern in einer Summe dargestellt, wobei für jedes Teil des Hydraulischen Widders die Kosten extra berechnet sind. Aus der zugehörigen Tabelle können die Werte für die Materialkosten und die Materialgemeinkosten des Hydraulischen Widders entnommen werden. Materialkosten 22.877,88 ATS 1.662,60 EUR Materialgemeinkosten (10 %) 2.153,64 ATS 156,51 EUR Materialgesamtkosten 25.031,52 ATS 1.819,11 EUR Fertigungsgesamtkosten Die Berechnung der Fertigungsgesamtkosten ist etwas aufwendiger als die der Materialgesamtkosten. Die zugehörige Tabelle ist so aufgebaut, dass jedem Bauteil des Hydraulischen Widders in Abhängigkeit der Bearbeitungsstunden in der jeweiligen Werkstätte ein Kostenbetrag zugewiesen ist. Jeder Kostenstelle sind fünf Spalten zugeteilt. Eine für die Bearbeitungsstundenanzahl, eine für die Lohnkosten (angenommen mit 60 ATS/h), eine für die Lohnnebenkosten (angenommen mit 100 % der Lohnkosten), eine für die Fertigungsgemeinkosten und die letzte für die Fertigungsgesamtkosten in der jeweiligen Kostenstelle. Die Fertigungsgemeinkosten werden wieder prozentuell zu den Fertigungskosten zugerechnet. Die Fertigungskosten ergeben sich aus der Summe aus Lohnkosten und Lohnnebenkosten. Wie zuvor schon erwähnt, hängen die Fertigungsgemeinkosten von der Art der Kostenstelle ab.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 129/139
Die Fertigungsgemeinkosten bestehen aus den Kosten für Werkzeuge, Kühlmittel und sonstige Hilfsstoffe der Fertigung, den Kosten für Wartung und Reparatur der eingesetzten Maschinen, den Kosten für die Arbeitsvorbereitung der einzelnen Fertigungstätigkeiten sowie allen sonstigen Kosten, die mittelbar anfallen. Folgend sind die entsprechenden Prozentsätze zur Berücksichtigung der Fertigungsgemeinkosten aufgelistet. Werkstätte / Tätigkeit Prozentsatz
Handarbeit 100 % Schweißerei 150 % Dreherei 200 % Fräserei 200 % CNC-Fräserei 300 % Aus der zugehörigen Tabelle können die Werte für die Fertigungskosten und die Fertigungsgemeinkosten des Hydraulischen Widders entnommen werden. Fertigungskosten 258.640,00 ATS 18.796,10 EUR Fertigungsgemeinkosten 150.612,00 ATS 10.945,40 EUR Fertigungsgesamtkosten 409.252,00 ATS 29.741,50 EUR Gesamtkosten des Projektes / Bruttoverkaufspreis des Hydraulischen Widders Zur Ermittlung der Gesamtkosten des Projektes, die dem Bruttoverkaufspreis des Hydraulischen Widders entsprechen, wird das Kostenschema, das auf der nächsten Seite zu sehen ist verwendet. Materialgesamtkosten 25.031,52 ATS 1.819,11 EUR Fertigungsgesamtkosten 409.252,00 ATS 29.741,50 EUR Herstellkosten 434.283,52 ATS 31.560,61 EUR Verwaltungsgemeinkosten (5 %) 21.714,18 ATS 1.578,03 EUR Vertriebsgemeinkosten (0 %) 0,00 ATS 0,00 EUR Selbstkosten 455.997,70 ATS 33.138,65 EUR Gewinn (10 %) 45.599,77 ATS 3.313,87 EUR Nettoverkaufspreis 501.597,47 ATS 36.452,51 EUR Mehrwertsteuer (20 %) 100.319,49 ATS 7.290,50 EUR Bruttoverkaufspreis 601.916,96 ATS 43.743,00 EUR Die Gesamtkosten des Projektes betragen somit 601.916,96 ATS (43.743,- EUR).
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 130/139
Kostenschema für die Kalkulation
Materialkosten
Materialgemeinkosten M
ater
ialg
esam
tkos
ten
Fertigungskosten
Fertigungsgemeinkosten
Fer
tigun
gsge
sam
tkos
ten
Her
stel
lkos
ten
Verwaltungsgemeinkosten
Vertriebsgemeinkosten
Sel
bstk
oste
n
Gewinn
Net
tove
rkau
fspr
eis
Mehrwertsteuer
Bru
ttove
rkau
fspr
eis
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 131/139
Kalkulationstabelle für die Materialgesamtkosten Bezeichnung Material MWSt Skonto MK incl. MWSt MK excl. MWSt MGK GESAMT Grundblock 7572,75 1514,55 -181,75 8905,55 7391,00 739,10 8130,10
Zusätzliche Kosten 1341,50 268,30 0,00 1609,80 1341,50 0,00 1341,50 S U M M E 23.457,23 4.691,45 -579,35 27.569,33 22.877,88 2.153,64 25.031,52
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 132/139
Kalkulationstabelle für die Fertigungsgesamtkosten (POD und KB)
Planung, Organisation, Dokumentation Konstruktion und Berechnung Bezeichnung h LK LNK FGK FK h LK LNK FGK FK Grundblock 120,0 14400 14400 11520 40320 60,0 12000 12000 12000 36000
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 136/139
Verteilung der Gesamtkosten auf die verschiedenen Kostenstellen
Planung, Organisation undDokumentation
48%
AuswärtigeArbeiten
2%
CNC-Fräsen2%
Fräsen4%
Drehen6%
Schweißen0%
Handarbeit2%
Konstruktion undBerechnung
36%
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 137/139
Kommentar zur
Diplomarbeit
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 138/139
17. Kommentar zur Diplomarbeit Als wir gegen das Ende des zweiten Semesters des vierten Jahrganges unsere Diplomarbeit zugeteilt beziehungsweise zugesichert bekamen, waren wir noch relativ unvertraut mit der Thematik Hydraulischer Widder. Die Alternative zur Diplomarbeit war eine herkömmliche Matura in Form einer technischen Projektarbeit, die nach Ende des 5. Jahrgangs in einer Dauer von einer Woche abgehalten werden würde. Da sich die Möglichkeit einer Diplomarbeit interessant anhörte und diese über das ganze Jahr läuft, entschied sich der gesamte Jahrgang für sie. Von dort an begann der Trubel, jeder versuchte Gruppen zu bilden, da die Diplomarbeit eine Gruppenarbeit werden würde und die Arbeit im Team abläuft. Als dann die Gruppen einigermaßen gebildet waren, fing der eigentliche Stress an, die Jagd nach den Projekten. Unsere Projektgruppe hatte ziemliches Glück, denn wir bekamen ein sehr interessantes und aufregendes Projekt. Dieses Projekt wurde von AV Walter Kittl forciert und wir kamen dadurch auch gleich zu einem Sponsor. Zu Beginn des 5. Jahrganges waren die Arbeitsaufgabe und das Thema an sich relativ fremd. Im Laufe des Projektes änderte sich dies jedoch sehr schnell. Nach und nach verstanden wir die genaue Arbeitsweise eines Hydraulischen Widders. Besonders hilfreich war der historische Widder, den wir uns vom Freilichtmuseum Großgmain zur genaueren Ansicht entleihen durften. Bei der Konstruktion unseres Widders nahmen wir einige Details dieses Widders als Vorlage. Im Laufe des Projektes entwickelte sich unser eigener Widder, den wir aufgrund seines Verwendungszweckes vollständig aus Edelstahl ausführten. Der einzige Nachteil von Edelstahl ist die, im Vergleich zu Aluminium oder Messing, relativ große Dichte und damit das hohe Gesamtgewicht des ganzen Widders. Dieser Nachteil wird von den vielen Vorteilen, wie beispielsweise die optimale Witterungsbeständigkeit oder der ansprechende optische Eindruck, mehr als kompensiert. Die Abmaße übernahmen wir soweit wie möglich vom historischen Widder, der Druckkessel sollte jedoch nicht wie bei diesem in Birnenform sondern in zylindrischer Form ausfallen. Um Einblick in den Widder zu bekommen und seine Funktionsweise leichter verstehen zu können, versuchten wir den Druckkessel aus transparentem Material auszuführen. Die Endkonstruktion beinhaltete jedoch dann einen Edelstahlzylinder, da das transparente Material den ausgelegten Höchstdruck von 16 bar (bzw. 24 bar) nicht aushalten würde. Der zusätzliche Fertigungs- und Kostenaufwand sprachen auch eindeutig gegen eine solche Realisierung. Nachdem wir die endgültige Konstruktionsvariante gewählt hatten, begannen wir damit die notwendigen Materialien zu bestellen beziehungsweise Auskünfte über deren Verfügbarkeit einzuholen. Dies gestaltete sich manchmal nicht ganz nach unseren Wünschen, jedoch im Großen und Ganzen waren wir recht zufrieden mit der Verfügbarkeit und der Lieferzeit der jeweiligen Materialien.
Höhere Technische Bundeslehranstalt Salzburg Abteilung für Maschineningenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Umwelttechnik
Diplomarbeit Hydraulischer Widder 5HMB 1999/2000
Tobias Reiter, Alexander Schober, Simon-Alexander Zerawa, Daniel Zöller Seite 139/139
Auch die Fertigung musste entsprechend geplant werden, da nicht jede Werkstätte täglich besetzt war oder eine andere Projektgruppe noch eine Maschine belegte. Eine weitere Hürde war die Bearbeitung des Edelstahls, da dieser sehr hart ist und die Maschinen und Werkzeuge der HTL für eine solche Bearbeitung nicht ausgelegt sind. Trotzdem konnten wir, dank der großen Hilfsbereitschaft der Werkstättenlehrer, die uns immer mit Ratschlägen und Manpower unterstützten, die Fertigung durchführen. Vor dem Testlauf in der Schule hatten wir so manchen Zweifel, ob unser Widder wie gewollt funktionieren würde. Als der Widder zusammengebaut war, waren wir auf den Testlauf gespannt. Als wir unseren Widder dann aber zum ersten Mal in Betrieb sahen, fiel uns ein Stein vom Herzen. Die ganze Arbeit, die wir über Monate in das Projekt investierten, trug ihre Früchte. Erstmals in der gesamten HTL-Ausbildung hatte man das Gefühl ein Projekt vom ersten Entwurf bis zum letzten Schliff hin zu bearbeiten. Die Diplomarbeit war sicher eine der lehrreichsten und interessantesten Abschnitte unserer Ausbildung, den keiner von uns missen möchte. Wir hoffen diese Diplomarbeit ist für Sie genauso interessant gewesen wie für uns die Planung, Konstruktion und Fertigung des Hydraulischen Widders. Die Projektgruppe Hydraulischer Widder:
Tobias Reiter:
_____________________________
Simon-Alexander Zerawa:
_____________________________
Alexander Schober:
_____________________________
Daniel Zöller:
_____________________________
Die Geschichte des hydraulischen Wasserwidders
1. Erfindung2. Entwicklung USA3. Entwicklung Europa
1. Erfindung des Wasserwidders in FrankreichDie Geschichte des hydraulischen Wasserwidders begann 1772, als John Whitehurst inEngland einen ersten hydraulischen Widder konzipierte, der allerdings noch nicht von selberfunktionierte. Der Franzose Joseph Michael Montgolfier entwickelte im Jahre 1796 eineausgeklügelte Ventilsteuerung, die es ermöglichte, dass der Widder von selbst lief. Er entdecktedie Stosskraft des Wassers, als er am unteren Ende eines Rohres schnell einen Hahn schloss(vgl: schnelles Schließen eines Gartenschlauches hat Zuckung des Gartenschlauches zurFolge). Diese beträchtliche Stoßenergie, die bei jedem Schließen des Hahnes wieder auftrat,nutzte schließlich Montgolfier, als er nach einigen Fehlversuchen endlich die grundlegendenVoraussetzungen für die Konstruktion und den Bau eines hydraulischen Widders entdeckt hatte.
zurück nach oben
2. Die Entwicklung des Wasserwidders in den USA:In den folgenden Jahrzehnten wurde der hydraulische Widder immer weiter verbessert, 1809bekamen J. Cerneau and S.S. Hallet in New York das erste amerikanische Patentzugesprochen. Es dauerte aber bis ca. 1832, dass sich die Kunde über diese einfache, abereffektive Erfindung in den USA herumsprach. Bis 1840 wurden die meisten Widder von Europain die USA importiert, bis im Jahre 1843 H.H. Strawbridge aus Louisiana den ersten komplett inden USA hergestellten Widder präsentieren konnte. Sein erster Widder war aus Holz hergestelltund explodierte bei den ersten Vorführungen, kurz darauf folgte dann ein Widder aus Gußeisen.Das Interesse an ihm wurde in Amerika durch Artikel in großen Farmerzeitungen, wie z.B. im"Farmer's Cabinet" und "American Farmer", noch weiter gesteigert. Ein detailliertes Buch überdie Erfindung, das 1842 veröffentlicht wurde, war 1870 bereits in seiner 16. Auflage! In denJahren von 1840 bis 1850 kam es wahrlich zu einer Inflation an Patenten für das Gerät, dieallerdings ab 1858 nicht mehr geschützt wurden, bis 1870, als innerhalb von drei Jahrennochmal vier Patente zugelassen wurden. Die Popularität begründet sich auf der Tatsache,dass der Widder relativ billig war, es wird von Preisen zwischen 60$ und 12$ für amerikanischeWidder berichtet, wobei sich die durchschnittlichen Instandhaltungskosten auf ca. 0,25$ bis 1$jährlich beliefen. Neben der privaten Nutzung von kleinen Widdern für Privatleute und Farmerwurden sehr große Widderexemplare auch eingesetzt, um Ortschaften mit Trinkwasser zuversorgen, so wird von einem Widder berichtet, der die Ortschaft Naples im Bundesstaat New
York pro Tag mit 80 m Trinkwasser versorgte. Ein sehr bekannter Widder war die sog. RifeHydraulic Engine, die bis zu 200 m Wasser pro Tag über eine vertikale Höhe von bis zu 60Meter pumpen konnte.Weitere Einsatzgebiete lagen in der Versorgung der Eisenbahnstationen, die das Wasser für dieDampfloks benötigten, sowie in der Versorgung von Industieanlagen. Das Ende derWasserwidder Ära wurde mit der Erfindung der elektrischen Pumpe eingeläutet, die denhydraulischen Widder mehr und mehr von dessen angestammten Aufgabenbereichenverdrängte.
zurück nach oben
3. Die Entwicklung des Wasserwidders in EuropaÄhnlich wie in Amerika entwickelte sich der Widder auch in Europa. Hier wurde er ebenfalls inden Jahrzehnten nach seiner Erfindung immer wieder weiterentwickelt, das ist durch zahlreichePatentschriften dokumentiert.Die Preise für die Widder waren allerdings im Gegensatz zu denen in Amerika wesentlich höher.Es wird berichtet, dass im 19. Jahrhundert ein hydraulischer Widder so teuer wie zwei schwereOchsen war, also verhältnismäßig teuer, wenn man bedenkt, dass auch auf großenBauernhöfen relativ wenig Vieh gehalten wurde. Dennoch wurden die Widder zu Tausendenverkauft und eingebaut, da sie einen enormen Komfort für seinen Besitzer darstellten - dasWasser musste nicht mehr mühsam auf dem Rücken herbeigeschleppt werden.In der Praxis zeigte sich aber trotz aller Verbesserungen, dass der Bau von Widdern mit vielenUnbekannten behaftet war. Im 20. Jahrhundert erst wurde das Funktionsprinzip mit Hilfe vonsystematischen Versuchen richtig erforscht und daraus leitete man empirischeGesetzmäßigkeiten ab, die noch heute Gültigkeit haben. Daraus entstanden nun unter anderemdie SANO Widder (SANO = eingetragenes Warenzeichen und leitet sich vom lateinischenBegriff "sanus" - gesund - ab). Bei dem in der Schule ausgestellten Widder handelt es sichebenfalls um einen SANO Widder. Die jüngste Erfindung im Bereich der hydraulischenStoßheber ist der sogenannte Weinmansche Bachwidder. In Europa, vor allem aber in Deutschland, wurden die Widder mit der Einführung der zentralenWasserversorgung verdrängt.
zurück nach oben
Wenn Sie diese Seite über eine Suchmaschine gefunden haben und auf der linken Seite keineNavigationsleiste zu sehen ist, klicken Sie bitte hier: Homepage mit Navigationsleiste
Funktionsweise des hydraulischen Widders:Zum besseren Verständnis der Erklärung dient folgende schematische Skizze
schematische Skizze für den Aufbau einer Wasserhebeanlage mit Bezeichnung Bezeichnungen:
V = Volumen des vorhandenen Triebwassers; v = Volumen des geförderten Wassers H = senkrechte Triebwassergefällehöhe; h = senkrechte Förderhöhe
Ein hydraulischer Widder nutzt zum Betrieb das so genannte Prinzip des Druckstoßes. EinWasserbehälter, in der Skizze mit Triebwasserbehälter bezeichnet, sammelt das Wasser. DerBehälter liegt mindestens 1,50 Meter über der Widderanlage und ist über dieTriebwasserleitung, die auch als Druckleitung bezeichnet wird, mit der Widderanlageverbunden. Das Stoßventil (Schnellschlussventil) des Widders wird durch den Volumenstromdes Wassers schlagartig geschlossen, d.h., wenn das Wasser seine maximaleFließgeschwindigkeit hat, schließt sich auch das Stoßventil. Es läuft also ein Teil des Wassers scheinbar ungenutzt durch den Widder und tritt beimStoßventil aus. Dieses Wasser wird jedoch gebraucht, um überhaupt die maximaleFließgeschwindigkeit aufzubauen. Nachdem das Stoßventil geschlossen hat, entsteht eine Druckwelle und es kommt zum sogenannten Prinzip des Druckstoßes, da das Wasser zuvor in der Triebleitung noch in Bewegungwar und jetzt abrupt gestoppt wurde, die kinetische Energie der bewegten Wassersäule wird inpotentielle Energie umgewandelt. Damit erhöht sich sowohl der Druck in der Triebleitung alsauch der im Widder. Der starke Druckanstieg hat zur Folge, dass das Wasser über einDruckventil (Rückschlagventil), es handelt sich hierbei im Prinzip um ein Überdruckventil, in denWindkessel gedrückt wird. Hier befindet sich ein Luftpolster, dieses wird jetzt beim Eintritt desWassers komprimiert. Sobald der Druck der Luft im Windkessel größer ist als der sich am Endeder Steigleitung befindende Atmosphärendruck, beginnt sich die Luft im Windkessel dannwieder zu dekomprimieren. Das Wasser im Windkessel wird wieder zurückgedrückt, in diesem
Moment schließt sich das Druckventil und das Wasser kann nur noch in die Steigleitungentweichen. Das Wasser wird zum Hochbehälter gefördert. In der Zwischenzeit hat auch derDruck, der das Stoßventil geschlossen hielt, wieder abgenommen, ein Teil des Drucks wurde jain den Windkessel, der Rest an die Steigleitung abgegeben. Beim Schließen des Druckventilsist auch ein leichtes Vakuum entstanden, sodass das Stoßventil durch sein Gewicht wiedernach unten sinkt. Je nach Bauweise des Widders wird das Stoßventil auch durch eine Spiral-bzw. Blattfeder wieder geöffnet. Der Strömungsquerschnitt wird wieder freigegeben, und derPumpzyklus beginnt von neuem.
Wenn Sie diese Seite über eine Suchmaschine gefunden haben und auf der linken Seite keineNavigationsleiste zu sehen ist, klicken Sie bitte hier: Homepage mit Navigationsleiste
Wirkungsgrad des Widders
Der Wirkungsgrad des hydraulischen Widder berechnet sich nach der allgemeinen Formel fürden Wirkungsgrad
Pn ist die abgegebene NutzleistungPa ist die aufgewandte LeistungDie abgegebene Nutzleistung berechnet sich beim Widder durch das in einer bestimmtenZeiteinheit geförderte Wasser, also wieviel potentielle Energie das geförderte Wasser nachDurchführung des Versuchs hat. Diese berechnet sich durch m*g*h, wobei m, der Masse desWassers entspricht, und diese berechnet sich über Volumen v mal der Dichte des gefördertenWassers. Die Höhe über dem Bezugsniveau stellt h, die Förderhöhe, wie in der Abbildunggeschildert, dar:
Die aufgewandte Leistung berechnet sich ebenfalls durch die potentielle Energie. Hier ist dieMasse m gleich dem Volumen V mal der Dichte des Wassers im Triebwasserbehälter und dasTriebwassergefälle H die Höhe. Dichte und Erdbeschleunigung darf man als konstant ansehenund kürzen, daraus folgt:
In der Praxis ist ein Wirkungsgrad von bis zu n = 0,8, also 80 %, möglich, allerdings ist dieserWert stark abhängig vom richtigen Einbau des Widders. Ein Wirkungsgrad von n = 0,6 ist üblich.Häufig sieht man die Formel für den Wirkungsgrad in der Weise umgestellt, dass man direkt dasgeförderte Wasservolumen bei bekanntem Wirkungsgrad ausrechnen kann:
Wenn Sie diese Seite über eine Suchmaschine gefunden haben und auf der linken Seite keineNavigationsleiste zu sehen ist, klicken Sie bitte hier: Homepage mit Navigationsleiste
Navigationsmenü:
1. Quellsammler und Triebschacht Gehe zu
Achtung: Für das Navigationsmenü muss JavaScript angeschaltet sein! Stellen Sie bitte sicher,dass ihr Browser Java Script verwendet! Ansonsten können Sie das Navigationsmenü nichtverwenden.
Aufbau einer kompletten WidderanlageDa der Widder nie alleine funktionieren kann, bedarf es des Aufbaus einer komplettenWidderanlage. Die einzelnen Komponenten möchte ich hier vorstellen.
1. Der Triebwasserbehälter und QuellsammlerIm Quellsammler wird das Wasser, das aus einem Bach, einer Quelle oder sonstigemWasserreservoir stammen kann, zunächst gesammelt. Er dient auch als Absetzbecken fürGrobverschmutzungen im Wasser. Von dort gelangt das Wasser weiter über einVerbindungsrohr, das mit Gefälle zum Triebschacht verlegt ist und unter der Wasseroberflächeeinmündet, in diesen. Dadurch entstehen keine Luftblasen, die unter Umständen den Widderzum Stehen bringen könnten. Im Triebschacht ist ein Überlauf eingebaut, sodass sich derWasserspiegel im Triebschacht selbständig auf eine konstante Höhe reguliert, was für denkontinuierlichen Lauf des Widders ebenfalls von Vorteil ist.
zurück zur Auswahl
2. Die Triebleitung
a) Beschaffenheit der TriebleitungDa die Triebleitung quasi den Motor der Widderanlage darstellt, muss man ihr beim Baubesondere Aufmerksamkeit schenken. Ganz wichtig ist die Wahl des Materials, eine Triebleitungmuss immer aus Stahl sein, denn ein Kunstoffrohr oder gar ein Schlauch würden beimWidderstoß federn oder sogar bersten und das kompensiert die Wirkung des Widders erheblich.Die innere Beschaffenheit des Rohres sollte möglichst immer glatt und ohne Kanten, wie z.B.Schweißnähte, sein. Die Rohrmündung, wo das Wasser vom Triebschacht in die Triebleitungmündet, sollte möglichst trompetenähnlich geweitet sein (siehe Abb. 3), damit hier die Strömungnicht abreißt. Ansonsten würde es zu Verwirbelungen kommen, welche auch zuReibungsverlusten des Wassers führen, in der Folge könnten Gasbläschen aus dem Wasserfrei werden und sich in der Triebleitung als eine Art federndes Luftpolster absetzen, dies würdewiederum den Widdergang hemmen.zurück zur Auswahl
b) Einbau der TriebleitungGrundsätzlich hängt der Einbau und damit das Gefälle der Triebleitung von der Beschaffenheitdes Geländes ab, dennoch sollte man versuchen, die Triebleitung möglichst wie in folgenderAbbildung zu verlegen:
Diese Leitung, die leicht durchhängt und sich dem Widder vom Trieb-schacht aus wie eineAsymptote annähert, gibt dem darin laufenden Wasser die beste Möglichkeit maximaleGeschwindigkeit zu erreichen. Durch diese Anordnung ist es auch nicht möglich, dass sichLuftbläschen in der Leitung sammeln können, welche den Widdergang mindern und über einenlängeren Zeitraum zu Lochfraß in der Triebleitung führen würden.
folgende Abbildung zeigt das Beispiel einer falsch eingebauten Triebleitung:
Hier hat das Wasser im unteren Teil der Leitung das Bestreben schneller zu fallen als im oberenTeil. Beim Widderstoß prallen die Wasserteile, die durch den Unterdruck auseinandergerissenwurden, wieder zusammen und wirken dem Widdergang entgegen. Außerdem besteht wiederdie Gefahr der Luftbläschen-bildung.
Die Länge der Triebleitung steht im Zusammenhang mit dem Gefälle, das überwunden werdenmuss, und dem Durchmesser, den die Triebleitung besitzt . Eine Faustregel beim Widdereinbaubesagt, dass das Verhältnis Triebwassergefälle : Triebleitungslänge wie 1: 4 angenommenwerden kann. Dieser Wert hat sich in der Praxis als günstig erwiesen und gilt alsanzustrebender Idealwert. Wenn man ein genügend hohes Wasseraufkommen hat, kann manauch eine kürzere Triebleitung einsetzen, die einer Länge von etwa 3 mal der Gefällehöheentspricht. Ist umgekehrt die Quellschüttung relativ gering, so sollte man die Triebleitung um biszu 50% verlängern, sodass sie dann schließlich 6 mal so lang wie die Gefällehöhe ist, denndann wird die Wassersäule langsamer durch die innere Reibung im Rohr, aber auch durch diegrößere Länge besitzt sie auch mehr Masse und damit mehr potentielle Energie. Damit sinkt dieFrequenz der Widderschläge, die Hubleistung jedoch bleibt gleich. Die Leitungslänge darf jedoch nicht länger als 10 mal der Gefällehöhe sein, denn dann ist dieWassersäule in der Treibleitung vergleichbar mit einer massiven Metallstange. Durch dieMassenträgheit und die zunehmende Reibung an der Rohrwand findet der Widder seinen
typischen Rhythmus nicht mehr, er bleibt immer wieder stehen.Ein anderer Weg, um die Triebleitungslänge zu bestimmen, bietet sich durch den Durchmesserder Triebleitung. Ein gewisser Herr Calvert ermittelte 1958 aufgrund von empirischenMessdaten aus systematischen Versuchen den Zusammenhang zwischen Durchmesser undLänge der Triebleitung folgendermaßen: das Verhältnis zwischen Triebleitungslänge undDurchmesser (also Länge / Durchmesser) muss im Bereich zwischen 150 und 1000 liegen.Somit berechnet man die minimale Leitungslänge der Triebleitung mit 150 x Durchmesser, diemaximale Länge mit 1000 x Durchmesser.zurück zur Auswahl
c) spezielle Triebleitung für den BachwidderFür den Bachwidder genügt ein Gefälle von 25-30 cm, hier darf aber die Triebleitung eine Längevon 10 Meter nicht überschreiten. Der Bau von Quellsammler und Triebleitungsschacht entfällt,die Triebleitung wird direkt in einem Bach installiert. Um das nötige Gefälle von 25 cmherzustellen, wird eine kleine Staustufe eingebaut und der Einlauf der Triebleitung soangebracht, dass er kein Treibgut aufnimmt. In der Praxis wird der Einlauf deutlich unter derWasseroberfläche angesetzt, so gerät auch keine Luft in die Widderanlage. zurück zur Auswahl
3. Der Wasserwidder
a) Das Stoßventil beim SANO WidderWenn das Wasser durch die Triebleitung den Widder erreicht hat, wird es durch das Stoß-, auchSchnellschlußventil genannt, abrupt gestoppt. Beim SANO Widder hält ein Federsystem dasVentil so lang offen, bis das Wasser seine maximale Geschwindigkeit erreicht hat. Dann überwindet die Wasserkraft die Federkraft und schließt das Ventil schlagartig. Heutzutage ist dieForm des Stoßventils ein sog. sphärischer Körper. Er hat eine tropfenförmige Gestalt, die vomWasser schnell, ohne energieverzehrenden Strömungsabriss und Verwirbelung, umströmt wird.Das Gehäuse und das Ventil mit seiner Führung sind aus korrosionsbeständiger Bronzegefertigt. Es gibt keinerlei Schmierung für das Ventil. Bei größeren Exemplaren des SANO- Widders verwendet man ein Kegelventil mit einerEichenholzkuppel. Das Wasser strömt dann über die hydrodynamisch günstig geformte Kuppeund verteilt sich gleichmäßig im Ringauslassspalt. Die Holzkuppe dient derGewichtsreduzierung, durch die Feuchtigkeit quillt sie auf und gewährleistet somit einendauerhaft festen Sitz. Des weiteren verwendet man eine Blattfeder, statt der Spiralfeder.
zurück zur Auswahl
b) Stoßventil beim herkömmlichen Widder
Hier wird das Stoßventil im Vergleich zum SANO-Widder quasi andersherum eingebaut und aufdie Feder verzichtet. Das ankommende Wasser strömt beim Stoßventil aus, durch denVolumenstrom des Wassers wird der Stössel nach oben bewegt, bis er schließlich denDurchfluss absperrt, es kommt genau wie beim SANO-Widder zur Druckwelle, die einenDruckstoß zur Folge hat. Ist der Druckstoß verebbt, fällt der Stössel durch sein Eigengewichtwieder herunter und öffnet das Ventil wieder, sodass das Wasser wieder Geschwindigkeitaufbauen kann und ein neuer Zyklus beginnt. Da hier die Schließfrequenz nur von der Massedes Ventils abhängt, kann man hier die Durchflussmenge nicht wie beim SANO Widder durchJustierung der Federstärke regulieren.zurück zur Auswahl
c) Stoßventil beim BachwidderHier sind alle Bauteile, die das Wasser durchfließt, in einer geraden Linie angeordnet. Diewaagerechte Anordnung herkömmlicher Stoßventile scheitert nämlich an der Tatsache, dass einVentilkegel aus Bronze sich nach kürzester Zeit einlaufen und somit undicht werden würde.Deshalb verwendet man anstatt des Bronzeventilkegels einen Ventilkegel aus Kunstoff, der dasgleiche spezifische Gewicht besitzt wie Wasser, also ca. 1 g/cm , und somit nahezu schwerelosund in der Führung schwimmend sich ohne Verschleiß bewegen kann. Durch das leichteMaterial ergibt sich noch ein weiterer Vorteil. Auf Grund der niedrigeren Masse bewegt er sich
schneller, dadurch sind pro Zeiteinheit mehr Widderstöße möglich.zurück zur Auswahl
d) Das Rückschlagventil Das Rückschlagventil ist bei allen Widderarten am unteren Ende des Windkessels zu finden,man kann es praktisch als den Partner des Stoßventils bezeichnen. Es muss so langegeschlossen bleiben, bis der Druck im System seinen höchsten Wert erreicht hat. In diesemMoment öffnet es, um den Druck nach oben in den Windkessel und die Steigleitung abzugeben.Die eingebaute Spiralfeder muss so dimensioniert sein, dass das Ventil so lange dicht schließt,bis der richtige Druckpunkt erreicht wird. Nachdem das Wasser mit hohem Druck in denWindkessel eingeströmt ist, muss das Ventil schließen, damit das Wasser nur noch in dieSteigleitung entweichen kann und somit auf das gewünschte Niveau angehoben wird.
zurück zur Auswahl
e) Der WindkesselBei allen Widderarten ist die Funktion die gleiche: Der Windkessel muss die ständig folgendenDruckstöße aufnehmem, dadurch entsteht ein gleichmäßiger Fluss in der Steigleitung und nicht,wie man es eigentlich erwarten würde bzw. bei kaputten oder schlecht gewarteten Widdernvorfindet, ein stoßweiser Austritt des Wassers aus der Triebleitung. Der Windkessel wird sogenannt, weil der obere Teil des Kessels mit Luft gefüllt ist. Diese Luft wird komprimiert, sobaldWasser unter entsprechendem Druck in den Kessel einfließt. Da Wasser in der Lage ist,wechselweise Gase aufzunehmen oder abzugeben (vergleiche Mineralwasserflasche mitKohlensäure), wird die Luft durch den ständigen Wassernachschub aufgenommen und durchdie Steigleitung abgegeben. Die Luft im Kessel wird sozusagen verbraucht und weniger. Damitwürden die Schläge auf den Windkessel und die Triebwassersäule härter werden. Das eleganteSchwingen der Triebwassersäule wird reduziert und führt letztendlich zum Stillstand. Deshalbbesitzen richtig konstruierte Widder ein automatisches Belüftungsventil. Wichtig ist die richtigePositionierung des Ventils. Beim SANO-Widder befindet sich es direkt unterhalb desRückschlagventils. Während das Triebwasser durch das Stoßventil fließt, herrscht hier Überdruck, der sich dadurch äußert, dass beim Belüftungsventil ein dünner Wasserstrahlaustritt. Sobald das Wasser durch das Rückschlagventil in den Windkessel schießt, herrschthier Unterdruck und es wird nach dem Wasserstrahlpumpenprinzip Luft eingesaugt, welche alsLuftblasen in den Windkessel aufsteigt. Wie wichtig die korrekte Funktion des Belüftungsventilsist, kann man daran sehen, dass der Widder schon nach wenigen Sekunden stehen bleibt,wenn man das Belüftungsventil absichtlich mit dem Daumen zuhält.zurück zur Auswahl
4. Die SteigleitungDie Steigleitung befördert das Wasser von Windkessel des Widders zum Hochbehälter. In ihrtreten normalerweise keine Widderschläge auf, sie kann aus einem Kunststoffschlauch oder auseinem Stahlrohr bestehen. Eine Kunstoffleitung ist sogar in diesem Fall günstiger, da sieweniger Reibungsverluste aufweist. Wenn die Steigleitung hingegen über mehrere 100 Meterhinweg verläuft, ist es unter Umständen günstiger eine Stahlrohrkonstruktion zu verwenden,denn einmal richtig aufgebaut, verursacht sie einen verhältnismäßig geringenWartungsaufwand, während ein Schlauch mit der Zeit und vor allem unter Einfluß vonTemperaturschwankungen schnell porös und löchrig werden kann, wasInstandsetzungsmaßnahmen zur Folge hat. Auf der anderen Seite kostet ein normalerGartenschlauch wesentlich weniger als eine fest installierte Rohrkonstruktion, man sollte aberbei der Wahl des Schlauches nicht unterschätzen, dass der Widder enorme Drücke erzeugenkann, dem unter Umständen ein schlecht verarbeiteter Schlauch nicht gewachsen ist. DerNutzer einer Widderanlage muss hier individuell entscheiden, welche Variante er einbauen will.Grundsätzlich sind beide Varianten möglich.zurück zur Auswahl
5. ÜbersichtSo sind die einzelnen Komponenten einer Widderanlage im Gelände angeordnet:
Wenn Sie diese Seite über eine Suchmaschine gefunden haben und auf der linken Seite keineNavigationsleiste zu sehen ist, klicken Sie bitte hier: Homepage mit Navigationsleiste
Heutige Einsatzgebiete des WasserwiddersSeine ehemals große Bedeutung als Wasserversorger für ganze Dörfer und Gemeinden hat derWasserwidder im Zuge der zentralen Wasserversorgung durch Wasserwerke natürlich verloren.Diese Entwicklung wurde auch durch die Vergiftung und Verunreinigung von Quellen durchlandwirtschaftliche Pflanzenschutzmittel und Düngemittel eingeleitet, damit konnten dieoberirdischen Quellen nicht mehr für die Trinkwasserversorgung eingesetzt werden und dasTrinkwasser musste aus Grundwasser gewonnen werden, damit man es zentral reinigenkonnte. Hier war aber der Wasserwidder nicht mehr einsetzbar, da beim Grundwasser keinnatürliches Gefälle vorhanden ist, was, wie bereits erläutert, für seinen Betrieb nötig ist. Somitgeriet der Wasserwidder mit der Zeit zumindest in Deutschland in Vergessenheit.Dennoch ist er in Gebieten, die die Voraussetzungen für sein Betreiben erfüllen, heutzutagenicht ausgestorben, sondern wird wieder vermehrt eingesetzt. Hauptargument für seinenEinsatz ist vor allem die Tatsache, dass außer dem einmaligen Anschaffungspreis und demEinbau nahezu keine Wartungsarbeiten und Kosten anfallen. Aber auch dieUmweltverträglichkeit spricht für den Wasserwidder, einzige Umweltbelastung ist dieLärmerzeugung durch die Ventile, aber Lärm entsteht auch bei elektrischen und natürlich erstrecht bei Diesel betriebenen Pumpen. Der Widder erzeugt auch wesentlich höhere Drücke alsnormale Pumpen. So schaffen große Widderexemplare Drücke bis zu 30 bar, damit kann mandas Wasser 300 Meter senkrecht in die Höhe pumpen. Vergleichbare herkömmliche Pumpenmit ähnlichen Leistungsdaten sind extrem teuer und verbrauchen entsprechend viel Energie.Konkrete Einsatzgebiete des Widders sind heutzutage v.a. in der Landwirtschaft zu finden,durch ihn werden Wasserversorgungsaufgaben für Feld und Vieh erfüllt. Da die Wassermenge,die durch den Widder gefördert wird, im Vergleich zu herkömmlichen Pumpen relativ gering ist,verwendet man hier auch noch Hochbehälter, in denen das vom Widder geförderte Wasserzwischengespeichert wird und dann bei Bedarf in großer Menge abrufbar ist.Ein weiteres wichtiges Betätigungsfeld für den Widder erschließt sich in Entwicklungsländern.Durch die einfache Technik kann er nach einer kurzen Einführung selbständig von denEinheimischen gewartet und betrieben werden, der Widder benötigt keine zusätzlicheEnergiequelle, ist also unabhängig von der Stromversorgung, und läuft meist über Jahrzehntehinweg zuverlässig.In Deutschland und Österreich wird der Widder heutzutage noch in Gebirgsregionen zurWasserversorgung von Hütten eingesetzt, aber auch in manchen Wochenendhäusern, die nichtan die zentrale Wasserversorgung angeschlossen sind. Der Widder wird heutzutage aber auchganz gezielt wieder von Denkmalpflegern gezeigt. Dazu werden meist historische Widderreaktiviert, instandgesetzt und einem breiten öffentlichen Publikum zur Besichtigung angeboten,damit diese Erfindung nicht in Vergessenheit gerät. Erst vor kurzem wurde von so einemhistorischen Widder, der besichtigt werden kann, im "Boten", in der Ausgabe vom 2./3.Dezember 2000 berichtet. Der Artikel befindet sich im Downloadbereich. Zum Teil werden diese Widder auch eingesetzt, um Wasserspiele kostengünstig mit Wasser zuversorgen.Sie werden manchmal auch parallel geschaltet, wenn ein einziger Widder nicht die gewünschteFördermenge erbringt oder wenn die Quellschüttung im Laufe des Jahres stark schwankt. Dennwenn der Wasservorrat zu gering ist, um einen großen Widder zu betreiben, dann reicht erunter Umständen immer noch aus, um mehrere kleine Wasserwidder zu betreiben, denn beiparallel geschalteten Stoßhebern kann man jederzeit einen abschalten, damit ist es möglich sicheiner schwankenden Quellschüttung anzupassen. Bei großem Wasservorrat läßt man alleWidder laufen, sobald weniger Wasser zur Verfügung steht, schaltet man die entsprechendeAnzahl an Widdern ab, damit die restlichen ungestört weiterlaufen können. Wenn man zweioder mehr Widder in einer Batterie betreiben will, benötigt man für jeden eine eigeneTriebleitung und einen gemeinsamen Wasservorrat. Die Steigleitung kann aber gekoppelt sein,sodass alle Widder in eine gemeinsame Steigleitung pumpen.
Neben Parallelschaltungen sind selbstverständlich auch Reihen-schaltungen oderHintereinander-schaltungen von Stoßhebern möglich. Sie werden eingesetzt, um sehr hoheFörderhöhen zu überwinden. Ein großer 1.Widder überwindet einen Teil der Förderhöhe, ein 2.kleinerer nutzt das gelieferte Wasser um die restlichen Höhenmeter zurückzulegen.
Wenn Sie diese Seite über eine Suchmaschine gefunden haben und auf der linken Seite keineNavigationsleiste zu sehen ist, klicken Sie bitte hier: Homepage mit Navigationsleiste
NEU! Das Buch und dasVideo zum hydraulischenWidder sind in unseremOnlineshop verfügbar! DieISBN Nummer des Bucheslautet: 3-00-013342-9
Hydraulische Widder oder Stoßheber
Was ist das?
Eine geniale Erfindung zum Heben von Wasser.
Warum genial ?
Er arbeitet ohne Energiezufuhr Tag und Nacht, und ist wo ereingesetzt werden kann ökologisch unschlagbar.Der Wartungs- und Instandhaltungsaufwand sind äußerst gering.Er pumpt bis 700 l/min auf 300 m.Die Leistung kann durch Reihenanordnung erhöht werden.Die Anschaffungskosten sind demgegenüber bescheiden.
Die Erfindung gelang dem Franzosen Mongolfier 1796, also zu einerZeit, als es weder Benzin noch Strom gab, und die Dampfmaschine,gerade 31 Jahre alt, schwer, anfällig und teuer war.
Wie funktioniert ein Hydraulischer Widder?
Der hydraulische Widder nützt die Bewegungsenergie oder Stoßkraftaus, die ein in einem Rohr fließendes Wasser abgibt, wenn dessenLauf schlagartig gestoppt wird.
Der Motor ist also ein einfaches Rohr in dem Wasser strömt.
Der Widder ist dazu die Ventilsteuerung oder Energiewandler
Diese Wasserstöße treten überall in Rohrleitungen auf, ob gewollt oder ungewollt. In derHausinstallation werden diese Schläge hörbar, wenn das Magnetventil der Waschmaschine, desGeschirrspülers, oder der Druckspüler der Toilette schließt.
Hier sind die Konstrukteure gefordert durch geeignete Maßnahmen (Dämpfung) denSchließschlag zu minimieren.
Beim Widder ist das genau umgekehrt.
Je abrupter das Stoppen erfolgt, desto größer die Stoßenergie. (Man denke an einenAuffahrunfall)
Ein Wasserbehälter (Treibwasserschacht) sammelt Wasser. Der Behälter liegt mindestens 1,50Meter über der Widderanlage, mit der er durch die Treibwasserleitung verbunden ist. Eingewichtsabhängiges Stoßventil des Widders öffnet bei erreichen eines bestimmten Fließduckesund schließt sofort wieder. Für den Moment der Öffnung wird die potentielle Energie desgesammelten Wassers zur kinetischen Energie. Das Schließen des Stoßventils hat eineDrucksteigerung zur Folge, die das Wasser durch ein Rückschlagventil in einen Kessel und weiterdurch eine Steigleitung nach oben stößt. Die Bewegungsenergie und damit die Pumpleistung istabhängig von der Fallhöhe und der Wassermenge in der Treibleitung.
Durch Anwendung dieses einfachen physikalischen Prinzips läuft ohne Fremdenergie automatischein ununterbrochener, oszillierender Pumpvorgang.
Das Funktionsprinzip (Animation)
Animation zum Funktionsprinzip des hydraulischen Widders. Bitte wählen Sie ihr bevorzugtesAbspielprogramm:
Das Besondere an unserem Universalwidder ist das zweifach einstellbareSchnellschlussventil (Pat. Nr. 199 26 226).
Mit der mittleren Führungs- und Anschlaghülse wird der Öffnungsspalt des Ventilseingestellt. Hülse nach oben drehen vergrößert den Spalt ; was bedeutet, dass vielTriebwasser mit wenig Druck entsteht. Mit der unteren Führungshülse wird über dieFedervorspannung der Schließdruck eingestellt, also hohe Vorspannung für hohenAnstehdruck der Triebwassersäule.
Kompaktwidder:
Die zwei kleinsten Weinmann-Universalwidder®, ( “ und 1“) sind Kompaktwidderund werden direkt an die Triebleitung angeschlossen, d.h. sie benötigen keinenSockel. Dieser Widder hat Eigenschaften vergleichbar mit denen des SANO-Widders.
Standwidder:
a b c
Standwidder sind Weinmann-Universalwidder ®, die größer als 1“ sind. Sie müssen auf einemSockel montiert werden.
Oben kann man sehr schön sehen, welche Bauarten sich mit diesem Widder realisieren lassen.
Weinmann Bachwidder®:
Der neuartige Weinmann Bachwidder® zum Patent angemeldet
Zuerst wird aus Tabelle 02 die Erforderliche Größe des Widders für die jeweilige verfügbareTreibwassermenge abgelesen (z.B. 150l/min, also Widder Nr.6). Tabelle 01 gibt dann für dasvorhandene Höhenverhältnis (z.B. 1:6) die erreichbare Fördermenge an, bezogen auf 1 l/minTreibwassermenge. ( Unter Höhenverhältnis ist das Verhältnis "Höhe des Gefälles" zu"Förderhöhe" zu verstehen - es ergibt sich in unserem Beispiel eine Fördermenge von 0,139 l/min). Die effektive Fördermenge errechnet sich schließlich durch Multiplikation des entnommenenTabellenwertes mit der tatsächlichen Literzahl der Treibwassermenge ( 0,139 l/min x 150 = 20,85l/min ). Die Wahl des richtigen Widders (Stoßhebers) und dessen Einbau im Gelände ist beijeder Widderanlage außerordentlich wichtig. Man kann einen Widder nicht einfach wie einemotorbetriebene Pumpe einbauen, da insbesondere die Treibwasserleitung des Widders einfunktionswichtiger Bestandteil der Anlage ist und den guten Wirkungsgrad maßgeblich beeinflußt.
Der Widder wird individuell von uns auf Ihre örtlichen Geländeverhältnisse und IhrenWasserbedarf optimal konzipiert. Deshalb sind für jede Widderanlage die Wasser-, Gelände-sowieEinbauverhältnisse zu ermitteln und anzugeben.
Wir bitten bei Bestellungen um folgende Angaben ( siehe Bild Widder allgemein AufbauWidderanlage)
. 1 Vorhandenen Quellschüttung: Minimum und Maximum in l/min.
. 2 Gefälle: Höhe H und Länge L des Gefälles bis zum vorgesehenen Standort des Widders.
. 3 Förderhöhe: Höhendifferenz h.
. 4 Fördermenge: tägliche Bedarfsmenge in l oder m (und die zahlenmäßige Angeben, wasdamit versorgt werden soll).
Tabelle 02 = Treibwassermenge, Größen, Maße und Gewichte
Welche Fördermenge erreiche ich?
Tabelle 01 = Fördermenge in Liter/Min bezogen auf 1Liter/MinTreibwassermenge
Preise der verschiedenen Widdergrößen erfragen sie bitte bei unserem Werk in Hersbruck.
Belüftung eines Forellenweihers mit Frischwasser aus dem nahegelegenenFluß:
Wasser wird über einen Bypass entnommen und in einen höhergelegenen Forellenweiher zurBelüftung des Weihers hochgepumpt. 24h am Tag selbsttätig und ohne fremde Energie.
Der hydraulische Widder im Widderschacht unterhalb des Flußpegels:
Bachwidder und Brunnen:
Ein Musterbeispiel an Ökologie ist dieser vom nahegelegenen Bach durch einen hydraulischenWidder versorgte Brunnen.
Die Widder in der Oberlausitz
Unsere imposanteste Anlage konnten wir im Dezember 2003 montieren und in Betrieb nehmen.Sie wird ein Wasserschloss vor dem Verfall retten.
Zur Vorgeschichte:
Südlich von Görlitz, nahe der polnischen Grenze, wurde zu DDR-Zeiten Braunkohle abgebaut.Durch den großflächigen Abtrag wurde zwangsläufig auch der Grundwasserspiegel mit abgesenkt.Der Schlossteich des in der Nähe befindlichen Wasserschlosses drohte auszutrocknen.
Die 4 Widder, die im Parallelbetrieb laufen, benötigen in jederSekunde 25 l Triebwasser, um dann 4 l in der Sekunde 13 mnach oben zu befördern.
Mit motorisch angetriebenen Pumpen musste nun das Wasser für die Versorgung des Teicheshochgepumpt werden. Im Zuge der Rekultivierung des gesamten Abbaugebietes wurde man aufdie Widdertechnologie aufmerksam und beschloss, die vermutlich größte Widderanlage, die jegebaut wurde, zu planen und zu realisieren.
Mit 3,3 Meter Gefälle rauscht nun das Wasser in 4 Triebleitungen von je 150 mm Durchmesser zuden Widdern.
Die Widder fördern das Wasser 13 Meter hoch in ein offenes Gerinne, welches in denSchlossteich mündet. Ein konstanter Wasserstand ist nötig, damit die Eichenpfähle, auf denen dasunter Denkmalschutz stehende Gebäude gebaut ist , nicht verrotten. Ansonsten wäre die gesamteStatik des Schlosses nicht mehr gewährleistet.
Das Geniale der Anlage ist die Planung unter maximaler Ausnutzung der örtlichen Gegebenheiten.Auf dem Gebiet, wo die Braunkohle abgebaut worden ist, wird ein großer See, der Berzdorfer See,entstehen. Dazu wird aus dem nahe gelegenen Fluss, der Pließnitz, Wasser durch einenkünstlichen Kanal abgeführt, und hin zum neuen See geleitet.
Aus diesem Kanal wird nun ein winzig kleiner Teil des Wassers, mit welchen der See geflutet wird,zunächst über die Widderanlage geleitet.
Diesem, in den Rohren fließenden Wasser entnehmen die Widder die kinetische Energie, umdavon wieder einen kleinen Teil in den Schlosssee 13 m höher zu pumpen. Der Überlauf des
Widderschachts fließt wiederum dem neuen See zu. Es geht also in diesem Beispiel nicht einWassertropfen verloren.
Die Widder von Oederan
Oederan ein Städtchen in Sachsen in der Nähe von Freiberg wurde für sein Umwelt-Engagementausgezeichnet.
Eines der Projekte, welche dort mit dem ökologischen Denken angegangen wurde ist derMühlgraben und die Kaskade mit den Widdern.
Hier im Bild zu sehen: links Sammelschacht und Triebschacht und rechts der Widderschacht.
Die Widder entnehmen einen kleinen Teil des Wassers aus dem Mühlgraben und fördern dieseszu der Kaskade in der Ortsmitte.
Herr Veit, Unternehmer und Inhaber der Firma Veit Pumpen aus Oederan, hatte die Idee hierWidder einzusetzen. Trotz Mehrkosten hatten die Stadträte sich für die ökologisch sinnvolleLösung entschieden. Der Erfolg und Umweltpreis steht den Verantwortlichen mit Recht zu.