Machine Lab

Im Mittelpunkt des Maschinenlabors steht die Untersuchung und Vermessung von Kraft- und Arbeitsmaschinen. Darüber hinaus findet hier das Hands-On Labor statt, in dem Studierende des ersten Semesters praktische Erfahrungen bei der Montage unterschiedlicher Komponenten sammeln.

Laufrad einer Francis-Turbine

Der übergeordnete Begriff für Kraft- und Arbeitsmaschinen ist Fluidenergiemaschinen. Fluidenergiemaschinen sind Maschinen, die Fluidenergie in mechanische Energie bzw. mechanische Energie in Fluidenergie wandeln. Fluidenergiemaschinen sind unverzichtbar sowohl für die Versorgung mit elektrischer Energie als auch als Komponente in einer Vielzahl von technischen Systemen. Hierzu zählen Wasser- und Dampfturbinen, Verdichter und Förderpumpen.

Im Labor Kraft- und Arbeitsmaschinen lernen die Studierenden begleitend zur Vorlesung die Funktion unterschiedlicher Fluidenergiemaschinen kennen. Sie führen Versuche durch und werten dies aus, um das Verständnis für die charakteristischen Eigenschaften der Maschinen zu vertiefen.

Einzelteile eines Abgasturboladers

Die Einrichtungen des Labors werden auch für eigene Forschungsarbeiten und Forschungsarbeiten in Kooperation mit Industrieunternehmen verwendet. Hierbei werden sowohl einzelne Maschinen im Detail vermessen und weiterentwickelt als auch neue Ansätze zur Verknüpfung digitaler Modelle mit realen Komponenten konzipiert und umgesetzt. Hierzu werden Werkzeuge der numerischen Strömungsmechanik und der Simulation von Komponenten und Systemen eingesetzt sowie Entwicklungsumgebungen zur Programmierung der Messung und Regelung verwendet.

Überblick

Das Hands-On Labor bietet den Studierenden im ersten Semester der Studiengänge Maschinenbau und Werkstofftechnik die Möglichkeit, praktische Erfahrungen mit wichtigen Komponenten und Maschinenelementen zu sammeln. In den einzelnen Versuchen werden Rohrleitungsgruppen zusammengebaut, Fahrradnaben zerlegt und ein Stellantrieb untersucht. Das Labor verknüpft die Praxis mit ersten theoretischen Erläuterungen zu wichtigen Themengebieten, die später im Studium vertieft betrachtet werden. Im Hands-On Labor engagieren sich folgende Professor*innen und Mitarbeiter*innen: Prof. Dr.-Ing. Jörg Ettrich, Prof. Dipl.-Ing. Claus Fleig, Prof. Dr.-Ing. Heinz-Werner Kuhnt, Prof. Dr.-Ing. Günther Waibel, Dipl.-Ing. (FH) Jens Glembin, Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Kuttruff und Kfz-Meister Bernhard Schneckenburger.

Versuch Rohrverbindungen

In dem Versuch werden unterschiedliche Rohrleitungsstücke bei Einsatz verschiedener Verbindungstechniken aufgebaut. Hierzu zählt eine Rohrleitungsstrecke aus Stahlrohren, die mithilfe von Flanschen verbunden werden. Außerdem werden Übungsstrecken aus verzinkten Stahlrohren mit Einschraubverbindungen sowie Hydraulikleitungen mit Klemmringverschraubungen aufgebaut. Diese Rohrleitungsstücke werden zum Abschluss mithilfe einer Prüfpumpe auf Dichtigkeit getestet. Während des Labors erfahren die Studierende die Eigenschaften und Vor-/Nachteile der einzelnen Rohr- und Verbindungstechniken.

  • Einzelteile Rohrinstallation
    Material für Flanschrohrleitung
  • Verschraubung der Abdrückpumpe
    Montage der Rohrbaugruppe

Durchführung des Versuchs im WS 2017/2018

Versuch Stellantrieb

Innerhalb des Laborversuchs wird ein Original-Stellantrieb der Fa. AUMA untersucht. Nach Ausbau wird die Funktion der wesentlichen Bauteile bestimmt und ein Wälzlager ausgetauscht. Hieraus erhalten die Studierende einen praktischen Einblick in die Themengebiete Lager und Wellen. Zum Abschluss wird die Funktion des Stellantriebs an einem Prüfstand demonstriert.

  • Stellantrieb vor der Demontage
  • Einzelteile nach der Demontage

Durchführung des Versuchs im WS 2017/2018

Versuch Fahrradnabe

Im Mittelpunkt des Versuchs steht eine 3-Gang Fahrradnabe, die zerlegt und wieder zusammengesetzt wird. Im auseinandergebauten Zustand werden die für die Schaltung relevanten Bauteile identifiziert und deren Funktion im Zusammenspiel mit den anderen Komponenten ermittelt. Die Studierende erhalten somit praktische Erfahrungen aus dem Themengebiet Getriebe und Übersetzung

  • Untersuchte 3-Gang Nabenschaltung
  • Einzelteile der Schaltung

Durchführung des Versuchs im WS 2017/2018

Überblick

Die Prüfstände im Labor erlauben es unterschiedliche Kraft- und Arbeitsmaschinen zu untersuchen. Die Prüfstände wurden zum Teil selbst erstellt oder teilweise bzw. komplett von externen Unternehmen bezogen. Die Prüfstände werden für Laborveranstaltungen genutzt, in denen Studenten unterschiedlicher Semester die Einrichtungen selbst bedienen und Messungen durchführen. Darüber hinaus werden die Prüfstände für Projektarbeiten der Lehre und Forschung, vor allem auch im Rahmen von studentischen Arbeiten, eingesetzt.

Prüfstand Radialventilator

Der Prüfstand ermöglicht die Messung eines Radialventilators innerhalb eines Rohrleitungssystems. Ventilatoren sind Strömungsmaschinen zur Förderung von gasförmigen Medien wie Luft, wie z.B. in der Wohnraumlüftung und -klimatisierung. Die wichtigsten Bauformen sind Radial- und Axialventilatoren, deren Bezeichnung jeweils der Abströmrichtung der Luft entspricht. Die Auswahl eines Ventilators und dessen Leistungsbereich benötigt neben Kenntnissen über die Funktionsweise Wissen über die Ventilatorkennlinie und die zu beachtenden Anlagen-Randbedingungen. 

  • Axialventilatoren unterschiedlicher Größe
  • Radialventilator im Prüfstand

Aufbau des Prüfstandes

Die CAD-Darstellung zeigt die Bauteile und die Messtechnik des Prüfstandes Radialventilator. Die Luft wird vom Ventilator über eine Einlaufstrecke angesaugt, in der sich eine Normdüse zur Bestimmung des Volumenstroms befindet. Im Betrieb kommt es zu einer Druckerhöhung am Austritt des Ventilators, messbar als statische Druckdifferenz zwischen Eintritt und Austritt. Der Ventilator wird von einem drehzahlgeregelten Motor angetrieben. Zur Veränderung des Anlagenwiderstands befindet sich in der Druckleitung eine Drosselklappe. Zusätzlich ist in der Druckleitung ein Diffusor eingebaut, dessen Druckverlust gemessen wird. Der Volumenstrom wird druckseitig mittels eines thermischen Anemometers erfasst.

CAD-Darstellung Prüfstand Radialventilator
  • Prüfstand während des Labors
    Diffusor mit Drucksensorik
  • Druckrohr innen mit Gleichrichter
    Schaltschrank mit Messdatenerfassung

Prüfstand Hubkolbenverdichter

Der Versuchsstand besteht aus einem einstufigen Hubkolbenverdichter mit einstellbarer Drehzahl. Die erzeugte Druckluft wird in einem Behälter gespeichert, dessen Druck über ein Handventil variiert werden kann. Der Versuchsstand erlaubt somit, unterschiedliche Betriebszustände anzufahren und diese mittels der eingebauten Sensoren für Druck, Durchfluss, Temperatur, Drehzahl und Drehmoment zu vermessen. Dies ermöglicht es, das typische Betriebsverhalten eines Hubkolbenverdichters zu charakterisieren und die wesentlichen Eigenschaften kennen zu lernen.

  • Ansicht Prüfstand
  • Kolbenverdichter

Aufbau des Prüfstands

Der einstufige Kolbenverdichter wird durch eine Antriebseinheit über einen Riemen angetrieben. Die angesaugte Luft gelangt über einen Saugbehälter zum Verdichter, eine Venturi-Düse misst den Volumenstrom. Die verdichtete Luft wird in einen Druckbehälter gefördert, dessen Enddruck über ein Handventil am Behälteraustritt eingestellt werden kann. An Saug- und Förderanschluss des Verdichters sind Temperatursensoren angebracht, Manometer geben den Druck in den beiden Behältern an. Durch Variation des Enddruckes und der Drehzahl des Verdichters kann das vollständige Kennfeld des Verdichters ermittelt werden.

  • Schema des Prüfstandes
    Saugbehälter
  • Luftzu- und abfuhr
    Volumenstrommessung am Eintritt

Prüfstand Turboverdichter

Der Verdichterprüfstand der Hochschule Offenburg ist ein Sonderprüfstand für Forschung und Lehre. Es handelt sich um eine Einzelanfertigung, mit der Lehrinhalte und Phänomene aus verschiedenen Disziplinen, wie z. B. der Mechanik, der Thermodynamik und der Strömungslehre dargestellt und untersucht werden können. Für die Lehre erlaubt dies ein vernetztes und interdisziplinäres Arbeiten am Beispiel einer mit hohen Drehzahlen betriebenen Strömungsmaschine. Darüber hinaus erlaubt die Konzeption des Prüfstandes die Untersuchung von Verdichtern unterschiedlicher Größe, Antriebsleistung, und darüber hinaus Maschinenelemente schnelldrehender Maschinen wie Lager und Spindeln.

  • Verdichterprüfstand
  • Radialverdichter

Aufbau des Prüfstands

Wesentliche Elemente des Prüfstandkonzeptes sind die flexible mechanische Aufnahme der Prüflinge, die sich mit hoher Genauigkeit justieren lassen, die hochwertige Messdatenerfassung und die flexible Prüfstandsteuerung, die auch automatisierte Prüfzyklen ermöglicht. Die Sensorik umfasst einen Drehkolbengaszähler mit Feuchtesensor zur Volumenstrommessung, mehrere Messstellen für Temperatur und Druck sowie Sensoren zur Messung von Drehmoment und Drehzahl.

  • Geöffneter Prüfstand
    Eingebauter Verdichter
  • Sensorik Zuluftleitung
    Druck- und Temperaturmessung in der Abluftleitung

Prüfstand Pumpenkennlinie

Der Prüfstand dient der Untersuchung von Gleichdruck- und Überdruckturbinen, hierzu stehen eine Pelton-Turbine und eine Francis-Turbine zur Verfügung. Unterschiedliche Höhendifferenzen können durch Einstellung des Vordruckes realisiert werden, zudem besteht die Möglichkeit die Drehzahl zu variieren. Es können so z. B. Kennlinien für unterschiedliche Drehzahlen bei Variation der Leitschaufelstellung (Francis-Turbine) bzw. der Nadelventilstellung (Pelton-Turbine) erstellt werden.

  • Prüfstand mit Pelton-Turbine
  • Bremseinheit

Aufbau des Prüfstands

Im Mittelpunkt der Anlage steht die jeweilige Turbine, die über einen Riemen an eine Bremseinheit angebunden ist. Die Versorgung findet über Wassertank statt, aus dem eine drehzahlgeregelte Umwälzpumpe das Wasser zur Turbine fördert, in diesem Leitungsabschnitt werden Volumenstrom, Druck und Temperatur gemessen. Nach der Turbine wird das Wasser wieder dem Tank zugeführt. An der Pelton-Turbine lässt sich über ein Nadelventil der Düsenquerschnitt am Eintritt verändern, bei der Francis-Turbine kann dementsprechend über einen Hebel die Stellung der Leitschaufeln eingestellt werden.

  • Kreiselpumpe des Prüfstandes
    Laborgruppe im SoSe 2019
  • Einsetzbare Francis-Turbine
    Laborgruppe im SoSe 2019

Prüfstand Kaplanturbine

Die Kaplanturbine ist eine sogenannte “schnellläufige” Turbine mit hoher spezifischer Drehzahl. Sie wird für große Volumenströme und geringe Fallhöhen verwendet, also für Laufwasserkraftwerke. Im Maschinenlabor ist eine Kaplanturbine mit Spiralgehäuse aufgebaut, dessen Betriebsverhalten untersucht werdcen kann.

  • Kaplanturbine mit Druckrohr
  • Druckrohrleitung

Aufbau des Prüfstands

Eine Tauchpumpe fördert aus einem Tiefbecken über eine Druckleitung Wasser durch die Turbine, von der aus es durch einen offenen Kanal über ein Überlaufwehr in das Becken zurückfließt. Durch Veränderung der Pumpendrehzahl über einen Frequenzumformer lässt sich der Druck vor der Turbine variieren und damit eine variable geodätische Fallhöhe vorgeben. Das Wasser strömt über ein Spiralgehäuse in die Turbine ein und fließt radial durch einen Leitapparat, dessen Schaufeln gemeinsam durch einen Verstellring verdrehbar sind. Dadurch ändern sich der Durchflussquerschnitt und der Volumenstrom. Der Axialläufer kann durch das Plexiglassaugrohr beobachtet werden, wo sich auch eine Verstellung der Laufschaufeln verfolgen lässt, die durch einen Zuganker verstellt werden können. Zur Bestimmung des Volumenstroms wird neben einem magnetisch-induktiven Sensor das Überlaufwehr im Wasserkanal genutzt. Hierzu wird der Pegelstand mittels einem mit dem Kanal verbundenen Schwimmerrohr gemessen.

CAD-Darstellung Prüfstand Kaplanturbine
  • MID-Volumenstrommessgerät
    Kanal mit Überlaufwehr im Vordergrund
  • Lochscheibe der optischen Drehzahlmessung
    Pegelstandmessung

Prüfstand Windkanal

Windkanäle dienen der aerodynamischen Untersuchung von (Teil-)Objekten wie Flugzeuge oder Automobile. Der Windkanal im Labor für Kraft- und Arbeitsmaschinen wird im Rahmen von Laborveranstaltungen genutzt, in dem ein umströmtes Tragflügelprofil vermessen wird. Darüber hinaus wird der Prüfstand in Projekten genutzt, wie beispielsweise für Bauteile des "Schluckspechts" - das energieffiziente Fahrzeug der Hochschule Offenburg.

  • Tragflügelprofil im Windkanal
  • Ventilator im Windkanal

Aufbau des Prüfstands

Der Windkanal der Hochschule Offenburg ist vom Göttinger Typ, d. h. die Luft zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf. Die Messstrecke ist offen, so dass das Prüfobjekt einsehbar und zugänglich ist. Die Strömung wird durch einen frequenzgesteuerten Ventilator aufrecht erhalten. Die Strömungsgeschwindigkeit wird mit einem Prandtl-Rohr und Betz-Manometer gemessen. Im Rahmen des Laborversuches wird an einem Tragflügelprofil die Druckverteilung mittels Mehrfach-U-Rohr-Manometer und die Kraftwirkung über Biegebalken mit aufgeklebten Dehnungsmessstreifen.

  • Schema des Prüfstandes
    Mehrfach-U-Rohr-Manometer
  • Kraftmessung am Tragflügelprofil
    Messstrecke mit Prandtl-Rohr

Windkanal in Aktion

Variabler Pumpenprüfstand

Pumpen sind Arbeitsmaschinen, die zur Förderung von Flüssigkeiten eingesetzt werden. Einsatzgebiete sind z. B. die Bewegung innerhalb von Kreislaufen wie in Heizungzanlagen, die Dosierung von Flüssigkeiten und das Entleeren/Befüllen von Behältern. Pumpen existieren in unterschiedlichen Bauarten und Größen. Zur Charakterisierung des Betriebsverhaltens einer Pumpe wird die Pumpenkennlinie verwendet, die das Verhältnis zwischen der Förderhöhe und dem Förderstrom darstellt. Am Pumpenprüfstand ist es möglich, eine solche Kennlinie messtechnisch zu ermitteln.

  • Pumpenprüfstand
  • Kreiselpumpe im Prüfstand

Aufbau des Prüfstands

Mittelpunkt des Prüfstandes ist eine dreistufige Kreiselpumpe, die über einen frequenzgeregelten Mmotor angetrieben wird. Die Pumpe ist eingebunden in eine Baugruppe mit Anschlussstutzen für die Druckmessung. Weitere hydraulischen Baugruppen beinhalten eine Ventilsteuerung, ein Wasserreservoir sowie unterschiedliche Durchflussmessgeräte. Jede der Baugruppe hat zwei Anschlüsse, an denen ein Schlauch mittels Steckverbinder angeschlossen werden kann. Auf diese Weise können die Baugruppen in beliebiger Weise zu einem Gesamtsystem verbunden werden.

  • Schwebekörper-Messgerät
  • Regulierventile

Modularer Betrieb des Prüfstandes

Der Prüfstand ermöglicht es, die Versuchsdurchführung an den geforderten Anspruch und der zur Verfügung stehenden Zeit anzupassen. Die umfassendste und zeitaufwendigste Variante beinhaltet die eigenständige Festlegung eines Messsystems und dessen hydraulische Verschaltung, die Darstellung des Systems in einem Fließschema, die elektrische Anbindung der Sensoren an die Messwerterfassung, die Einstellung der Messtechnik innerhalb LabVIEW und die Durchführung des Versuches mit anschließender Auswertung. Durch die vorherige Bereitstellung einzelner Schritte können Zeitaufwand und Komplexität des Versuches reduziert werden

  • Schnellkupplung zum Verbinden der Baugruppen
    Messwerterfassungsmodul
  • Vortex-Volumenstromsensor
    LabVIEW-Programm

Prüfstand Maschinendynamik

Strömungsmaschinen beinhalten als wesentliches Bauteil rotierende Wellen, an denen u. a. das Laufrad angebracht ist. Da die Massenverteilung im Läufer nicht vollständig rotationssymmetrisch ist, kommt es im Betrieb zu Schwingungen. Im kritischen Drehzahlbereich sind diese so groß, dass sie das Bauteil zerstören können. In der Praxis muss daher darauf geachtet werden, unterhalb des kritischen Bereiches zu bleiben oder den kritischen Bereich zügig zu durchfahren. Der Versuchsstand untersucht diese dynamischen Probleme anhand eines einfachen, schwingungsfähigen System - dem Lavalläufer.

  • Aufbau des Prüfstandes
  • Massenscheibe mit Wegaufnehmer

Aufbau des Prüfstandes

Der Versuchsaufbau besteht im Wesentlichen aus den drei Komponenten Antriebseinheit, Steuergerät und Welle. Eine drehzahlgeregelte Asynchronmaschine treibt über eine elastische Klauenkupplung eine Welle an, die mittels Pendelkugellager auf zwei Lagerböcken befestigt ist. An der Welle ist eine Massenscheibe montiert, auf die mithilfe Gewichten unterschiedlicher Masse eine entsprechende Unwucht aufgeprägt werden kann. In Abhängigkeit von der Drehzahl wird die Auslenkung der Welle mithilfe von Beschleunigungssensoren und Wegaufnehmer erfasst. Ein Fanglager begrenzt die Wellenbewegung im resonanznahen Bereich auf ungefährliche Auslenkungen.

  • Lagerbock mit Beschleunigungssensoren
  • Drehzahlmessung über optischen Reflexionslichttaster

Wellenauslenkung bei unterschiedlichen Drehzahlen

Numerische Strömungssimulation

Die numerische Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics) ist eine wichtige Ergänzung zur analytischen und experimentellen Strömungsmechanik. Mithilfe numerischer Methoden können damit die Fluidströmen und die Wärmeübertragung von unterschiedlichsten Objekten simuliert werden. Im Labor für Kraft- und Arbeitsmaschinen werden im Rahmen von Projekten Modelle von Strömungsmaschinen erstellt, dessen Genauigkeit durch Messungen an den jeweiligen Prüfständen überprüft wird. Die Modelle werden verwendet, um Analysen der Maschinen durchzuführen sowie Optimierungen zu erarbeiten und zu bewerten. Zum Einsatz kommen unterschiedliche kommerzielle und auch quelloffene Simulationsumgebungen.

  • Tragflügel im Windkanal des Labors
  • Berechnete Stromlinien des Tragflügelprofils
  • Hochleistungsradialverdichter
  • Berechnete Geschwindigkeiten im Verdichterlaufrad

Überblick

Das Labor Kraft- und Arbeitsmaschinen wird für unterschiedliche Projekte genutzt. Schwerpunkt bilden dabei studentische Arbeiten, die teilweise in öffentlich geförderte Projekte eingebunden sind. Die Themen befassen sich mit detaillierten Untersuchungen der Maschinen. Dies beinhaltet sowohl Messungen am Prüfstand als auch numerische Strömungssimulationen. Außerdem werden neue Prüfstände entwickelt bzw. bestehende Prüfstände verbessert. Im Mittelpunkt stehen dabei die Messtechnik sowie die Steuerung über die entsprechende Software.

Radialverdichter

Geschwindigkeitsverteilung im CFD-Verdichtermodell

Im Rahmen von Abschluss- und Projektarbeiten werden zwei Hochleistungsradialverdichter experimentell vermessen und mittels CFD berechnet. Die Messungen der beiden Verdichtern mit 18 kW bzw. 75 kW Antriebsleistung am Prüfstand Turboverdichter erlauben die Erstellung umfassender Kennfelder sowie das Verhalten der Arbeitsmaschine in den Grenzbereichen. Nach Überprüfung der Simulationsergebnisse auf Grundlage von Prüfstandsmessungen werden die CFD-Modelle eingesetzt, um die genauen Strömungsverhältnisse zu analysieren und Möglichkeiten für Optimierungen zu erarbeiten.

Digitaler Zwilling

Entwicklung eines digitalen Zwillings des Ventilatorprüfstandes

Als digitale Zwillinge werden virtuelle Abbilder von realen Produkten, Systemen oder Prozessen bezeichnet. Durch die Verknüpfung von digitalen Zwillingen mit ihren realen Zwillingen und deren vergleichende Betrachtung können wertvolle Erkenntnisse für die Optimierung, Entwicklung und Wartung von Produkten und Systemen gewonnen werden.

Im Projekt „Digitaler Zwilling“ wird das grundsätzliche Konzept von digitalen Zwillingen im Rahmen von studentischen Arbeiten untersucht und beispielhaft digitale Zwillinge von Versuchsanlagen entwickelt.

Der neue Prüfstand zur Erfassung von Pumpenkennlinien ist in Betrieb genommen worden und steht ab dem Sommersemester 2020 für Labore und studentische Arbeiten zur Verfügung.

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Lehre auf der Höhe der Zeit: An der Hochschule Offenburg wird die Digitalisierung in der Lehre mit projektorientiertem Lernen verbunden. Beispielhaft: der digitale Zwilling im Maschinenlabor der...

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Professor*innen

Treffinger, Peter, Prof. Dr.-Ing.

Treffinger, Peter, Prof. Dr.-Ing.

Room: E301 Dynamic Modeling of Energy Systems, Technische Thermodynamik, Kraft- und Arbeitsmaschinen mit Labor, Hydro and Wind Power, Windenergie, Advanced Thermal Systems
Badstraße 24
77652 Offenburg
0781 205-422 peter.treffinger@hs-offenburg.de Wednesday 10:00 - 11:00
Ettrich, Jörg, Prof. Dr.-Ing., M.Sc.

Ettrich, Jörg, Prof. Dr.-Ing., M.Sc.

Room: E101 Fluid Mechanics, Thermodynamics, Computational Fluid Dynamics
Badstraße 24
77652 Offenburg
0781 205-4629 joerg.ettrich@hs-offenburg.de by appointment
Wetzel, Christian, Prof. Dr.-Ing.

Wetzel, Christian, Prof. Dr.-Ing.

Room: E201 Machine Design, CAD/CAE, Engineering Mechanics, Acoustics
Badstraße 24
77652 Offenburg
0781 205-4654 christian.wetzel@hs-offenburg.de Tuesday 11:30 - 12:00 during lecture period only and by appointment via email

Assistent*innen

Badstraße 24
77652 Offenburg
0781 205-4850 jens.glembin@hs-offenburg.de
Kuttruff, Ulrich, Dipl.-Ing. (FH)

Kuttruff, Ulrich, Dipl.-Ing. (FH)

Room: B023 Kältetechnik-Labor, CAD-Anwendung-Labor, Raumlufttechnik-Labor, Angewandte Regelungstechnik-Labor
Badstraße 24
77652 Offenburg
0781 205-198 kuttruff@hs-offenburg.de