Wie funktioniert eigentlich eine Wassersäulenmaschine ?


Applet    ( in separatem Fenster )

ca. 440 x 360 Pixel    ca. 610 x 460 Pixel     ca. 795 x 510 Pixel

ca. 975 x 600 Pixel    ca. 1165 x 700 Pixel    ca. 1350 x 800 Pixel


- Inhalt -

Erläuterungen

Bedienungsanleitung ( + Screenshot )

Ablaufsteuerung

Parameter der Förderung
Fördersohle
Förderlast
Anfangsteufe

Echtzeitverhalten

Bedienung der Maschine
Drehrichtung
Drosselschieber
Bremse

Förderschacht

Diagramm einiger Zustandsgrößen

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- Erläuterungen -

Das Applet simuliert eine Wassersäulen-Fördermaschine, die in einer Teufe von ca. 350 [m] im Kaiser-Wilhelm-Schacht eingebaut war zur Erzförderung in einem Blindschacht aus den Tiefbauen ( ca. 900 bis 1000 [m] unter Tage ) bis auf das Niveau des Ernst-August-Stollens ( ca. 360 [m] unter Tage ).

Das dynamische Verhalten der Anlage wird durch eine Differentialgleichung beschrieben, in der dem Drehmoment der Antriebszylinder die Drehmomente der Trägheit und der Reibung von Maschine, Födertonne und -seil, sowie der an den Seilkörben angreifenden Förderlasten gegenüberstehen.
Der aktuelle Zustand der Anlage wird über die entspechende Differenzengleichung in konstanten Zeitschritten von 20 [ms] ( 50 Schritte pro Sekunde ) brechnet und graphisch dargestellt.

Das Treibwasser ( blau ) unter einem statischen Druck von ca. 35 [Atm] gelangt über einen hydraulisch betriebenen Umsteuerschieber, der die Arbeitsrichtung festlegt, und über einen Drosselschieber zur Regulierung der Drehzahl in die Zylinder. ( s. Screenshot des Applets )
Auch das abfließende, "entspannte" Wasser ( cyan ) passiert den Drosselschieber, der dadurch beide Wasserströme synchron drosselt.
( Sog. "indifferentes" Wasser, das weder mit dem Zufluß noch mit dem Abfluß in Verbindung steht, ist hellgrau dargestellt. )

Zur Vereinfachung sind im Applet nur zwei der im Original vorhandenen drei Zylindersysteme dargestellt ( s. Screenshot ) :
Beide Systeme ( oben / unten ) bestehen aus je vier einfach wirkenden Tauchkolben, die im Applet paarweise zu beiden Seiten des Schwungrades angeordnet sind, und an zwei um 90 [Grad] versetzten Kurbeln angreifen.
Beim Betrieb der Maschine wird zunächst das obere Zylindersystem eingeschaltet ( 0 ... 1 am Drosselregler rechts unten ).
Das untere System kann dann bei Bedarf während des Laufes zugeschaltet ( 1.1 ... 2 am Drosselregler ) und bei Überschreiten der zulässigen Höchstgeschwindigkeit ( ca. 25 [U/min] ) gedrosselt bzw. wieder abgeschaltet werden.

Um einen schlagartigen Druckanstieg augrund der Trägheit des nahezu inkompressiblen Wassers ( wie z.B. beim Schließen eines ausgeschlagenen Wasserhahns ) zu vermeiden, schließen die Steuerschieber / -ventile in der Nullstellung die Zu- und Abflußkanäle nicht völlig ab.
( In der graphischen Darstellung symbolisiert durch abgeschrägte Kanten an Steuerkolben und Ventiltellern )

Davon ausgenommen ist die Abschaltung des ( unteren ) Hilfssystems :
In dessen Wasserkreislauf sind zwei Ventile ( links unten ) eigebaut, von denen eines abhängig von der Arbeitsrichtung geöffnet wird, während das zweite durch eine relativ weiche Feder geschlossen gehalten wird.
Bei aktivem Hilfssystem ist dieser "Bypass" ohne Wirkung, da das geöffnete Ventil im Eintragskreis liegt und der dort höhere Arbeitsdruck auf die Rückseite des geschlossenen Ventils wirkt, d.h. die Federwirkung unterstützt.
Bei abgeschaltetem Hilfssystem ist wegen der Saugwirkung der "aktiven" Zylinder und der Wasserverdrängung aus den "passiven" Zylindern der Druck im Austragskreis höher als im Eintragskreis, und das geschlossene Ventil wird gegen die geringe Federkraft geöffnet.

Da diese Funktionsweise darauf beruht, dass die aktuelle Drehrichtung mit der eingestellten Arbeitsrichtung übereinstimmt, schließen auch die Ventile die Kanäle nicht vollständig ab, sodass bei einer der Arbeitsrichtung entgegengesetzten Drehung ( z.B. durch die Wirkung der Förderlast ) der Druckanstieg bgrenzt wird.

Weiterhin sind in der Simmulation, auch im Original vorhandene, Überdruckventile berücksichtigt, die den Leitungs- / Zylinderdruck auf das doppelte des statischen Druckes der Wassersäule ( d.h. auf ca. 35 [Atm] ) brgrenzen.

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- Bedienungsanleitung -

Die Steuerung von Programmablauf und Echtzeitverhalten, die Einstellung von Förderparametern und die Maschinenbedienung erfolgt mit der Maus über die gelb hinterlegten Felder.

Screenshot :


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- Programmablauf -

Ablaufsteuerung :

Nach STEP, HALT od. RESET kann

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- Förderparameter -

Fördersohle :

Unter SOHLE kann ( nach RESET ) die Teufe, aus der gefördert wird, eingestellt werden :

Im Feld darunter wird die aktuell eingestellte Fördertiefe angezeigt.

Erläuterung :
Die Förderung erfogt über zwei Seilkörbe, die auf der Axe des Schwungrades sitzen, und in der graphischen Darstellung der Maschine nicht wiedergegeben sind.
Im Original kann einer der beiden Seilkörbe entkoppelt werden, und eine Tonne z.B. am oberen Füllort ( 0 [m] ) festgehalten werden.
Wird dann die andere Tonne auf die neue Förderteufe gefahren und der festgehaltene Seilkorb wieder angekoppelt, können beide Tonnen im Betrieb zwischen dem oberen Füllort und der neuen Förderteufe pendeln.
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Förderlast :

Unter T [kg] kann ( nach STEP od. HALT ) die linke / rechte Tonne

Anfangsteufe :

Unter Z [m] kann ( nach RESET ) die Anfangsteufe der linken / rechten Tonne Im Betrieb werden

! Die Teufen von linker und rechter Fördertonne ergänzen sich immer zum exakten Wert der Förderteufe, was im Original vermutlich nicht erfüllt war ( lastabhängige Seildehnung / -alterung ) !

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- Echtzeitverhalten -

Mit   - / +
kann der Sollwert der Echtzeitgeschwindigkeit in 2er-Stufen zwischen 0.25 und 4.0 veringert / erhöht werden.
Das Feld x n.nnn ( nur Anzeige )
zeigt den tatsächlich erreichten Faktor der Zeitdehnung / -raffung.

( Geringere Abweichungen vom Sollwert
resultieren aus dem Umstand, dass die Länge einer Pause in der Simulationsrechnung ein Vielfaches von 4 [ms] betragen muß,
  größere Abweichungen nach unten
treten auf, wenn die Graphikleistung des lokalen Computers nicht ausreicht. )

Nur Anzeige :

Die Drehzahl ( Linksdrehung = pos / Rechtksdrehung = neg ) wird bei Überschreiten der zulässigen Höchstgrenze von ca. 25 [U/min] ( interne Zeitskala ) rot dargestellt,
ebenso eine Fördergeschwindigkeit ( neg ) entgegen der eingestellten Arbeitsrichtung.

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- Maschinenbedienung -
( gelb hinterlegte Felder rechts unten )

Drehrichtung :

Mit   L / R
wird die Umsteuerung auf Links- / Rechtsdrehung als Arbeitsrichtung ausgewählt,
! wobei die tatsächliche Drehrichtung von der Drehmomentbilanz ( Antriebs- und Lastmoment der Maschine ) abhängt !

Der Umsteuerschieber ist hydraulisch betrieben :

Antriebspleuel und -kolben sind so dimensioniert, dass in der Stellung LINKS trotz beiseitig gleichen Wasserdruckes der Schieber nach links bewegt wird,
in der Stellung RECHTS wirkt das Druckwasser nur auf die linke Seite des Arbeitskolbens und bewegt den Schieber nach rechts.

! Der Hebel L / R kann zwar jederzeit umgelegt werden, die Stellung des Umsteuerschiebers ( und damit gekoppelt, die Stellung der "Bypass"-Ventile ) ändert sich jedoch nur bei laufender Simulation ( nach START / mit STEP ) !

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DROSSEL-SCHIEBER :

In den Feldern 0 | 1 | 2 kann der Drosselschieber Die aktuelle Schieberstellung ( 0.0 ... 2.0 ) wrird in einem weiß hinterlegten Feld angezeit.

Der Schieber wirkt mit zwei starr gekoppelten Kolben synchron auf Wassereintrag und -austrag :

Wegen der sehr geringen Kompressibilität des Wassers ist in der Simulationsrechnung die ein- / ausströmende Wassermenge nur durch die Kolbenverschiebung bestimmt.
Die Drosselungwirkung wird über einen Druckabfall berücksichtigt, der von der Strömungsgeschwindigkeit und einem Faktor abhängt, der bei einer schrittweisen Verschiebung der Kolben ( linear, um -0.1 ) jeweils um 1.5 vergrößert wird.

Durch die symmetrische Auslegung von Kolben und Pleueln und die Ausgleichskanäle ( an der Unterseite der der Drosselzylinder ) kann der Schieber mit rel. geringem Kraftaufwand von Hand betrieben werden.

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BREMSE :

In den Feldern A und Z kann die Bremse

Die Bemse ist erforderlich, um bei "geschlossenem" Drosselschieber ( s.o. "LECKAGE" ) ein Weiter- oder Rückwärtslaufen der Maschine bei entsprechender Lastverteilung zu verhindern.
Sie besteht im Original aus einem verstellbaren Stahlband, das ein mit den Seilkörben gekoppeltes Bremsrad umfasst, und ist in der graphischen Darstellung der Maschine nicht wiedergegeben.

Als Nothalt ist im Original oberhalb des oberen Füllortes ein Hebel ( nicht dargestellt ) angebracht, über den eine Tonne die Bremse aktivieren kann.
In der Simulation wird bei einer Tonnenposition Z < -1.0 [m] der Drosselschieber geschlossen und bei Z < -2.0 [m] die Bremse angezogen.
Falls eine Tonne aufgrund einer hohen Fördergeschwindigkeit und der Trägheit des Systems eine Position Z < -4.0 [m] erreicht, wird die Simulation gestoppt, und kann nur nach RESET erneut gestartet werden.

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- Förderschacht -

Ein schwarzer Balken am rechten Bildrand symbolisiert den Förderschacht,
zwei kleine Dreiecke die aktuellen Positionen von linker und rechter Tonne
( Tonnen : leer = weiß / voll = grau ).

Mit der linken / rechten Maustaste
kann die linke / rechte Tonne auf die entsprechende Teufe gesetzt werden.

Farbcode :
( auch für die Umrandung der Tonnenmarken und die Teufenangaben unter Z [m] )

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- Zustandsdiagramm -

Screenshot :


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In einem separaten, skalierbaren Fenster kann

aufgetragen werden

Zusätzlich kann ein Drehmomentverlauf dargestellt werden

Im HALT-Modus kann

Bei aktiviertem HLP ( im Applet ) werden im HALT-Modus die Koordinaten der aktuellen Cursorposition und die aktuell möglichen Cursoraktionen angezeigt.

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- Download -

Die für eine lokale Installation des Applets benötigten Class- und Html-Files sind verfügbar als zip-File und als tar.gz-File.

Weitere Applets : Homepage des Authors

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Rev. 20-Dez-2006

Viel Spaß wünschen Ihnen

Fritz Keller
( ned gschempfd isch globd gnueg )
und
Dr. Friedrich Balck, Institut für Physik und Physikalische Technologien der TU Clausthal
( Forschungsbereich Technikgeschichte )

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