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Schaufelrad für aussen beaufschlagte Turbinen bzw. für Radialpumpen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaufelrad für aussen beaufschlagte Turbinen, insbesondere Frei- strahlturbinen bzw. für Radialpumpen mit am Umfang der Schaufelträgerscheibe angeordnete, abwech- selnd nach einer der beiden Seiten des Rades offenen Schaufeln.
Insbesondere bei den Peltonschaufeln hat man die Schwierigkeit, das Biegemoment der Schaufeln, dessen Ausmass durch das Produkt aus dem Strahldruck mit dem Abstand von der Strahlmitte bis : zum
Schaufelfuss bzw. zur Schaufelbefestigung gegeben ist, abzufangen. Aus Gründen der Inhomogenität des Materials und der Gusstechnik ist ein in einem Stück gegossener Schaufelkranz schwierig auszuführen. Die in Gruppen oder einzeln aufgeschraubten Schaufeln wiederum bedingen konische Schraubenbolzen, Zwischenkeile und deren Sicherungen.
Um ferner die bekannten Vorteile der Peltonturbine gegenüber der Francisturbine weitgehend auszunützen, braucht man ein Peltonrad mit möglichst hoher spezifischer Drehzahl. Dem wird aber durch den Raumbedarf der Stützrippen am Schaufelrücken und der Schaufelbefestigung strömungstechnisch eine Grenze gesetzt.
Bei der üblichen bekannten doppelhöhligen Peltonschaufel mit drei Eintrittsschneiden und Rückenrippen ist schliesslich die Herstellung aus gepresstem Blech schwierig. Beim Bau und bei der Instandhaltung der drei zu einer Spitze zusammenlaufenden Schneiden durch Auftragschweissen und Zuschleifen ist die Zugänglichkeit durch die Rückenrippen erschwert.
Bei den Francisschaufeln hat man ebenfalls das Biegemoment, gegeben durch das Produkt aus der hydraulischen Kraft auf die Schaufel mit deren Abstand vom Laufradboden durch die Schaufelwandstärke abzufangen. Dazu kommen noch Schwingungskräfte, welche durch die elastische Form der Schaufeln in Verbindung mit der Masse des Laufradkranzes ein schwingfähiges System darstellen, welches durch hydraulische Kräfte zur Eigenschwingung aufgeschaukelt wird. Am Boden der Schaufeln treten deshalb vielfach Brüche auf. Ferner wird bei den bekannten Bauarten von Francisturbinen der hydraulische Wirkungsgrad durch die Reibflächen des Bodens und des Kranzes sowie durch den Spaltverlust herabgesetzt.
Diese Nachteile werden gemäss der Erfindung ausgehend von der bekannten Massnahme, die Schaufeln am Umfang der Schaufelträgerscheibe abwechselnd nach einer der beiden Seiten des Rades offen anzuordnen, dadurch vermieden, dass die innere Begrenzungskante jeder Schaufel mit dem Rücken der nachfolgenden in Verbindung steht.
Diese Massnahme bringt in festigkeitstechnischer Hinsicht eine bedeutende Verbesserung gegenüber den bekannten Ausführungen mit sich. Das durch den Strahldruck verursachte Biegemoment der Schaufeln in bezug auf den Befestigungsort auf der Trägerscheibe wird durch die jeweils nachfolgende und vorhergehende Schaufel abgefangen. Es erübrigen sich daher die bisher üblichen gesondert ausgeführten Versteifungen, Verstärkungen, Rippen und sonstigen Sicherungen völlig.
Die fertigungstechnischen Vorteile sind im besonderen Masse dann gegeben, wenn die Verbindung der Schaufeln von der Eintrittsschneide bis in den Bereich der Schaufelträgerscheibe eine ununterbrochene ist, und die Schweissnähte der Verbindung in biegungsfreien Zonen liegen.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen näher erläutert. Ein, erstes Ausführungsbeispiel zeigen die Fig.
1 bis 4. Dabei ist Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemässen Schaufelrades, Fig. 2 eine Ansicht in radialer Richtung, Fig. 3 schematisch ein achsparalleler Schnitt und Fig. 4 eine Ansicht in axialer Richtung. Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 5 bis 7 dargestellt. Wiederum ist Fig. 5 eine Ansicht in radialer Richtung, Fig. 6 schematisch ein achsparalleler Schnitt und Fig. 7 eine
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Ansicht in axialer Richtung. Ein drittes Ausführungsbeispiel zeigen die Fig. 8 und 9. Fig. 8 ist eine An- sicht in axialer Richtung und Fig. 9 schematisch ein achsparalleler Schnitt.
Bei dem in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Schaufelrad sind auf der Schaufelträgerscheibe l, welche, wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, doppelkegelförmig ausgebildet ist, abwechselnd nach einer der beiden Seiten des Rades offene einhöhlige Schaufeln angeordnet.
Die innere Begrenzungskante 2 jeder Schaufel liegt am Rücken 3 der folgenden Schaufel an.
Die äussere Begrenzungskante 4 mündet in die Kegelfläche der Schaufelträgerscheibe 1 ein. Der
Winkel et zwischen der Tangente der äusseren Begrenzungskante 4 im Schnittpunkt mit der Kegelfläche und der durch denselben Punkt gehenden Kegelerzeugenden ist gemäss Fig. 3 kleiner als ein rechter Win- kel. Die Schaufelflächen sind vorzugsweise so ausgebildet, dass sie an ihrer zentralen Innenpartie 5 mög- lichst glatt in die Kegelfläche der Schaufelträgerscheibe 1 übergehen. In demdargestelltenAusführungs- beispiel ist dieser Übergang nicht vollkommen glatt.
Wie insbesondere aus Fig. 3 und 4 hervorgeht, liegen die Eintrittschneiden 6 sämtlicher Schaufeln in einer mit der Radachse 7 koaxialen Zylinderfläche 8. Die Breite der Eintrittsschneiden entspricht der Breite des eintretenden Freistrahles. Da die Schneiden 6 des Schaufelrades am äussersten Umfang liegen, sind sie leicht zugänglich und können durch Auftragschweissen und Zuschleifen einfach erneuert werden.
Im Betriebszustand, in welchem das Schaufelrad gemäss der Pfeilrichtung 7'sich dreht, tritt der-Freistrahl in Richtung des Pfeiles 9 in das Laufrad ein und wird beim Auftreffen auf die Eintrittschneiden 6 in Teilströme zerschnitten. Die zwischen den Eintrittschneiden von je zwei der Schaufeln fliessende Teilströmung wird durch die einhöhlig geformte Schaufel umgelenkt, übt dabei eine Umfangskraft auf die Schaufel aus und verlässt sie energielos in der absoluten Austrittsrichtung der Pfeile 9'längs der als Austrittskante wirkenden äusseren Begrenzungskante 4 der Schaufel.
Die Resultierende der hydraulischen Kräfte (Umfangskraft) wirkt ungefähr auf die Mitte der Schaufel und gerade an dieser Stelle wird die Schaufel aber von der vorhergehenden über die ganze radiale Ausdehnung von der Eintrittsschneide 6 bis zur Peripherie der Schaufelträgerscheibe 1 unterstützt. Durch diese gegenseitige Verbindung aller abwechselnd linken und rechten Schaufeln untereinander zu einem Schaufelkranz, der bis zum Aussendurchmesser des Laufrades geschlossen ist, übernehmen auch die benachbarten Schaufeln einen Teil der Umfangskräfte von den jeweils beaufschlagten Schaufeln.
Durch diese gegenseitige Versteifung der Schaufeln untereinander haben die Schaufelwurzeln keine Biegepsannungen mehr aufzunehmen, sondern lediglich die Umfangskräfte und Zentrifugalkräfte auf die doppelkegelige Schaufelträgerscheibe 1 zu übertragen.
Es erübrigen sich alle Versteifungsrippen, auch können dünne Wandstärken gewählt werden und der Schaufelkranz direkt mit dem Wellenbund verschweisst werden. so dass Raum und Freiheit für die strömungstechnisch günstigste Gestaltung der Schaufeln zur Erreichung einer hohen spezifischen Drehzahl und eines hohen Wirkungsgrades zur Verfügung stehen.
Die Schweissnähte zur Verbindung der Schaufeln untereinander entlang ihrer inneren Begrenzungskanten 2 liegen in biegungsfreien Zonen, so dass sie keinen unangenehmen Beanspruchungen ausgesetzt sind.
Der kleine Durchmesser der Schaufelträgerscheibe l, ihre geringe axiale Ausdehnung und die einfache Verbindung bietet den rechts und links vorbeifliessenden Teilströmungen wenig Widerstand und gestattet ebenfalls eine Erhöhung der spezifischen Drehzahl. Dadurch wird erreicht, Freistrahlturbinen noch dort verwenden zu können, wo bisher Francisturbinen verwendet werden mussten.
Durch die besondere Anordnung der Schaufeln auf der Schaufelträgerscheibe, insbesondere dann wenn die Schaufelflächen an ihrer zentralen Innenpartie 5 glatt in die Kegelflächen übergehen, werden weitere Vorteile strömungstechnischer Art erzielt. Es werden nämlich dadurch Teile der Trägerscheibe 1 zur Umlenkung des Wassers herangezogen. Der Schaufelträgerscheibe 1 kommt dadurch neben der ihr eigenen Funktion auch noch eine strömungstechnische zusätzliche Funktion zu.
Die Wahl des Winkels et zu 90 und weniger ist im Zusammenhang mit den übrigen aus strömungs- technischen und festigkeitsmässig getroffenen Massnahmen eine strömungstechnisch zweckmässige Anweisung, durch die gleichzeitig eine Einsparung an Material gegenüber den bisherigen Ausbildungen dieser Schaufelpartien erzielt wird.
In den Fig. 5 - 7 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, wobei ein gemäss der Erfindung gebautes Schaufelrad bei Francisturbinen angewandt ist. Das Schaufelrad läuft in der Richtung des Pfeiles 7'.
Die Merkmale, die das Wesen der Erfindung ausmachen, treten auch hier wieder auf. Die Innenkanten 2 der abwechselnd nach einer der beiden Seiten offenen Schaufeln stützen sich am Rücken 3 der jeweils folgenden Schaufel ab, wobei die Unterstützungslinie vom Rand der Eintrittskante 6 im Bogen bis zur Peripherie der Schaufelträgerscheibe 1 verläuft.
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Durch diese Verbindung der Schaufeln untereinander und mit der Schaufelträgerscheibe 1 können die Umfangskräfte und die Zentrifugalkräfte durch die Schaufeln allein auf die Schaufelträgerscheibe übertragen werden und es erübrigt sich der bei Francislaufrädern übliche Boden und Kranz.
Durch die Schräglage der Eintrittschneiden 6 über die Schaufelteilung wird das vom Leitapparat 10 in Richtung der Pfeile 11 durch die Zungen 12 zuströmende Wasser stossfreier geschnitten und eine Längsschwingung des Druckwassers in der Rohrleitung nicht so leicht aufgeschaukelt. In der absoluten Richtung 11'verlässt das Wasser energielos das Schaufelrad. Der Normalabstand der Schaufeln ist im Austrittsbereich des Wassers kleiner als im Eintrittsbereich.
Eine Variante des erfindungsgemässen Schaufelrades in der Anwendung bei Francisturbinen zeigen die Fig. 8 und 9. Der wesentliche Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach den Fig. 5 bis 7 liegt in der radialen Verlängerung 13 der Schaufelflächen. Diese radiale Verlängerung 13 weist eine Breite vom Ausmass der Breite der Eintrittsschneiden 6 auf, und greift in das Innere des Leitapparates 10 ein. Die Pfeilrichtungen 11 gelten wiederum für das Zuströmende, die Pfeilrichtungen 11'für das energielos abströmende Wasser. Der Pfeil T gibt die Drehrichtung des Rades an.
Diese Ausführung eignet sich auch vorteilhaft für Pumpen zur Förderung von Wasser und Luft. Es ist dabei lediglich die Drehrichtung des Rades und die Strömungsrichtung umgekehrt. Die Drehrichtung des Rades ist durch den Pfeil 7" gegeben. Das zu fördernde Medium wird axial entgegen der Pfeilrichtung 11' zugeführt und mit erhöhtem Druck radial entgegen der Pfeilrichtung 11 abgeführt.
Die Bezeichnungen Eintrittsschneide, Austrittskante usw. müssen dabei sinngemäss umbenannt werden.
In den folgenden Ansprüchen ist die Bezeichnungsweise, wie sie für Turbinen zutrifft, gewählt. Die Ansprüche sollen aber in analoger Weise auch für Pumpen gelten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaufelrad für aussen beaufschlagte Turbinen, insbesondere Freistrahlturbinen bzw. für Radialpumpen mit am Umfang der Schaufelträgerscheibe angeordneten, abwechselnd nach einer der beiden Seiten des Rades offenen Schaufeln, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Begrenzungskante (2) je-der Schaufel mit dem Rücken (3) der nachfolgenden in Verbindung steht.