AT394093B - Peltonrad - Google Patents

Description

AT 394 093 B

Die Erfindung bezieht sich auf den mechanischen Aufbau einer Peltonradstruktur nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 wonach einzeln gefertigte Becher mit segmentartigen Füßen (2) über zylindrische Schultern (14) formschlüssig zwischen mindestens zwei symmetrisch zur axialen Mittelebene angeordneten Radscheiben (7), (7A) zentriert sind. Es sind eine Reihe von Konstruktionen mit diesem Merkmal bekannt, das gegenüber der am meisten verbreiteten Konstruktion mit einzeln gefertigten Bechern, nämlich jener mit reiterartig auf einer Radscheibe aufgesetzten Bechern den Vorteil hat, daß die Becher bereits ohne Zusatz von Schrauben und Paßbolzen formschlüssig sicher zwischen den seitlichen Radscheiben eingesperrt sind. Damit reicht die Sicherheit eines derartigen Rades nicht nur an monolithisch in einem Guß hergestellte Peltonräder heran, sondern übertrifft diese, da Einzelbecher gußtechnisch mühelos rissefrei gegossen werden und die Radscheiben geschmiedet werden können.

Innerhalb der im Oberbegriff nach Anspruch 1 definierten Laufräder mit segmentartigen Becherfüßen, zentriert zwischen mindestens zwei Radscheiben, besteht das wesentliche Erfindungsmerkmal nach Anspruch 1 in der konstruktiven Gestaltung der Vorspannung des Schaufelverbandes.

Die Segmentfüße (2) der Becher (1) werden durch Kegelspannhülsen (8), (26), die sich mittels vorgespannter Schraubenzuganker (9), (25) in Kegelsitze (13), (13A) zwischen je zwei benachbarten Segmentfüßen an zwei bis etwa vier Stellen am Umfang hineinpressen, sowohl in radialer Richtung, bedingt durch den Sektorenwinkel der Segmente, gegen die Schultern (14) der Radscheiben (7) gepreßt, als auch in Umfangsrichtung in den Segmentradialflächen (33) aufeinandergepreßt. Zwischen den zwei bis etwa fünf Stellen am Umfang mit Kegelhülsen entstehen Schaufel-Sektorgruppen, die vier bis etwa acht Schaufeln umfassen und in deren Mitte Drehmomentübertragungsbolzen (19) angeordnet sind, die das Drehmoment vom Schaufelverband in die beiden seitlichen Radscheiben (7) übertragen und gegen welche die Schaufeln einer Sektorgruppe von beiden Umfangsseiten her mittels Kegelhülsen angepreßt werden. Dabei können sich die Kegelhülsen völlig unbehindert frei zwischen zwei benachbarten Drehmomentübertragungsbolzen (19) in Umfangsrichtung zentrieren, da sie mit einem zylindrischen Spalt (27), der den zylindrischen Teil der Hülsen umgibt, von den seitlichen Radscheiben (7) getrennt sind und auch kein Drehmoment zu übertragen haben. Das Drehmoment übertragen ausschließlich die Bolzen (19). Kurz, es werden Doppelpassungen vermieden, so daß das Gleichgewicht der Kräfte im Rad in erster Näherung auch ohne Rücksichtnahme auf elastische Deformationen und ohne Ausgeliefertsein auf die Zufallslage der Maßtoleranzen bei der Berechnung von Formänderungen zuverlässig bestimmt werden kann. In dieser kräftemäßig eindeutigen Anordnung der Konstruktionselemente, in der Befreiung der Kegelhülsen von der Aufgabe der Drehmomentübertragung und Beschränkung auf die reine Vorspannung des Schaufelverbandes in Umfangsrichtung und in radialer Richtung zugleich durch die räumliche Kräftezerlegung in der erfindungsgemäßen Konstruktion, liegt auch der wesentliche Unterschied zu der Patentschrift, die der vorliegenden Erfindung am nächsten kommt, nämlich zur AT-PS 380 078, die vom gleichen Erfinder stammt. In der AT-PS 380 078 dienen parallele Abflachungen des zylindrischen Teiles der Kegelhülsen, die in radial angeordnete Langlöcher der Seitenscheiben hineinragen zur Übertragung des Drehmomentes. Dadurch können sich die Kegelhülsen in Umfangsrichtung nicht frei zentrieren. Nur bei hoher Fertigungsgenauigkeit sind dann die Schaufelsegmentgruppen bei dieser Konstruktion in Umfangsrichtung und in radialer Richtung gleichmäßig vorgespannt Neben der Funktionstrennung für Vorspannung und Drehmomentübertragung und dem daraus bedingten Vorhandensein der Bolzen (19) und der Spalte (27) besteht ein weiterer wesentlicher Unterschied zur AT-PS 380 078 im Vorhandensein von zwei verschieden großen Kegelhülsenpaaren in der spaltbehafteten Radialebene (32), wodurch der im Hundertstelmillimeterbereich liegende Spalt (32) in seinem radialen Verlauf besser beeinflußt werden kann. Diese Doppelanordnung kommt für hochbeanspruchte Peltonräder, d. h. für hohe Gefälle in Frage. Dadurch wird ein Kippen der Schaufel um die Achse der Kegelhülsen bewirkt durch Biegewirkung des Flüssigkeitsstrahles, zusätzlich zu der bereits vorhandenen formschlüssigen Behinderung durch die Schulterflächen (14) und die Radialflächen (33) mit größtmöglicher Sicherheit verhindert.

Gegenüber dem Stand der Technik betreffend Peltonräder mit einzeln gefertigten Bechern besteht der erfindungsgemäße Beitrag in der klaren Trennung von Konstruktionselementen zur elastischen Vorspannung des Radverbandes einerseits und Drehmomentübertragung anderseits, mit klar berechenbarer Kräftesituation durch Vermeidung von Doppelpassungen, in der gleichzeitigen Sicherheit gegen Zerfall der Laufräder erzielt durch formschlüssige Lagesicherung der Schaufel mittels Schultern (14) zwischen den Radscheiben (7) völlig unabhängig von einem etwaigen Abreißen oder Abscheren der Bolzen (19) oder der Schraubenzuganker (9), (25) im Inneren des Radverbandes. Die Steilkegel (13) und (13A) mit Winkeln von etwa 60° bewirken im Gegensatz zu Kegelstiften mit Anzug um 1:50 bei der Reiterbauweise keine unkontrollierbaren Vorspannungen mit Rissen und Zerfall als Sekundärfolgen. Sie werden ja nicht mit Hammerschlägen in ihre Sitze getrieben, sondern mittels eines voraus berechenbaren Drehmomentes beim Anziehen der Schraubenzuganker (9) und (25), wobei Tellerfedem (12) elastisch für annähernde Konstanz der Vorspannung sorgen. -2-

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Gegenüber den in einem Stück gegossenen Peltonrädem (Monoblockbauweise), die bis dahin als die relativ sicherste Bauweise gilt, hat die erfindungsgemäße Konstruktion zusätzliche sicheiheitsmäßige Vorteile. Diese Vorteile bestehen in der - Möglichkeit des problemlosen rissefieien Gusses der gußtechnisch leichter zu fertigenden Einzelbecher, womit ein Hauptproblem der Monoblockbauweise entfällt, - in der Möglichkeit die Becher zu schmieden oder in Feinguß ("Investment Casting") herzustellen, - in der Möglichkeit die Radscheiben hochfest zu schmieden, - m weitgehenden Fortfall latenter Gußspannungen. Viele Laufräder der Monoblockbauweise bekommen Risse erst nach Jahrzehnten infolge der latenten Gußspannungen. - in der raschen Austauschbarkeit von Schaufelsätzen bei zum Beispiel Abnützung durch Erosion. Im Gegensatz zur bekannten Reiterbauweise ermöglicht die erfindungsgemäße Konstruktion mit ihren mittels O-Ringen gekapselten und abgedichteten Verbandes von geölten Bolzen und Schrauben ein müheloses Zerlegen und Wiederzusammenbauen des Radverbandes innerhalb von wenigen Stunden und das nach vieljährigem Betrieb.

Eine Beschränkung der Anwendung der erfindungsgemäßen Bauweise bezüglich Leistung oder Gefälle besteht nicht Die relativ kleinen Schaufeln auf großen Teilkreisradien bei großen Gefällen ermöglichen genügend Raum für die erforderliche hochfeste Konstruktion (Fig. 2). Zulässige Flächenpressungen und Spannungen werden nirgends ausgeschöpft zweckmäßige Proportionierung der Erfindung vorausgesetzt.

Bei kleinen Gefällen und hohen spezifischen Drehzahlen ergibt sich ein sehr großer Becher nahe an der Mittellinie (Fig. 4, 5 und 6). Dabei genügen die kleineren Segmentfüße und Vorspannungen vollauf den geringeren Kräften. Nur muß dann die Turbinenwelle durch hülsenartige Hohlwellenteile (30) und durch einen Zuganker mit Spannmuttem (17) ersetzt werden, wie das Extrembeispiel (Fig. 4,5 und 6) dies zeigt

Figurenbeschreibung:

Fig. 1 zeigt den typischen Schaufelfuß (2) eines Peltonbechers (1) in erfindungsgemäßer Ausführung.

Fig. 2 zeigt eine typische Anordnung mit durchgehender Welle und zwei Kegelhülsenpaaren in einer radialen Ebene.

Fig. 3 stellt einen typischen Schnitt zu einer Anordnung nach Fig. 2 dar.

Fig. 4 ist eine typische Niederdruckanwendung für hohe spezifische Drehzahlen, erkennbar an großen Bechern nahe an der Mittellinie und an zwei Rädern auf einem Wellenstrang.

Fig. 5 ist die Vergrößerung eines Rades von Fig. 3 und könnte in der Form auch für ein Rad pro Wellenstrang realisiert werden.

Fig. 6 ist ein typischer Querschnitt zu Fig. 4,5.

Im Pgtaif;

Fig. 1 Zusätzlich zur obigen Anmerkung sei bemerkt daß dies eine annähernd maßstäbliche Perspektive der in Fig. 6 dargestellten Schaufel für hohe spezifische Drehzahlen ist

Fig. 2 Dies ist eine typische erfindungsgemäße Konstruktion für Verhältnisse "Strahlkreisdurchmesser zu Strahldicke" von etwa über 6. Segmentartige Füße (2) der Becher (1) werden in zylindrischen Schultern (14) der Scheiben (7) zentriert die ihrerseits auf der Welle (21) zentriert sind. Die Drehmomentübertragung auf die Welle kann entweder direkt in den Scheiben (7) durch bekannte Mittel erfolgen, oder, wie gezeichnet erst weiter außen in weiteren Scheiben (7A) durch beispielsweise Ringfeder-Spannelemente (31) zur Freihaltung der Radscheiben (7) von den Vorspannungen der Übertragungselemente (31). Zum Rostschutz und zur Kapselung fettgefüllter Hohhäume sind ganz außen Deckscheiben (33) angeordnet. Die Kegelhülsen (8), (26) werden mittels Spannbolzen (9), (25) durch Muttem (11), (11A) vorgespannt. Die berechnete Vorspannung kann durch Flachdrücken eines entsprechend bemessenen Paketes von Tellerfedem (12) und (12A) optisch angekündigt werden. Erfindungsgemäß wesentlich ist der konzentrische große Spalt (27) um den zylindrischen Teil aller Kegelhülsen. Dadurch ist sichergestellt, daß diese kein Drehmoment übertragen. Dies besorgen vielmehr Drehmomentübertragungsbolzen (19), die sich solange axial nach außen erstrecken, bis sie die Scheiben erreichen, welche das Drehmoment weiter auf die Welle (21) überragen. Die Flächenpressung in den Kegelsitzen (13) und an den Schultern (14) wird sorgfältig abgestimmt und bewegt sich in mäßigen Bereichen. Axial werden die Schaufeln an den Flächen (29) fixiert. Spalten (28) seitlich der Füße (2) werden bewußt im Milli-meterbereich vorgesehen, damit die feinen Deformationsbewegungen beim Vorspannen nicht unnötig durch Reibung behindert werden, neben den unvermeidlichen Reibungsanteilen.

Fig. 3 Stellt einen typischen Querschnitt senkrecht zur Drehachse einer Anordnung nach Fig. 2 dar. Die Schaufelschnitte verstehen sich entlang einer Bodenscheitellinie, definiert als jeweils tiefste Stelle im Becher gegenüber dem Becherrand. Im Schnitt sieht man die Welle, die Drehmomentübertragungsbolzen (19), die Spannbolzen (9), (25). Die Kegelhülsen sind weggelassen, dafür sieht man die -3-

Claims (4)

1. AT 394 093 B Kegelbohrungen in jeweils benachbarten Schaufelfüßen (8A), (26A), die bevorzugt zwei bis vier mal am Umfang auftreten. Möglichst in der Mitte zwischen den Spalten (32) befinden sich die Drehmomentbolzen (19). Durch Anziehen der Spannbolzen entsteht der gewollte Spalt (32) im Bereich von Zehntelmillimetern bis Millimeter eine formschlüssige Vorspannung auf die Schulterflächen (14) und auf die Radialflächen (33), die ein gewünscht elastisches Verhalten des gesamten Radverbandes ergibt Auch in der Ebene (33) des Drehmomentübertragungsbolzens könnte ein Spalt im Bereich von Hundertstelmillimetem und darunter realisiert werden, um mehr Anpressung an die Bolzen (19) zu erzielen. Fig. 4 Stellt eine vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Struktur für eine Niederdruckpeltonturbine hoher spezifischer Drehzahl dar, erkennbar an zwei Laufrädem und großen Bechern im Verhältnis zur Entfernung von der Drehachse. In einem Gehäuse (16) mit zwei Lagern (6) sind die Endwellenstummel (3) eine Hohlwelle (30) gelagert, wobei diese Teile und die des Radverbandes axial durch einen mittels der Mutter (17) hydraulisch vorgespannten Zuganker (5) zusammengehalten werden. Weitere Erläuterungen erfolgen zum vergrößerten Ausschnitt aus dieser Zeichnung, Fig. 5. Fig. 5 stellt einen vergrößerten Ausschnitt zu Fig. 4 dar. Bei derart nahe an die Mittellinie gerückten Bechern tritt an Stelle einer durchgehenden Vollwelle eine Hohlwelle (30), deren axial aneinander gefügten Teile durch den vorgespannten Zuganker (5) zusammengehalten werden. Die Füße (2) der Becher (1) erlauben nur Platz für je ein paar Kegelhülsen (8), zusammengehalten durch Zugspannbolzen (9), vorspannbar mittels Muttem (11) mit optisch kontrollierbarer Vorspannung durch Flachdrücken der Tellerfederpakete (12). In den Kegelsitzen (13), in den zylindrischen Schultern (14) und in den in Fig. 6 sichtbaren radialen Flächen (33), entsteht dadurch eine wohlberechnete Vorspannung. Spalte (27) um den zylindrischen Teil der Kegelhülsen verhindert, daß diese etwa ein Moment übertragen. Diese Aufgabe besorgen ausschließlich die Drehmomentübertragungsbolzen (19). Spalten (28) seitlich der Füße (2) beseitigen unnötige Reibung beim Vorspannen, neben der unvermeidlichen Reibung und verhindern auch eine axiale Doppelpassung gegenüber den axialen Anschlagflächen (29). Das Drehmoment wird über Scheiben (10) in die Hohlwelle (30) eingeleiteL Die Bolzen (20) ersetzen das sonst angeordnete zweite Kegelhülsenpaar als Sicherung gegen Kippen der Schaufel um die Achsen der Kegel-hülsen. Bei geringen Schaufelkräften können die Bolzen (20) auch weggelassen werden. Fig. 6 zeigt einen typischen Schnitt durch den Radverband der Figuren 4 und 5. Man erkennt 3 Paare Kegelhülsen (8) mit Spannbolzen (9) am Umfang verteilt, dazwischen ebensoviele Drehmomentübertragungsbolzen (19) an welche durch Spannen der Bolzen (9) die Schaufeln gruppenweise von beiden Seiten gedrängt werden, wobei in den Radialebenen der Kegelhülsen die Spalte (32) entstehen und die Schaufeln auch nach radial außen gegen die Schultern (14) der Fig. 5 gedrängt werden. In den Radialflächen (33) entsteht gleichfalls eine erwünschte Vorspannung. Man sieht ferner den Zuganker (5) im Schnitt, der auch durch ein Rohr realisiert werden könnte. Die in Fig. 6 und Fig. 1 dargestellte Schaufel entspricht der in der Anmeldung A 2826/88 definierten Form. PATENTANSPRÜCHE 1. Peltonrad aus einzelnen Bechern bestehend, die zu einem Radstem zusammengefügt sind, wobei dieser Rad-stem durch mindestens zwei symmetrisch zu axialen Mittelebene liegende Radscheiben über zylindrische Schaltern der Becherfüße der Becher zentriert wird, dadurch gekennzeichnet, daß an einer oder mehreren Stellen der Umfangsrichtung zwischen jeweils angrenzenden Radialflächen (33) der Becherfüße (2) (Fig. 3) ein bis zwei radial übereinander liegender Kegelhülsenpaare (8), (26) unterschiedlicher Durchmesser mit Kegelsitzen (13), (13A) mit Spiel (27) am zylindrischen Teil der Kegelhülsen gegenüber den Radscheiben (7,10) angeordnet sind, wobei diese Kegelhülsen durch Spannbolzen (9), (25) (Fig. 2) in ihre Kegelsitze (13), (13A) gepreßt weiden, daß ferner zwischen den angrenzenden Radialfächen (33) der Becherfüße (2) mit den dazwischenliegenden ein bis zwei Kegelhülsenpaaren ein kontrollierbarer Spalt (32) entsteht, dessen radialer Verlauf und Dicke durch mittels Schraubgewinde einstellbare Vorspannung an den Schraubenbolzen (9), (25) bestimmt werden kann und daß durch diese einstellbare Vorspannung die Fußsegmente der Becherfüße (2) gruppenweise in Umfangsrichtung gegen die zylindrischen Drehmomentübertragungsbolzen (19) (Fig. 2,3) gepreßt werden, die spielfrei, etwa in der Mitte - in Umfangsrichtung gesehen · zwischen benachbarten Kegelhülsenpaaren (8,26) in Umfangsrichtung angeordnet sind und in axialer Richtung sowohl die Radscheiben (7) als auch weitere Radscheiben (7A) (Fig. 2); (10) (Fig. 5) durchdringen. -4- AT 394 093 B
2. 2. Peltonrad nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein von nur einem Paar Kegelhülsen (8) zwischen angrenzenden Radialflächen (33) der Becherfüße (2) (Fig. 6), radial weiter außen ein zylindrischer Bolzen (20) (Fig. 5, 6) mit spielfreiem Paßsitz zwischen den Radialflächen (33) angeordnet ist.
3. 3. Peltonrad nach Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Teile einer Hohlwelle (30) die Rad scheiben (7,7A, 10) beidseitig umschließen und daß ein zentrischer Zuganker (5) (Fig.
4. 4,5 und 6) die Hohlwelle (30) und die Radscheiben (7,7A, 10) axial vorspannt. 10 Hiezu 6 Blatt Zeichnungen -5-