AT397130B

AT397130B - Leitschaufel für leitapparate von wasserkraftmaschinen

Info

Publication number: AT397130B
Application number: AT0300188A
Authority: AT
Original assignee: Rodenberg Kunststofftech
Priority date: 1987-12-11
Filing date: 1988-12-07
Publication date: 1994-02-25
Also published as: US4946347A; DE3742046C2; DE3742046A1; CH677006A5; ATA300188A

Description

AT397130B

Die Erfindung betrifft eine Leitschaufel für Leitapparate von Wasserkraftmaschinen, mit einem drehbar gelagerten, in sich starren Blatt, welches in Schließstellung des Leitapparates an benachbarten Leitschaufel-blättem abgestützt ist und mit einem metallischen Kern versehen ist

Leitschaufeln werden in Abhängigkeit von ihrer Belastung üblicherweise aus Stahlguß oder Gußeisen gegossen. Zur Erzeugung ihrer Fertiggestalt ist ein erheblicher Aufwand an spanender Bearbeitung erforderlich. Die durch das hohe Gewicht dieser Leitschaufeln hervorgerufenen Massenkräfte müssen bei der Auslegung des Leitschaufel-Verstellapparates berücksichtigt werden. Außerdem wendet man bei einem aus solchen Schaufeln gebildeten Leitapparat eine entsprechende hohe Schließpressung an, um bei geschlossenem Leitapparat trotz Fertigungs- und Montagefehlem einen wasserdichten Verschluß im Bereich der Schließkanten sämtlicher Schaufelblätter zu erzielen. Zwar werden Gewichtsvorteile erzielt, wenn nach einer anderen Herstellungsweise Leitschaufelblätter aus Blechen geformt werden. Diese durch Schweißen zu verbindenden Bleche haben zwar eine höhere Oberflächengüte als Gußteile; dennoch erfordern solche Leitschaufelblätter im Bereich der Schließkante ebenfalls eine spanende Bearbeitung.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Fertigungsaufwand von Leitschaufeln zu verringern, insbesondere deren spanende Bearbeitung weitgehend zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Schaufelblatt einen metallischen Kern und eine wenigstens annähernd die gesamte wasserberührte Oberfläche des Blattes umfassende, durch Urformen erzeugte Umhüllung aus einem nichtmetallischen Werkstoff, wie Polyurethan, Kautschuk u. dgl. elastomerem Kunststoff aufweist.

Die Fertigung einer derartigen Leitschaufel erfordert zwar die Herstellung einer Form, was jedoch im Hinblick auf die Anzahl der pro Wasserkraftmaschine benötigten, formgleichen Leitschaufeln wirtschaftlich ist Bei dem erfindungsgemäßen Leitschaufelblatt übernimmt der metallische Kem die Übertragung der vom Leitapparat der Maschine ausgeübten Verstellkräfte und leitet die hydraulischen Kräfte auf der Lagerung der Schaufel dienende Maschinenbauteile ab. Mit der Umhüllung wird dagegen die Gestalt des Leitschaufelblattes in hoher Formgenauigkeit erzeugt. Die hierzu vorgesehenen Werkstoffe zeichnen sich durch Elastizität aus, so daß die Schließpressung der Leitschaufeln in der Schließstellung des Leitapparates ein geringeres Ausmaß haben kann, um einen dichtenden Kontakt der Schließkanten benachbarter Leitschaufelblätter zu erzielen. Darüber hinaus zeichnen sich die vorgesehenen Werkstoffe für die Umhüllung durch eine hohe Formbeständigkeit, insbesondere gegen Erosion durch Sand im Wasser aus. Schließlich kann mit der erfindungsgemäßen Schaufelgestaltung eine erhebliche Reduzierung des Schaufelgewichtes erzielt werden.

Zwar ist es aus der US-PS 1 472 924 bekannt, in das Blatt einer aus Stahl oder Stahlguß hergestellten Leitschaufel eine parallel zur Schaufeldrehachse verlaufende Nut zu formen, in welche eine Leiste aus Weißmetall oder Holz eingefügt ist. Durch Anschlägen der Schließkante des Nachbarleitschaufelblattes gegen die eingefügte Leiste und deren plastisches Verformen soll hiermit eine verbesserte Dichtwirkung der in Schließstellung befindlichen Leitschaufeln erzielt werden.

Außerdem ist aus der DE-AS 1 224 219 eine in herkömmlicher Weise gefertigte Leitschaufel der eingangs ' beschriebenen Art bekannt, bei der an den Stirnseiten ihres Blattes separate, angesetzte Dichtungen befestigt sind. Diese bestehen aus einem metallischen, mit der Leitschaufel verschraubten Kem, der mit einer aufblasbaren Hülle aus Kautschuk versehen ist. In der Schließstellung der Leitschaufel wird die Dichtung aufgeblasen, welche sich gegen an die Leitschaufel angrenzende Bauteile der Wasserkraftmaschine anlegt und in diesem Bereich gegen Eindringen von Leckwasser abdichtet.

Aus beiden vorerwähnten Veröffentlichungen sind zwar Maßnahmen zur Verbesserung der Dichtwirkung an Leitschaufeln bekannt, bei denen Werkstoffe verwendet werden, die von denjenigen der Leitschaufel verschieden sind. Dennoch ist bei beiden bekannten Ausführungsformen keine Anregung gegeben, die Gestalt des Leitschaufelblattes durch Urformen eines vom bisherigen Schaufelweikstoff völlig verschiedenen Werkstoffs zu bilden.

Aus der US-A-3 301 927 ist ein flügelartiger Teil für ein Luftfahrzeug bekannt, der eine Aluminiumaußenhaut aufweist. Der von der Außenhaut eingeschlossene Hohlraum ist mit geschäumtem Kunststoff gefüllt Im Inneren des Kunststoffs ist ein Stützrohr eingesetzt, durch welches Dampf zur Schäumung des Kunststoffs eingeleitet werden kann.

Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind nachstehend anhand der Unteransprüche erläutert

Durch die im Ansprach 2 angegebene Maßnahme ergeben sich Fertigungsvorteile, da das Schaufelblatt keiner spanenden Bearbeitung bedarf. Vor dem Aufbringen der Umhüllung ist lediglich eine Reinigung des Blattes, z. B. durch Sandstrahlen, erforderlich, was die Haftung der Umhüllung auf dem Kem verbessert

Der im Anspruch 3 beschriebene Aufbau eines Blattkemes zeichnet sich durch die Verwendung einfach gestalteter, miteinander stoffschlüssig verbundener Teile aus, die der Schaufel eine hohe Gestaltfestigkeit geben. Dabei kann das in der Drehachse der Schaufel verlaufende zylindrische Teil als über das Blatt hinausragender Schaufelstiel ausgebildet sein, an dem der Verstellapparat der Wasserkraftmaschine anzugreifen vermag. Oder das zylindrische Teil ist als Rohr ausgebildet, welches im Einbauzustand der Schaufel von einem der Lagerung dienenden, in angrenzenden Bauteilen der Maschine befestigten Bolzen durchgriffen ist -2-

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Bei der letztgenannten Variante ist gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 am Kern im Bereich der Anströmkante ein zweites hohlzylindrisches Teil angeschweißt, in den ein mit dem Leitschaufel-Verstellapparat in Verbindung stehender Lenker mit einem Zapfen einzugreifen vermag. Außerdem wird durch dieses Bauteil die hochbeanspruchte Anströmkante des Schaufelblattes in ihrer 5 Gestaltfestigkeit verbessert.

Mit den im Anspruch 5 wiedergegebenen Merkmalen ist ein Schaufelkem beschrieben, der sich zum einen durch hohe Gestaltfestigkeit, zum anderen durch eine innige Verbindung der Umhüllung mit dem Kern auszeichnet, da der Umhüllungswerkstoff die Bleche allseitig umfaßt

Ein erhöhter Widerstand gegen Ablösen der Umhüllung vom Kern wird durch die im Anspruch 6 10 beschriebene Maßnahme erzielt

Mit den in den Ansprüchen 7 bis 9 gekennzeichneten Merkmalen werden Lösungen für einen derartigen Formschluß zwischen dem Kon und der Umhüllung des Leitschaufelblattes angegeben.

Schließlich kann es auch vorteilhaft sein, wenn gemäß der Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 10 der Kern mit der Umhüllung durch Stoffschluß verbunden ist Diese Verbindung kann durch Aufbringen eines IS geeigneten Bindemittels auf den Kern vor dem Urformvorgang oder bei Verwendung von Kautschuk als Umhüllungswerkstoff durch dessen Vulkanisationsbindung erzielt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Leitschaufel mit einem Blatt welches aus einem Kem mit einer allseitigen Umhüllung besteht als erstes Ausführungsbeispiel, 20 Fig. 2 eine Draufsicht auf die Stirnseite des Schaufelblattes nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaufelblatt im Schnitt mit einem aus zylindrischen Teilen und angeschweißten Blechen bestehenden Kem als zweites Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Schaufel nach Fig. 3,

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Schaufel entlang der Linie (V-V) in Fig. 3, 25 Fig. 6 eine Seitenansicht einer teilweise aufgebrochen gezeichneten Schaufel mit einem geschichtete Bleche aufweisenden Kem als drittes Ausführungsbeispiel,

Fig. 7 einen Querschnitt dieser Schaufel entlang der Linie (VH-VH) in Fig. 6,

Fig. S eine Seitenansicht einer teilweise von der Umhüllung befreiten Schaufel als viertes Ausfuhrungs-beispiel, 30 Fig. 9 einen Schnitt durch einen Schaufelbereich entlang der Linie (ΙΧ·ΙΧ) in Fig. 8 mit einer Formschlußverbindung zwischen Kem und Umhüllung sowie

Fig. 10 einen Schnitt durch einen Schaufelbereich entlang der Linie (ΙΧ·ΙΧ) in Fig. 8 mit einer anderen Ausführungsform einer Formschlußverbindung zwischen Schaufelkem und Umhüllung.

Die in den Figuren 1 und 2 als erstes Ausführungsbeispiel dargestellte Leitschaufel (10) hat ein Blatt (11), 35 welches aus einem Kem (12) und einer Umhüllung (13) besteht Der Kem (12) ist als einstückiges Gußteil aus Gußeisen oder Stahlguß ausgebildet. Die Umhüllung (13) besteht dagegen aus einem nichtmetallischen Werkstoff, wie Polyurethan, Kautschuk oder einem anderen elastomeren Kunststoff.

Die Umhüllung (13) ist durch Urformen erzeugt, d. h. sie ist in einer die Fertiggestalt des Blattes (11) als Hohlraum aufweisenden, nicht dargestellten Form hergestellt. Als Verfahren zum Erzeugen der Umhüllung 40 (13) können das Gießen, Pressen, Spritzgießen und Spritzpressen angewandt werden. Dabei wird der Kem (12) in die Form eingelegt und allseitig mit dem erwähnten Werkstoff in einer genau bemessenen Schichtdicke umhüllt. Die Umhüllung (13) erstreckt sich somit von einer Anströmkante (14) des Blattes (11) entlang dessen beiden Breitseiten (15), (16) sowie beiden Stirnseiten (17), (18) zu einer Abströmkante (19). Lediglich im Bereich der Drehachse (20) dar Leitschaufel (10) ist die Umhüllung (13) in ihrer Stirnseite (17) von einem 45 Schaufelstiel (21) und an ihrer Stirnseite (18) von einem Schaufelzapfen (22) durchgriffen. Der gleichachsig zur Drehachse (20) verlaufende Schaufelstiel (21) und der Schaufelzapfen (22) dienen der Lagerung der Leitschaufel in nicht dargestellten, an die beiden Stirnseiten (17), (18) angrenzenden Gehäuseteilen der Wasserkraftmaschine.

Die Bindung der Umhüllung (13) an den Kem (12) kann stoffschlüssig durch die Verwendung von 50 Bindemitteln, wie Klebern od. dgl., oder bei Verwendung von Kautschuk durch Vulkanisationsbindung oder durch Formschlue erzielt werden, wie dies bei den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben ist.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach den Figuren 3 bis 5 weist das Schaufelblatt (30) einen aus mehreren Einzelteilen zusammengefügten Kem (31) auf. Der Kem (31) hat ein achsgleich zu seiner Drehachse (32) verlaufendes Rohr (33) als zentrales zylindrisches Teil, an das beiderseits in der Mittelebene (34) des 55 Schaufelblattes (30) verlaufende Bleche (35) und (36) angeschweißt sind. Im Bereich der Anströmkante (37) des Schaufelblattes (30) ist ein weiteres zylindrisches Bauteil (38) am sich gegen die Anströmkante erstreckenden Blech (35) angeschweißt. Dieses Bauteil (38) ist als parallel zur Drehachse (32) des Schaufelblattes (30) verlaufendes Rohr ausgebildet. Das Rohr (33) des Schaufelkems (31) dient zur Aufnahme eines nicht dargestellten Bolzens, der in den gleichfalls nicht gezeichneten, angrenzenden Gehäuseteilen der 60 Wasserkraftmaschine befestigt und als Drehachse für das Schaufelblatt (30) bestimmt ist. Das an der Anströmkante (37) des Schaufelblattes (30) befestigte Bauteil (38) des Kerns (31) dient dem Angriff des nicht dargestellten Leitschaufel-Stellappparates, dessen Lenker mit einem Zapfen in an sich bekannter Weise in das -3-

Claims

AT 397130 B Teil (38) eingreifen. Die Gestalt des Schaufelblattes (30) ist durch die dessen gesamte wasserberührte Oberfläche umfassende, durch Urformen erzeugte Umhüllung (39) aus einem der vorerwähnten nichtmetallischen Werkstoffe bestimmt Lediglich die stimseitigen Flächen sowie der Hohlraum der zylindrischen Teile (33) und (38) des Kerns (31) sind nicht von der Umhüllung (39) bedeckt Zum Verbinden der Umhüllung (39) mit dm Kern (31) sind bei diesem Ausführungsbeispiel Maßnahmen getroffen, welche einen Formschluß zwischen Kern und Umhüllung erzeugen. Hierzu ist das Blech (35) des Schaufelkems (31) mit einer Vielzahl von durchgehenden Bohrungen (40) versehen. Diese Bohrungen (40) sind vom Werkstoff der Umhüllung (39) durchgriffen, so daß hierdurch die zu beiden Seiten der Blattmittelebene (34) liegenden Umhüllungsabschnitte (41) und (42) miteinander verbunden sind. Diese Bohrungen (40) können gleichfalls im Blech (36) erzeugt sein. Anstelle von Bohrungen (40) können aber auch, wie dies beim Blech (36) in Figur 3 dargestellt ist, Durchbrüche (43), beispielsweise in Form von Schlitzen, vorgesehen sein, welche vom Werkstoff der Umhüllung (39) durchdrungen sind und den Formschluß zwischen dem Kern (31) und der Umhüllung erzeugen. Die in den Figuren 6 und 7 dargestellte weitere Ausführungsform einer Leitschaufel (60) weist ein Blatt (61) aus einem Kern (62) mit einer in der vorbeschriebenen Weise erzeugten Umhüllung (63) auf. Der Kem (62) hat ein gleichachsig zur Drehachse (64) der Schaufel (60) verlaufendes zylindrisches Teil (65). Auf dieses Teil (65) sind zwischen den Stirnseiten (66) und (67) des Blattes (61) formgleiche Bleche (68) in gegenseitigem Abstand aufgereiht. Diese Bleche (68) haben eine dem Schaufelprofil entsprechende geometrisch ähnliche Form, wie dies aus Figur 7 deutlich zu »-kennen ist. Zur axialen Fixierung der Bleche (68) ist je ein Distanzring (69) zwischen zwei Bleche auf das zylindrische Teil (65) aufgeschoben. Die Bleche (68) sowie die Distanzringe (69) sind mit dem zylindrischen Teil (65) verschweißt. Der Werkstoff der Umhüllung (33) umschließt die Bleche (68) allseitig, d. h. er nimmt auch die Räume zwischen den benachbarten Blechen ein. Das in den Figuren 8 bis 10 beschriebene Ausführungsbeispiel einer Leitschaufel (80) beinhaltet gleichfalls ein Schaufelblatt (81) aus einem Kem (82) mit einer durch Urformen erzeugten Umhüllung (83). Zur Erzielung eines Formschlusses zwischen dem Kem (82) und der Umhüllung (83) sind bei der in Figur 9. dargestellten Variante beiderseits am Kem angeformte hinterschnittene knopfförmige Ansätze (84) und leistenförmige Ansätze (85) vorgesehen, welche von der Umhüllung (83) umgriffen sind. Der Formschluß kann entweder nur durch die knopfartigen Ansätze (84) oder nur durch die leistenartigen Ansätze (85) »zeugt werden, welche entlang der gesamten Oberfläche des Kerns angeordnet sind. Der Formschluß kann ab» auch dadurch erreicht werden, daß der Kern (82) mit am Grund erweiterten Vertiefungen (86) oder Nuten (87) versehen ist, in welche die Umhüllung eingreift (Figur 10). PATENTANSPRÜCHE 1. Leitschaufel für Leitapparate von Wasserkraftmaschinen, mit einem drehbar gelagerten, in sich starren Blatt, welches in Schließstellung des Leitapparates an benachbarten Leitschaufelblättem abgestützt ist und mit einem metallischen Kem versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaufelblatt eine wenigstens annähernd die gesamte wasserberührte Oberfläche des Blattes (11,30,61,81) umfassende, durch Urformen erzeugte und den Kem (12,31,60,82) einschließende Umhüllung (13,39,63,83) aus einem nichtmetallischen, elastischen Werkstoff, wie Polyurethan, Kautschuk u. dgl. elastomerem Kunststoff, aufweist.
2. Leitschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kem (12) als einstückiges Gußteil ausgebildet ist.
3. Leitschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kem (31) des Blattes (30) ein konzentrisch zur Schaufeldrehachse (32) verlaufendes zylindrisches Teil (Rohr) (33) hat, an das sich gegen die Anströmkante (37) und gegen die Abströmkante des Blattes gerichtete, in der Blattmittelebene (34) verlaufende Bleche (35,36) angeschweißt sind.
4. Leitschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kem (31) im Bereich der Anströmkante (37) ein parallel zur Drehachse (32) verlaufendes hohlzylindrisches Bauteil (38) angeschweißt ist.
5. Leitschaufel nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kem (62) ein konzentrisch zur Drehachse (64) der Schaufel (60) verlaufendes zylindrisches Teil (65) hat, das zwischen den Stirnseiten (66, 67) des Blattes (61) in gegenseitigem Abstand aufgereihte und das Teil (65) angeschweißte Bleche (68) trägt, die eine dem Schaufelprofil wenigstens annähernd geometrisch ähnliche Form haben. -4- AT397130B
6. Leitschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (39) formschlüssig mit dem Kern (31) verbunden ist.
7. Leitschaufel nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (31) mit 5 die beiderseits des Blattes (30) verlaufenden Umhüllungsabschnitte (41,42) verbindenden Durchbrüchen, wie Bohrungen (40) oder Schlitzen (43), versehen ist.
8. Leitschaufel nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kon (82) mit hinterschnittenen knöpf- oder leistenförmigen Ansätzen (84,85) versehen ist, welche mit der Umhüllung (83) 10 formschlüssig verbunden sind.
9. Leitschaufel nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (82) mit am Grund hinterschnittenen Vertiefungen (86) oder Nuten (87) versehen ist, in welche die Umhüllung (83) farmschlüssig eingreift. 15 Hiezu 4 Blatt Zeichnung»! -5-