CH684605A5

CH684605A5 - Pelton wheel.

Info

Publication number: CH684605A5
Application number: CH4137/89A
Authority: CH
Inventors: Benno Dipl-Ing Buchelt
Original assignee: Efg Turbinen Und Kraftwerksanl
Priority date: 1988-11-21
Filing date: 1989-11-17
Publication date: 1994-10-31
Also published as: DE3938357A1; AT394093B; DE3938357C2; ATA283788A

Description

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Beschreibung description

Die Erfindung bezieht sich auf den mechanischen Aufbau eines Peltonrads nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to the mechanical structure of a Pelton wheel according to the preamble of claim 1.

Ein derartiges Peltonrad ist beispielsweise aus der Anmeldung AT-PS 380 078 des gleichen Anmelders und Erfinders der hier beschriebenen Erfindung bekannt, die sich wiederum von den Referenzen DE-PS Nr. 555 900 und AT-PS Nr. 244 882 deutlich unterscheidet, wie in der AT-PS 380 078 im Detail auseinandergesetzt wird. Such a Pelton wheel is known, for example, from application AT-PS 380 078 by the same applicant and inventor of the invention described here, which in turn differs significantly from references DE-PS No. 555 900 and AT-PS No. 244 882, as in the AT-PS 380 078 is explored in detail.

Bei der hier vorliegenden Erfindung handelt es sich um wesentliche Änderungen gegenüber der AT-PS 380 078, die miteinander funktionell zusammenhängen und gegenüber den in AT-PS 380 078 beschriebenen Strukturen bei gleicher Fertigungspräzision der Einzelteile eine wesentlich höhere Kraft- und Leistungsübertragung bei gleichen hydraulisch relevanten Abmessungen gestatten. In the present invention, there are significant changes compared to the AT-PS 380 078, which are functionally related to each other and compared to the structures described in AT-PS 380 078 with the same manufacturing precision of the individual parts, a significantly higher power and power transmission with the same hydraulically relevant Allow dimensions.

Der wesentliche Unterschied zu AT-PS 380 078 besteht in der funktionellen Trennung der Vorspannung des segmentartigen Verbandes der Schaufel-füsse durch Kegelhülsen, die nur mehr diese Aufgabe allein ausüben und nicht, wie in AT-PS 380 078, durch Abflachungen des zylindrischen Teiles der Kegelhülsen in präzise auszuführenden Langlöchern der Seitenscheiben das Drehmoment übertragen, was nunmehr vollständig entfällt und durch konzentrisches Spiel 27 bei der hier vorliegenden Erfindung auch bewusst verhindert wird (Fig. 2, 5) in Verbindung mit erfindungsgemässen Drehmomentübertragungsbolzen 19 (Fig. 2 bis 6), die jeweils annähernd in der Mitte zwischen den Kegelhülsen 8, 26 mit den Spannbolzen 9, 25 plaziert sind, in Umfangsrichtung gesehen, und gegen welche die segmentartigen Becherfüsse 2 von den Kegelhülsen 8, 26 in Umfangsrichtung so zusammengedrängt werden, dass ein Spalt 32 definierter Breite zwischen jenen Radialflächen der Schaufelfusssegmente entsteht, zwischen welchen sich die Kegelhülsen befinden. Ein weiterer wesentlicher Unterschied zu AT-PS 380 078 besteht in der Anordnung der Kegelhülsenpaare in der Ebene des Spaltes 32, mit unterschiedlichen Durchmessern der Kegelhülsen (Anspruch 1) um ein Kippen der Becher um die Achse der Kegelhülse, zusätzlich zu der bereits durch die Formschlüssigkeit der Zylinderschultern 14a und der Radialflanken 33 vorgegebenen Kippsicherheit, zu verhindern. The main difference to AT-PS 380 078 is the functional separation of the prestressing of the segment-like association of the blade feet by tapered sleeves, which only perform this task alone and not, as in AT-PS 380 078, by flattening the cylindrical part of the Tapered sleeves in precisely designed elongated holes in the side windows transmit the torque, which is now completely eliminated and is also deliberately prevented by concentric play 27 in the present invention (FIGS. 2, 5) in connection with the torque transmission bolts 19 according to the invention (FIGS. 2 to 6), which are each placed approximately in the middle between the tapered sleeves 8, 26 with the clamping bolts 9, 25, seen in the circumferential direction, and against which the segment-like cup feet 2 are pressed together by the tapered sleeves 8, 26 in the circumferential direction so that a gap 32 of defined width arises between those radial surfaces of the blade root segments, between which are the taper sleeves. Another essential difference to AT-PS 380 078 is the arrangement of the pairs of tapered sleeves in the plane of the gap 32, with different diameters of the tapered sleeves (claim 1) to tilt the cups around the axis of the tapered sleeve, in addition to that due to the positive fit to prevent the cylinder shoulders 14a and the radial flanks 33 from tilting.

Bei Anordnung der Peltonbecher extrem nahe an der Turbinendrehachse, für den Fall erwünschter hoher spezifischer Drehzahlen, ist in radialer Richtung kaum mehr Platz für ein zweites Kegelhülsenpaar, wie dies Fig. 2 zeigt. Dann ist nicht einmal mehr Platz für eine durchgehende Welle. In diesem Fall tritt die in den Fig. 4 bis 6 dargestellte Konstruktionsmethode mit einem Kegelhülsenpaar in Kraft. Bei höheren Kräften wird ein Zusatzbolzen 20 (Fig. 5, 6) gegen Kippen angeordnet, der bei geringen Kräften auch weggelassen werden kann. Die durchgehende Welle 21 kann durch eine Hohlwelle 30 mit vorgespanntem Zuganker 5, ersichtlich in den Fig. 4 bis 6, ersetzt werden. If the Pelton cups are arranged extremely close to the turbine axis of rotation, in the case of desired high specific speeds, there is hardly any space in the radial direction for a second pair of tapered sleeves, as shown in FIG. 2. Then there is not even room for a continuous wave. In this case, the construction method shown in FIGS. 4 to 6 comes into effect with a pair of tapered sleeves. At higher forces, an additional bolt 20 (FIGS. 5, 6) is arranged against tilting, which can also be omitted at low forces. The continuous shaft 21 can be replaced by a hollow shaft 30 with a prestressed tie rod 5, which can be seen in FIGS. 4 to 6.

Die generellen Vorteile des erfindungsgemässen The general advantages of the inventive

Peltonrads gegenüber bekannten Bauweisen nach dem Stand der Technik, das sind die in einem Stück gegossenen Peltonräder und die ältere Bauweise mit reiterartig auf einer Scheibe aufgesetzten Schaufeln, befestigt mit zahlreichen Schrauben und Spannkeilen sind: Pelton wheels compared to known construction methods according to the state of the art, that is the Pelton wheels cast in one piece and the older construction with rider-like blades on a disc, fastened with numerous screws and clamping wedges:

Problemloser und genauer Guss durch Einzelschaufeln. Feinguss und Gesenkschmieden möglich. Problem-free and precise casting with individual blades. Investment casting and drop forging possible.

Sehr hohe Fliehkraftsicherheit erzielt durch die erfindungsgemässe formschlüssige Struktur des Peltonrads, unabhängig von den wenigen Bolzen im Gegensatz zur älteren noch immer angewandten Reiterbauweise und auch gegenüber den einstückig gegossenen Rädern, durch Fortfall der Gussrisseprobleme, erzielt durch Verwendung geschmiedeter Radscheiben 7 und durch rechnerisch und monta-gemässig leicht kontrollierbaren Zustand der Vorspannungen. Very high centrifugal force safety is achieved through the form-fitting structure of the Pelton wheel according to the invention, regardless of the few bolts in contrast to the older rider design still used and also compared to the cast wheels in one piece, by eliminating the casting crack problems, achieved by using forged wheel disks 7 and by mathematical and assembly moderately easily controllable condition of the preloads

Präzision der Peltonbecher durch mögliche CNG-Bearbeitung gegenüber einstückig gegossenen Rädern. Precision of the Pelton cup due to possible CNG processing compared to cast wheels in one piece.

Praktisch keine Unwucht durch nahezu vollständige Rotationssymmetrie gegenüber einstückig gegossenen Rädern. Practically no unbalance due to almost complete rotational symmetry compared to cast wheels in one piece.

Müheloser und rascher Austausch von Bechern. Geringe Reparaturkosten. Effortless and quick cup replacement. Low repair costs.

Gegenüber der Reiterbauweise entfallen die unkontrollierbar hohen Vorspannungen hervorgerufen durch die Kegelspannstifte und Keile mit Kegelneigung 1:50 im Gegensatz zu rund 60° Kegelwinkel bei der erfindungsgemässen Peltonradstruktur. Compared to the rider design, the uncontrollably high preloads caused by the taper spring pins and wedges with a taper inclination of 1:50 are eliminated, in contrast to the approximately 60 ° taper angle in the Pelton wheel structure according to the invention.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert: Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings:

Fig. 1 zeigt den typischen Schaufelfuss 2 eines Peltonbechers 1 in erfindungsgemässer Ausführung. 1 shows the typical blade root 2 of a Pelton cup 1 in the embodiment according to the invention.

Fig. 2 zeigt eine typische Anordnung mit durchgehender Welle und zwei Kegelhülsenpaaren in einer radialen Ebene. Fig. 2 shows a typical arrangement with a continuous shaft and two pairs of tapered sleeves in a radial plane.

Fig. 3 stellt einen typischen Schnitt zu einer Anordnung nach Fig. 2 dar. FIG. 3 shows a typical section of an arrangement according to FIG. 2.

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. 4 is a typical low pressure application for high specific speeds, recognizable by large cups close to the center line and by two wheels on a shaft train.

Fig. 5 ist die Vergrösserung eines Rades von Fig. 3 und könnte in der Form auch für ein Rad pro Wellenstrang realisiert werden. 5 is the enlargement of a wheel from FIG. 3 and could also be implemented in the form for one wheel per shaft train.

Fig. 6 ist ein typischer Querschnitt zu Fig. 4, 5. 6 is a typical cross section of FIGS. 4, 5.

Im Detail: In detail:

Fig. 1 Zusätzlich zur obigen Anmerkung sei bemerkt, dass dies eine annähernd massstabgetreue Perspektive der in Fig. 6 dargestellten Schaufel für hohe spezifische Drehzahlen ist. Fig. 1 In addition to the note above, it should be noted that this is an approximately true-to-scale perspective of the blade shown in Fig. 6 for high specific speeds.

Fig. 2 Dies ist eine typische erfindungsgemässe Konstruktion für Verhältnisse «Strahlkreisdurchmesser zu Strahldicke» von etwa über 6. Segmentartige Füsse 2 der Becher 1 werden an ihren zylindrischen Schultern 14a durch zylindrische Schultern 14b der Scheiben 7 zentriert, die ihrerseits auf der Welle 21 zentriert sind. Die Drehmomentübertragung auf die Welle kann entweder direkt in den Fig. 2 This is a typical construction according to the invention for "beam circle diameter to beam thickness" ratios of approximately over 6. Segment-like feet 2 of the cups 1 are centered on their cylindrical shoulders 14a by cylindrical shoulders 14b of the discs 7, which in turn are centered on the shaft 21 . The torque transmission to the shaft can either be directly in the

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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 Hohlräume sind ganz aussen Deckscheiben 23 angeordnet. Disks 7 are made by known means, or, as drawn, only further out in other disks 7A by, for example, ring spring tensioning elements 31 to keep the wheel disks 7 free from the pretensioning of the transmission elements 31. Cover disks 23 are arranged on the very outside for rust protection and for encapsulating grease-filled cavities .

Die Kegelhülsen 8, 26 werden mittels Spannbolzen 9, 25 durch Muttern 11, 11A vorgespannt. Die berechnete Vorspannung kann anhand der Höhe eines entsprechend bemessenen Paketes von zusammengedrückten Tellerfedern 12 und 12A optisch erkannt werden. The tapered sleeves 8, 26 are prestressed by means of clamping bolts 9, 25 by nuts 11, 11A. The calculated preload can be optically recognized on the basis of the height of a correspondingly dimensioned package of compressed disc springs 12 and 12A.

Erfindungsgemäss wesentlich ist, dass konzentrisch um den zylindrischen Teil aller Kegelhülsen herum ein Spalt 27 besteht. Dadurch ist sichergestellt, dass diese kein Drehmoment übertragen. Dies besorgen vielmehr Drehmomentübertragungsbolzen 19, die sich soweit axial nach aussen erstrecken, dass sie die Scheiben erreichen, welche das Drehmoment weiter auf die Welle 21 übertragen. Die Flächenpressung in den Kegelsitzen 13 und an den Schultern 14a, 14b wird sorgfältig abgestimmt und bewegt sich in massigen Bereichen. Axial werden die Schaufeln an den Flächen 29 fixiert. Spalte 28 seitlich der Füsse 2 werden be-wusst im Millimeterbereich vorgesehen, damit die feinen Deformationsbewegungen beim Vorspannen nicht unnötig durch Reibung behindert werden, neben den unvermeidlichen Reibungsanteilen. It is essential according to the invention that there is a gap 27 concentrically around the cylindrical part of all conical sleeves. This ensures that they do not transmit any torque. Rather, this is provided by torque transmission bolts 19, which extend axially outward to such an extent that they reach the disks, which further transmit the torque to the shaft 21. The surface pressure in the cone seats 13 and on the shoulders 14a, 14b is carefully coordinated and moves in massive areas. The blades are axially fixed to the surfaces 29. Gaps 28 to the side of the feet 2 are deliberately provided in the millimeter range, so that the fine deformation movements during pretensioning are not unnecessarily hampered by friction, in addition to the inevitable friction components.

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 und die Spannbolzen 9, 25. Die Kegelhülsen sind weggelassen, dafür sieht man die Kegelbohrungen in jeweils benachbarten Schaufelfüssen 8A, 26A, die bevorzugt zwei- bis viermal 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 14a der Becherfüsse 2 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 Hundertstelmillimetern und darunter realisiert werden, um mehr Anpassung an die Bolzen 19 zu erzielen. FIG. 3 shows a typical cross section perpendicular to the axis of rotation of an arrangement according to FIG. 2. The blade sections are understood along a bottom apex line, defined as the deepest point in the cup relative to the cup edge. The shaft, the torque transmission bolts 19 and the clamping bolts 9, 25 can be seen in section. The tapered sleeves are omitted, but the tapered bores can be seen in adjacent blade roots 8A, 26A, which preferably occur two to four times on the circumference. As far as possible in the middle between the gaps 32 are the torque bolts 19. By tightening the clamping bolts, the desired gap 32 is created in the range from tenths of a millimeter to millimeters, a positive bias on the shoulder surfaces 14a of the cup feet 2 and on the radial surfaces 33, which a desired elastic Behavior of the entire cycling association results. A gap in the range of hundredths of a millimeter and below could also be realized in the plane 33 of the torque transmission bolt in order to achieve more adaptation to the bolts 19.

Fig. 4 stellt eine vorteilhafte Anwendung von erfindungsgemässen Peltonrädern für eine Nieder-druckpeltonturbine hoher spezifischer Drehzahl dar, erkennbar an zwei Laufrädern und grossen Bechern im Verhältnis zur Entfernung von der Drehachse. In einem Gehäuse 16 mit zwei Lagern 6 sind die Endwellenstummel 3 einer Hohlwelle 30 gelagert, wobei diese Teile, und die des Radverbandes, axial durch einen mittels der Muttern 17 hydraulisch vorgespannten Zuganker 5 zusammengehalten werden. Weitere Erläuterungen erfolgen zum vergrösserten Ausschnitt aus dieser Zeichnung, Fig. 5. FIG. 4 shows an advantageous application of Pelton wheels according to the invention for a low-pressure Pelton turbine with a high specific speed, recognizable by two impellers and large cups in relation to the distance from the axis of rotation. The end shaft stubs 3 of a hollow shaft 30 are mounted in a housing 16 with two bearings 6, these parts, and those of the wheel assembly, being held together axially by a tie rod 5 hydraulically preloaded by means of the nuts 17. Further explanations are given for the enlarged section from this drawing, 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 gefügte Teile durch den vorgespannten Zuganker 5 zusammengehalten werden. Die Füsse 2 der Becher 1 erlauben nur Platz für je ein Kegelhülsenpaar 8, zusammengehalten durch Zugspannbolzen 9, vorspannbar mittels Muttern 11 deren Vorspannung optisch durch die Höhe der zusammengedrückten Tellerfederpakete 12 kontrollierbar ist. In den Kegelsitzen 13, in den zylindrischen Schultern 14 und in den in Fig. 6 sichtbaren, nicht durch einen Spalt getrennten Radial-Flächen 33, entsteht dadurch eine vorberechnete Vorspannung. Spalte 27 um den zylindrischen Teil der Kegelhülsen verhindern, dass diese etwa ein Moment übertragen. Diese Aufgabe besorgen ausschliesslich die Drehmomentübertragungsbolzen 19. Spalte 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 eingeleitet. Die Bolzen 20 ersetzen das sonst angeordnete zweite Kegelhülsenpaar als Sicherung gegen Kippen der Schaufeln um die Achsen der Kegelhülsen. Bei geringen Schaufelkräften können die Bolzen 29 auch weggelassen werden. FIG. 5 shows an enlarged section of FIG. 4. In the case of cups moved so close to the center line, a hollow shaft 30 takes the place of a continuous solid shaft, the axially joined parts of which are held together by the prestressed tie rod 5. The feet 2 of the cups 1 only allow space for one pair of tapered sleeves 8, held together by tension bolts 9, can be preloaded by means of nuts 11, the preload of which can be checked optically by the height of the compressed disc spring assemblies 12. In the conical seats 13, in the cylindrical shoulders 14 and in the radial surfaces 33 which are visible in FIG. 6 and are not separated by a gap, this results in a pre-calculated prestress. Gaps 27 around the cylindrical part of the tapered sleeves prevent them from being transmitted for a moment. This task is performed exclusively by the torque transmission bolts 19. Gaps 28 on the side of the feet 2 eliminate unnecessary friction during pretensioning, in addition to the inevitable friction and also prevent an axial double fit with respect to the axial stop surfaces 29. The torque is introduced into the hollow shaft 30 via disks 10. The bolts 20 replace the otherwise arranged second pair of tapered sleeves as a safeguard against tilting of the blades around the axes of the tapered sleeves. If the blade forces are low, the bolts 29 can also be omitted.

Fig. 6 zeigt einen typischen Schnitt durch den Radverband der Fig. 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 zwischen benachbarten Schaufeln, in welchen die Kegelhülsen wirken, die Spalte 32 entstehen und die Schaufeln auch nach radial aussen gegen die Schultern 14b (Fig. 5) gedrängt werden. In den nicht durch einen Spalt getrennten Radial-Flächen 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 AT 2826/88 definierten Form. 6 shows a typical section through the wheel assembly of FIGS. 4 and 5. One can see 3 pairs of tapered sleeves 8 with clamping bolts 9 distributed around the circumference, in between as many torque transmission bolts 19 to which the blades are urged in groups by tensioning the bolts 9 from both sides, whereby in the radial planes between adjacent blades, in which the tapered sleeves act, the gaps 32 arise and the blades are also pushed radially outwards against the shoulders 14b (FIG. 5). In the radial surfaces 33, which are not separated by a gap, a desired prestress is also created. You can also see the tie rod 5 in section, which could also be realized by a tube. The blade shown in FIGS. 6 and 1 corresponds to the shape defined in application AT 2826/88.

Claims

1. Pelton wheel consisting of individual cups which are joined together to form a wheel star by means of cup feet (2), this wheel star being formed by at least two wheel disks (7) lying symmetrically to the center plane perpendicular to the axis of rotation, via cylindrical shoulders (14a) of the cup feet (2 ) is centered, characterized in that, seen in the circumferential direction at one or more points, between a radial surface (33) of the cup base (2) directed in the circumferential direction, a pair of conical sleeves (8; 26) or two radially spaced pairs of conical sleeves (8 , 26) of different diameters are arranged in conical seats (13; 13A) of the cup feet (2) and by means of play (27) of a cylinder

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Drical part of the tapered sleeves are received in these through-holes relative to the wheel disks (7), the tapered sleeve pairs (8, 26) being pressed into the tapered seats (13; 13A) by tensioning bolts (9; 25), furthermore between the opposing radial -Faces (33) of the cup feet (2) with the one or two pairs of tapered sleeves (8; 26) between them, a gap (32) is formed, the width of which is determined by the preload that can be set on a screw thread of the clamping bolts (9, 25) and that the cup legs (2) are pressed in groups in the circumferential direction against cylindrical torque transmission bolts (19) by the pre-tensioned conical sleeve pairs, which, viewed in the circumferential direction, lie between adjacent conical sleeve pairs (8, 26), in each case between the opposing radial surfaces (33) the cup feet are arranged and in the axial direction both the wheel disks (7) and others, the outside of the g penetrate the wheel disks (7A, 10) lying down (Fig. 2, 3, 5).

2. Pelton wheel according to claim 1, with a pair of tapered sleeves (8), characterized in that between radial surfaces (33) of the cup feet (2) directed radially further outwards, a cylindrical bolt (20) with a play-free fit between the mutually directed radial Surfaces (33) is arranged (Fig. 5, 6).

3. Pelton wheel arrangement with one or two pel-tonwheels according to one of claims 1 or 2, characterized in that the cups are arranged in the form of one or two wheel stars, the mutually directed wheel discs (7, 7A, 10) from a hollow shaft ( 30) are at least partially overlapped, and that a central tie rod (5) axially prestresses the hollow shaft (30) and the wheel disks (7, 7A, 10) (FIGS. 2, 4, 5 and 6).

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