DE1944360A1 - Geschweisstes Francis-Turbinen-Laufrad - Google Patents

Description

Patentanwalt· DlpUng-R-Beetzu.

^l 81-1^.876P(14.877H) 1.9.1969

HITACHI, LTD., Tokio (Japan)

Geschweißtes Francis-Turbinen-Laufrad

Die Erfindung "betrifft ein geschweißtes Francis-Turbinen-Lauf rad«

Da für den Bau von Wasserkraftwerken immer größere Turbineneinheiten gefordert werden, müssen die Turbinenlaufräder für den Transport mit der Eisenbahn geteilt werden. Diese Teilung ist ein ernstes Problem.

Im allgemeinen besteht ein Francis-Turbinen-Laufrad aus einem Laufradboden, einer Anzahl Schaufeln und einem Laufradkranz, und alle diese Teile pflegen als ein einziges Stück gegossen zu sein.

Mit den immer größeren Laufrad-Abmessungen jedoch wird es äußerst schwierig, jedes Laufrad als ein einziges Werk-

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stück herzustellen. Die allgemeine Richtung geht dahin, den Laufradboden, die Schaufeln und das Laufradband durch Zusammenschweißen aus mehreren Teilstücken herzustellen und ferner das Laufrad zum Transport in Sektoren zu zerlegen, welche schließlich auf der Kraftwerks-Baustelle zusammengeschweißt werden₀

In diesem Falle werden boi der Unterteilung des Laufrades auch die Laufradschaufeln zerlegt und auf der Baustelle wieder zusammengeschweißte Dies ergibt infolge der Schweißglut unerwünschte Spannungen und somit geringere mechanische Festigkeit oder geringere Leistung - weit geringere als die Entwurfsieistungo Die Schaufeloberfläche muß von Hand geschliffen werden, und das erfordert lange Arbeitszeit» Zum Beispiel sind, um die Schaufeloberflächen eines Laufrades für etwa 160.000 KW zu glätten, etwa 8000 Arbeitsstunden nötig. Ferner sind große Laufräder sehr erschwert, Außerdem müssen das Gestell und sein Unterbau, die das Laufrad während dieser Arbeitsvorgänge tragen, groß und kräftig genug sein, das Gewicht des Laufrades auszuhalten, und dies kann sehr unwirtschaftlich werden.

Angesichts dessen ist es die Erfindungsaufgäbe, ein Francis-Turbinen-Laufrad zu liefern, welches zum Transport zerlegt und auf der Kraftwerks-Baustelle zusammengeschweißt werden kann, ohne daß unerwünschte Ferkstoffbeanspruchungen entstehen und ohne daß die Leistung des Laufrades jemals nachteilig beeinflußt wird, und welches mit geringen Kosten und ohne Mehrgewicht hergestellt werden kann.

Nach der Erfindung werden, wenn das Francis-Turbinen-Laufrad in Achsebenen geteilt wird, die im Bereich der Teilungsebenen liegenden Laufrad-Schaufeln nicht in die-

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sen Teilungsebenen geteilt, sondern nur vom Laufradboden und vom Laufradkranz getrennt, und das Francis-Turbinen-Laufrad wird aus einer Mehrzahl von Stahlblech-Teilen und Stahlformguß-Teilen durch Schweißen hergestellt.

Bin erfindungsgemäßes Francis-Turbinen-Laufrad ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar in

Fig. 1 einem Schnitt durch das Laufrad in einer Achsebene ;

Fig. 2 in Seitenansicht eines Quadranten des zerlegten Laufrades{

Fig. 3 in Draufsicht auf einen Teil dieses Quadranten;

Fig. k in End-Ansicht einer Laufschaufel, gesehen an der Linie IV-IV der Fig. 1 ;

Fig. 5 in perspektivischem Bild einer Laufschaufel, und zwar ihres dem Laufradboden nahen Endes;

Fig. 6 in perspektivischem Bild einer Laufradschaufel, und zwar ihres dem Laufradkranz nahen Endes.

In Fig.,1, die das Laufrad im Schnitt in einer Achsebene zeigt, ist mit dem Bezugszeichen 5 der Laufradboden bezeichnet. Dieser besteht aus einer Laufradnabe 6 aus Stahlformguß, einem Ring 7 aus Stahlblech, der aus mehreren Sektoren zusammengeschweißt ist, und aus einem außen um den Ring 7 angeordneten Ring 8, der ebenfalls aus mehreren Sektoren zusammengeschweißt ist. An den Laufradboden 5 sind an.seiner Unterseite die Laufschaufeln 9 angeschweißt; deren Bauart ist in den Einzelheiten in Fig. 1

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bis 6 gezeigt ο Jede Laufschaufel besteht aus Teilen 10, 12, 15 und 17, die aus Stahlblech hergestellt und in ihre Formen gepreßt ,sind, und aus einem Teil 11, der aus Stahlformguß hergestellt ist; die Schaufel ist auf einer Fläche des Teiles 17 mit einem Blech aus nichtrostendem Stahl belegt, das durch explosive Formung geformt und angeschweißt ist.

Wie Fig· 5 am deutlichsten zeigt, bilden die in passende Krümmung formgepreßten und danach zusammengeschweißten Teile 10 und 15 einen Hohlraum A, der sich abwärts verengt, wie in Fig. 5 durch gestrichelte Linien dargestellt; der an diese Teile 10 und 15 angeschweißte, aus Stahlformguß hergestellte Teil 11 ist massiv. Der Grund für diese Bauart der Schaufel besteht erstens darin, daß die Beschaffung eines Gesenkes, um die Schaufel in einem einzigen Arbeitsgang aus einem einzigen Stück herzustellen, sehr teuer wird, da die Schaufel bei großer Leistung der Turbinen zu groß wird; ein weiterer Grund besteht darin, daß, weil das Biegemoment in der Laufschaufel am Laufradboden am größten und am Laufradkranz gering ist, die Laufschaufel um des nötigen Widerstandsmomentes willen am Laufradboden 5 beträchtlich dicker sein muß, als sie am Laufradkranz Ik zu sein braucht, und hohler Schaufelquerschnitt bei großer Schaufeldicke durch Werkstoffersparnis lohnend ist, während er bei geringer Dicke nicht lohnte

An die im Strömungssinn hinteren Kanten der aus Blechgepreßten Teile 10 und 15 und des aus Stahlformguß hergestellten Teiles 11 sind die aus Blech gefertigten Teile 12 und 17 angeschweißt; sie bilden die Austrittskante der Laufschaufel 9. Wie oben erwähnt, ist das aus rostbeständigem Stahl bestehende Blech 13 auf den Bauteil 17 durch

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Explosions-Schweißung aufgebracht und zur Austrittsseite des Laufrades hin gerichtet. Die Laufschaufel 9 ist so geformt, daß der Anströmwinkel über die Schaufelhöhe zum Laufradkranz 14 hin zunimmt· So bedeckt das rostbeständige Stahlblech 13 denjenigen Teil der Sohaufelflache, auf dem der Anströmwinkel groß ist und der zur Austrittsseite des Laufrades gerichtet ist; es soll der an diesen Teil des Laufrades drohenden Kaviation begegnen,,

Denn im Laufrad der Francis-Turbinen tritt unvermeidlich etwas Kavitation auf. Allgemein entsteht die Drehung des Laufrades bei Francis-Turbinen durch den Stoß des einströmenden Wassers auf die Laufschaufeln und durch den Druckunterschied zwischen dem Strom oberhalb und dem Strom unterhalb herrschenden Wasserdruck; dieser entsteht haupt- · sächlich an dem dem Laufradkranz Λh nahen Teil der Schaufelhöhe ο Der an der stromunteren Seite herrschende niedere Wasserdruck ist infolge der Drehung des Laufrades unvermeidliche So pflegt die Kavitation häufig an diesem stromunteren Teil aufzutreten. Eine weitere Ursache der Kavitation besteht darin, daß die Umfangsgeschwindigkeit des Laufradkranzes lh größer als diejenige des Laufradbodens 5 ist.

Die Kavitation neigt an d©r stromunteren Sohaufeleeite nahe dem Laufradkranz 14, und zwar besonders an der Austrittskante der Schaufel aufzutreten^ da die stromuntere Seite der Schaufel 9 nahe dem Laufradkranz ~\k eine passende Krümmung hatο Daher ist die Druckabnahme des Wasserstromes am Krümmungsscheitel nicht so groß; dagegen ist stromunterhalb des Scheitels der Wasserdruck geringer, weil der Strömungsquerschnitt hinter dem Scheitel breiter ist und somit niedrigeren Druck ergibt. Dies ist der Grund,

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weshalb auf der Saugseite der Schaufel an der Austrittskante das aus rostfreiem Stahl bestehende Blech 13 angebracht ist.

Bei der beschriebenen Ausführungsform erstreckt sich dieses aus rostfreiem Stahl gefertigte Blech 13» wie gezeichnet, über fast die halbe Schaufelhöhe (d, h_e fast die halbe Entfernung zwischen dem Laufradboden 5 und dem Laufradkranz 14), In praxi jedoch ist die Stelle, an welcher die Kavitation auftritt, auf einen kleineren Bereich nahe dem Laufradkranz i4 beschränkt; aber der Grund, weshalb die mit dem rostfreien Stahlblech 13 bekleidete Fläche über jenen beschränkten Bereich hinaus, in dem die Kavitation häufiger aufzutreten pflegt, ausgedehnt ist, besteht in der besonderen Bauart der Schaufel, der zufolge diese aus mehreren Teilstücken, wie oben beschrieben, zusammengeschweißt und das rostfreie Stahlblech 13 auf der Schaufel durch Explosiv-Schweißung befestigt ist» Natürlich kann auch dann, wenn die Schaufel aus nur einem einzigen Stahlblech geformt ist, das aus rostfreiem Stahl bestehende Deckblech auf dem meist kavitationsgefährdeten Teil der Schaufelfläche angeordnet werden.

Erfindungsgemäß nimmt die Breite jedes der die Austrittskante bildenden Stahlbleche 12 und 17 vom Laufradboden 5 zum Laufradkranz 14 hin zu. Da, wie oben beschrieben, die. Schaufeldicke vom Laufradboden zum Laufradkranz hin abnimmt, entsteht, wenn die Bleche 10 und 15 mit dem Blech 12 und dem Stahlformguß-Teil 11 verschweißt werden sollen und die Bleche 12 und 17 einander gleich dick sind, ein Dioken-Uhterschied in der Schwerinßnaht, wodurch unerwünschterweise die Beanspruchung durch das Schweißen anj jener Stelle zunimmt. Deshalb nimmt, damit die Dicke in

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der Schweißnaht wesentlich gleichmäßig und jede Beanspruchung durch das Schweißen vermieden wird, die Breite jedes der Bleche 12 und 17 vom Laufradboden 5 zum Laufradkranz 14 hin zu·

Deshalb können erfindungsgemäß, obwohl die Oberfläche des aus Stahlformguß hergestellten Bauteiles 11 von Hand bearbeitet werden muß, die aus Blech gefertigten Bauteile 10, 12, 15 und 17 und das aus rostfreiem Stahl bestehende Blech 13 durch Pressen geformt werden, so daß sie kaum mehr von Hand geglättet zu werden brauchen und somit die Arbeitszeit für die Herstellung der Schaufel merklich verringert werden kann« Die Herstellungszeit könnte sehr stark verringert werden, wenn die Schaufel als Ganzes in einer Hochleistungspresse hergestellt würde; aber dadurch, daß der Hohlraum A vorgesehen wird, läßt sich das Gewicht der Schaufel vorteilhafterweise vermindern. Wenn die den Hohlraum A der Schaufel 9 bildenden Bleche 10 und 15 hinsichtlich ihrer mechanischen Festigkeit nicht kräftig genug sind, kann man sie miteinander steif verbinden durch stählerne Bolzen, die durch miteinander fluchtende Löcher der beiden Bleche gesteckt und mit den Blechen verschweißt werden. Ferner könnte man natürlich die Bleche 10 und 15 bis an die Austrittskante der Schaufel erstrecken, also die Bleche 12 und 17t welche im beschriebenen Ausführungsbeispiel die Austrittskante bilden, weglassen; aber erfindungsgemäß sind diese Bleche 12 und 17 eigens vorgesehen, weil die Austrittskante lang ausgezogen ist und daher die Schweißung dort schwierig sein würde.

Soviel über die Bauform des erflndungsgemäßen Laufrades. Nun zu der für den Transport nötigen Unterteilung des Laufrades:

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Die Fig. 2 und 3 zeigen die Sektor-Bauform des erfindungsgemäßen Laufrades.' Der Laufradboden 5 und der Laufradkranz 14 sind entlang den geraden Linien - also in Achsebenen - unterteilt; und die im Bereich der Sektoren-Teilungsebene befindliche Schaufel 9 ist vom Laufradboden 5 und vom Laufradkranz 14 in ebenen Flächen abgeschnitten und in diesen Ebenen mit dem Boden 5 und dem Kranz 14 zu verschweißen. Da die Schaufel 9 selbst zum Transport nicht zerlegt wird, brauchen die Bestandteile der Schaufeln überhaupt nicht erst auf der Baustelle zur Schaufel zusammengeschweißt zu werden, und daher kann keine unerwünschte Werkstoffspannung in der Schaufel 9 entstehen.

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Claims (8)

1. Patentansprüche

   1 J Geschweißtes Francis-Turbinen-Laufrad, dadurch gekennzeichnet, daß es aus mehreren Laufradboden-Sektoren, die in Achsebenen voneinander geteilt sind, ferner aus mehreren Laufradkranz-Sektoren, deren Teilungsebenen mit den Teilungsebenen des Laufradbodens fluchten, sowie aus mehreren Schaufeln, deren jede zwischen die Sektoren des Laufradbodens und des Laufradkranzes in ihrer Sollstellung eingeschweißt sind, besteht, und daß die mehreren Laufradboden-Sektoren, Laufradkranz-Sektoren und Schaufeln zu einem einstückigen Laufrad zusammengeschweißt werden.
2. 2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaufel (9) aus mehreren durch Pressen vorgeformten, miteinander verschweißtejti Stahlblechen (1O - 12, 15, 17) bestellte
3. 3· Schaufel für Francis-Turbinen-Laufrad, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der Bleche (1O und 15) so gewölbt und so miteinander verschweißt sind, daß sie zwischen sich einen Hohlraum (a) einschließen, dessen lichte Veite vom Laufradboden (5) in Richtung zum Laufradkranz (1*O abnimmt, ferner daß ein aus Stahlformguß bestehender Teil (11) an die beiden gewölbten und miteinander verschweißten Bleche (1O, 15) so angeschweißt ist, daß er den dem Laufradkranz (i4) nahen Teil der Schaufel bildet, ferner daß eines der Bleche (12) an die im Strömungssinn hintere Kante der beiden gewölbten und miteinander verschweißten

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   Bleche (1O, 15) so angeschweißt ist, daß es in deren Sohaufelhöhen-Bereioh die Schaufelaustrittskante bildet, ferner daß eines der Bleche (i7) an dieses einen Teil der Schaufelaustrittskante bildende Blech (12) und an den aus Stahlformguß bestehenden Teil (11) so angeschweißt ist, daß es im Schaufelhöhenbereich dieses Teiles (11) die Schaufelaustrittskante bildet) ferner daß alle diese Schaufelteile (11, 10, 12, 15, 17) zu einer einstückigen Schaufel zusammengeschweißt sind, welche vom Laufradboden (5) zum Laufradkranz (lh) hin an Dicke abnimmt, und daß auf das letztgenannte, den zweiten Teil der Sohaufelaustrittskante bildende Blech (17) auf seiner Unterdruckseite ein Blech (13) aus rostfreiem Stahl aufgeschweißt ist.
4. 4. Schaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der die Sohaufelaustrittskante bildenden Bleche (12, 17) vom Laufradboden (5) zum Laufradkranz hin allmählich abnimmt.
5. 5. Schaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden gewölbten, miteinander einen Hohlraum (a) einschließenden Bleche (1O, 15) miteinander durch Stahlbolzen verbunden sind, die in miteinander fluchtende, durch die Bleche (1O, 15) gebohrte Löcher eingesteckt und darin verschweißt sind«
6. 6. Geschweißtes Francis-Turbinen-Laufrad, dadurch gekennzeichnet* daß es durch Zusammenschweißen eines Lauf- ' radbodens (5), der aus einer aus Stahlformguß hergestellten Laufradnabe (6), aus Sektoren eines inneren Ringes

   (7) und aus Sektoren eines äußeren Ringes (8) zusammen-

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   geschweißt ist, ferner einer Anzahl Laufradschaufeln (9), deren jede aus mehreren, durch Pressen aus Stahlblech vorgeformten Teilen (1O, 12, 15| 17) und einem aus Stahlformguß hergestellten Teil (ii) zusammengeschweißt ist, sowie eines Laufradkranzes (1*O, der aus Sektoren zusammengeschweißt ist, hergestellt ist·
7. 7· Laufrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaufel auf der stromunteren Seite an der Austrittskante am Laufradkranz (i4) mit einem aufgeschweißten Blech (13) aus rostbeständigem Stahl belegt ist_o
8. 8. Laufrad nach Anspruch 6', dadurch gekennzeichnet, daß der Laufradboden (5) und der Laufradkranz (i4) in Achsebenen unterteilt sind und jede im Bereich solcher Teilungsebene befindliche Schaufel (9) vom Laufradboden (5) und vom Laufradkranz {lh) in ebenen Trennschnitten zwecks Transportes abgetrennt ist und nach dem Transport an den Laufradboden (5) und den Laufradkranz (i4) angeschweißt wird.

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