DE19619316C2

DE19619316C2 - Laufrad für eine Freistrahlturbine

Info

Publication number: DE19619316C2
Application number: DE19619316A
Authority: DE
Inventors: Fritz Raithel
Original assignee: Voith Siemens Hydro Power Generation GmbH and Co KG; Voith Hydro Holding GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Hydro Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1996-05-14
Filing date: 1996-05-14
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2016-05-15
Also published as: ATA81997A; DE19619316A1; AT405081B

Description

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für eine Freistrahlturbine mit einer Vielzahl von Becherschaufeln, die über den Umfang einer Radscheibe gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

Die Becherschaufeln werden im Betrieb von wenigstens einem Wasserstrahl beaufschlagt, der aus einer Düse ausgestoßen wird. Der Strahl verläuft wenigstens annähernd tangential zum Laufrad der Freistrahlturbine. Im allgemeinen sind mehrere Düsen vorgesehen.

Freistrahlturbinen sind seit langem bekannt. Sie werden vor allem dort eingesetzt, wo geringe Wassermengen und große Fallhöhen gegeben sind.

Die Befestigung der Schaufel war schon immer problematisch. Dies geht darauf zurück, daß die Schaufeln beim Umlauf des Laufrades intermittierend beaufschlagt werden. Dies bedeutet, daß kurzfristig höchste Kräfte an der Schaufel beziehungsweise am Schaufelfuß angreifen. Der rasche Wechsel größter Belastungsspitzen mit belastungsfreien Zeitspannen kann zu Materialermüdungen und damit zu Schaufelfußbrüchen führen. Die Folgen können katastrophal sein.

DE 39 38 357 A1 zeigt und beschreibt ein Schaufelrad einer Freistrahlturbine (auch Peltonturbine genannt). Eine ähnliche Freistrahlturbine ist in DE 35 03 469 C2 gezeigt. Bei diesen Turbinen hat der Schaufelfuß eine Bohrung, die parallel zur Laufradachse verläuft. Durch die Bohrung ist eine Spannschraube hindurchgeführt, die den Schaufelfuß zwischen zwei Spannstücken einspannt. Mit solchen Konstruktionen lassen sich zwar die Spannkräfte ohne weiteres aufbringen, die notwendig sind, um den Schaufelfuß an der Radscheibe zu verankern. Problematisch ist jedoch hierbei die Strahlkraft. Diese hat die Tendenz, den Schaufelfuß aus seiner radialen Lage auszuhebeln. Dabei kann es zu Materialbrüchen kommen.

DE 43 35 530 beschreibt eine Schaufel für eine Strömungsmaschine mit einer diese Schaufel tragenden Radscheibe. Der Schaufelfuß ist keilförmig ausgebildet und in einen entsprechenden Keilspalt der Radscheibe eingesteckt. Die Fixierung erfolgt durch Verschweißen. Dieses erfordert einen erheblichen Aufwand und ist außerdem nicht zuverlässig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Laufschaufelrad einer Freistrahl- oder Peltonturbine den Schaufelfuß und die diesen einspannenden Bauteile derart zu gestalten, daß die Strahlkräfte zuverlässig aufgenommen werden, die spezifische Materialbeanspruchung hierbei geringer wird, daß somit die Bruchgefahr gegenüber bekannten Ausführungsformen verringert wird, und daß die Herstellungskosten, vor allem die Montagekosten, gering gehalten werden. Außerdem sollen Maßnahmen getroffen werden, um verschlissene Schaufeln leicht demontieren zu können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1 zeigt in einer Teilschnittansicht parallel zur Radachse eine Radscheibe mit einer Becherschaufel.

Fig. 2 zeigt den Gegenstand von Fig. 1 in einem achssenkrechten Schnitt.

In Fig. 1 erkennt man eine Radscheibe 1, die auf einer Welle 2 aufgekeilt oder mit ihr verflanscht ist. Die Radscheibe trägt an ihrem Äußeren Umfang eine Schaufel 3. Diese umfaßt in bekannter Weise einen Becher 3.1, eine Mittelrippe 3.2 und einen Schaufelfuß 3.3.

Das entscheidende gemäß der Erfindung ist aus Fig. 2 erkennbar. Wie man sieht, haben die Schaufelfüße 3.3 ein ganz besonderes Profil. Im dargestellten Falle ist es tannenbaumförmig. Der Umfang der Radscheibe 1 hat Aussparungen, die genau oder weitgehend dem Profil entsprechen, somit hier ebenfalls Tannenbaumprofil haben.

Die tannenbaumförmigen Aussparungen der Radscheibe 1 erstrecken sich im vorliegenden Falle durch die gesamte Dicke der Radscheibe 1 hindurch. Die Schaufeln 3 können somit ihrem Schaufelfüßen 3.3 in die genannten Aussparungen eingeschoben werden.

Statt der Tannenbaumform könnte auch eine andere Gestaltung der Schaufelfüße 3.3 vorgesehen werden, beispielsweise ein Sägezahnprofil, oder ein Trapezprofil. Entscheidend ist, daß der einzelne Schaufelfuß Erhöhungen und Vertiefungen aufweist, denen entsprechende Erhöhungen und Vertiefungen der Aussparung der Radscheibe 1 zugeordnet sind. Die Begrenzungsflächen der Schaufelfüße sowie die komplementären Flächen der Aussparungen der Radscheibe stellen somit Fügeflächen dar.

Die Schaufelfüße 3.3 können auf die folgende Weise in den Aussparungen der Radscheibe 1 montiert werden:
Die Kontur eines jeden Schaufelfußes 3.3 kann relativ zu ihrer Aussparung in der Radscheibe 1 ein gewisses Übermaß haben, bzw. so geformt sein, daß er im unterkühlten Zustand in die Aussparung der Radscheibe 1 paßt. In diesem Falle kann man die Schaufelfüße unterkühlen, beispielsweise durch Eintauchen in flüssigen Stickstoff, so daß die Schaufelfüße schrumpfen. Sodann werden die Schaufelfüße in geschrumpftem Zustand in die Aussparungen eingeschoben, wo sie sich allmählich erwärmen und ausdehnen, so daß es zu einem festen Sitz der Schaufelfüße 3.3 in den Aussparungen der Radscheibe 1 kommt.

Alternativ hierzu könnte man auch die Schaufelfüße derart dimensionieren, daß sie gegenüber den Aussparungen ein gewisses Übermaß haben. In diesem Falle müßten die Schaufelfüße 3.3 in die Aussparungen eingepreßt werden.

Die Schaufeln unterliegen einem gewissen Verschleiß. So kann es notwendig sein, einzelne oder sämtliche Schaufeln nach einigen Jahren auszutauschen durch neue Schaufeln. Hierzu müssen sie wieder aus ihrer Verankerung gelöst werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß die Schaufelfüße 3.3 hydraulisch aus den Aussparungen der Radscheibe herausgepreßt werden. Deshalb kann es zweckmäßig sein, zwischen den Fügeflächen der Schaufelfüße 3.3 und den Aussparungen eine Trennschicht vorzusehen. Die Schaufelfüße können mit einer solchen Trennschicht vor dem Einsetzen in die Aussparungen der Radscheibe beschichtet werden.

Durch die erfindungsgemäße Verbindung zwischen den einzelnen Schaufeln und der Radscheibe entfällt jede Schraubverbindung. Die Schaufeln werden hierdurch zuverlässig befestigt. Es kann zweckmäßig sein, die Schaufelfüße gegen Verschieben in einer zur Laufradachse parallelen Richtung nochmals durch Anschläge zu sichern, beispielsweise durch einen Umfangsring, der auf die beiden Stirnseiten der Radscheibe 1 aufgesetzt wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Schaufeln einzeln hergestellt werden können nach sehr vielen unterschiedlichen Herstellungsmethoden, beispielsweise durch Gießen, Schmieden, daß das Montieren sehr einfach ist, daß der Austausch einzelner Schaufeln oder sämtlicher Schaufeln einer Radscheibe stark vereinfacht wird, und daß damit die zu Reparaturen erforderliche Zeitspanne verkürzt wird. Man erhält damit die Vorteile eines Laufrades mit einer Vielzahl von Einzelschaufeln, kombiniert mit dem Vorteil eines einteilig gegossenen Laufrades.

Ein wichtiger Gedanke der Erfindung sieht vor, zwischen den Fügeflächen des einzelnen Schaufelfußes und der Radscheibe oder am Profilgrund einen oder mehrere Keile einzulegen. In Fig. 2 ist diese Möglichkeit angedeutet - siehe die beiden Keile 7.1, 7.2. Zur Aufnahme der Keile 7.1, 7.2 sind entsprechende Bohrungen im Fleisch der Radscheibe 1 vorgesehen. Die Bohrungen sind an solchen Stellen angebracht, daß sich die Keile einerseits satt an der Leibung einer solchen Bohrung anliegen, andererseits in der betreffenden Nut des Schaufelfußes 3.3.

Besonders günstig ist die Anordnung des Keiles 7.2. Wird er beispielsweise in einem Preßsitz eingefügt, so übt er auf die ganze Schaufel Druck aus, und zwar genau in der Richtung, in welcher der Wasserstrahl 8 auf die Schaufel 3 einwirkt. Dies hat den Vorteil, daß kräftemäßig definierte Verhältnisse geschaffen werden.

Claims

1. Laufrad für eine Freistrahlturbine

1. 1.1 mit einer Welle (2);
2. 1.2 mit einer Radscheibe (1), die mit der Welle drehfest verbunden ist;
3. 1.3 mit einer Vielzahl von Becherschaufeln (3);
4. 1.4 jede Schaufel (3) weist einen Schaufelfuß (3.3) auf;
5. 1.5 jeder Schaufelfuß (3.3) ist mit der Radscheibe (1) formschlüssig verbunden;
6. 1.6 jeder Schaufelfuß (3.3) weist - in einem zur Radachse (2.1) senkrechten Schnitt gesehen - Erhöhungen und Vertiefungen auf, welche Nuten bilden;
7. 1.7 die Radscheibe (1) weist - ebenfalls in einem zur Radachse senkrechten Schnitt gesehen - für jeden Schaufelfuß (3.3) komplementäre Erhöhungen und Vertiefungen auf;
8. 1.8 zwischen den zueinander komplementären Flächen (Fügeflächen) der Schaufelfüße (3.3) und der Aussparungen der Radscheibe (1) ist jeweils eine Trennschicht zum Verhindern des Fressens vorgesehen.

2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Fügeflächen von Schraubenfuß (3.3) und Radscheibe (1) ein Keil (7.1, 7.2) eingelegt ist.

3. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Keil (7.1, 7.2) zylindrisch oder kegelig ist, und daß die Zylinderachse im montierten Zustand koaxial zur Radachse (2.1) verläuft.

4. Laufrad nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Keile hohl und expandierbar sind.