DE19619317C2 - Laufrad für eine Freistrahltubine - Google Patents

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-PS 555 900 zeigt und beschreibt ein Laufrad für eine Freistrahlturbine. Dabei werden die Fliehkräfte vorwiegend durch den Formschluß aufgenommen. Die aus der Strahlkraft resultierende Umfangskraft erzeugt aber ein Drehmoment um den Verbindungsbolzen der Schaufel. Dieses Moment muß aufgenommen werden. Dies stellt eine Schwachstelle der Verbindung dar.

DE 35 03 469 C2 zeigt und beschreibt ein Laufrad für eine Freistrahlturbine. Der Schaufelfuß ist dabei mit mindestens einer Nut mit Erhöhung und Vertiefung versehen. Die Verbindung genügt den Anforderungen nicht.

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.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Durch die Erfindung wird ein großflächiger Formschluß geschaffen. Es ist dabei möglich, die Verbindung - unabhängig von Reibungseinflüssen - im voraus berechenbar und dynamisch hochbelastbar zu machen. Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß dies bei Kegelstift- und Spannhülsenverbindungen nicht der Fall ist. Dies ist insbesondere gravierend bei Laufrädern mit mittlerer bis großer Spannhöhe oder bei großen Bechern. Die vorgeschlagene Lösung ermöglicht deshalb eine zuverlässige Verbindung.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht ferner eine sehr schnelle Montage ohne großen Montageaufwand. Ein Einpassen ist nicht erforderlich, da die Teile maßgerecht gefertigt werden können. Die Austauschbarkeit ist ohne Probleme möglich.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem achsparallelen Teilschnitt eine Becherschaufel, die am Außenumfang einer zweigeteilten Radscheibe eingespannt ist.

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des Gegenstandes von Fig. 1. Hierbei sind die Schaufeln zwischen einer Radscheibe 1.2 und einem diesem zugeordneten Ring 1.1 eingespannt. Der Ring kann mit Nuten profiliert oder glatt sein, je nach Belastung.

In Fig. 1 erkennt man eine Radscheibe 1, die auf einer Welle 2 festgekeilt oder mit ihr verflanscht ist. Die Radscheibe 1 umfaßt zwei in diesem Falle baugleiche und zueinander symmetrische Teilscheiben 1.1, 1.2. Am Außenumfang der Radscheibe 1 sind zwischen deren Teilscheiben 1.1, 1.2 Schaufeln eingespannt, von denen eine Schaufel 3 dargestellt ist. Die Teilscheiben 1.1, 1.2 sowie die Schaufeln sind durch eine Mehrzahl von Spannschrauben 4 verspannt.

Die Schaufel ist ebenfalls völlig symmetrisch aufgebaut, und zwar bezogen auf die Trennebene 1.3 zwischen den beiden Teilscheiben 1.1, 1.2.

Auf den beiden Seiten der Schaufel sind Nuten 3.4 in den Schaufelfuß eingefräst. Die Nuten verlaufen in diesem Falle kreisbogenförmig. Die Mittelpunkte der Kreisbogen liegen auf der Achse 2.1 der Welle 2. Es wäre auch denkbar, die Nuten 3.4 derart zu gestalten, daß ihr Krümmungsmittelpunkt auf der anderen Seite der Schaufel 3 läge.

Die Nuten 3.4 können aber auch geradlinig sein und somit senkrecht zur Zeichenebene verlaufen.

Den Nuten 3.4 des Schaufelfußes entsprechen Höcker 1.3, 1.4 der beiden Teilscheiben 1.1, 1.2.

Im vorliegenden Falle sind die Nuten 3.4 und die Höcker 1.3, 1.4 trapezförmig. Die Flanken sind demgemäß Kegel- oder ebene Flächen.

Der Schaufelfuß 3.3 erweitert sich in der dargestellten Ausführungsform radial von innen nach außen. Es ist aber auch denkbar, in derart auszuführen, daß er sich radial von innen nach außen verjüngt.

Im Bereich der Spannschraube 4 befindet sich ein Spalt 1.5 zwischen den beiden Teilscheiben 1.1, 1.2. Damit läßt sich eine Vorspannung erzielen.

Fig. 2 zeigt eine einteilige Radscheibe 1 mit einem Spannring 1.1. Sonst sind alle Bauteile gleich jenen der Fig. 1.

Claims (8)

1. Laufrad für eine Freistrahlturbine

• 1. 1.1 mit einer Welle (2);
• 2. 1.2 mit einer Radscheibe (1), die mit der Welle (2) 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 am Umfang der Radscheibe (1) eingespannt;
• 6. 1.6 jeder Schaufelfuß (3.3) weist wenigstens auf seiner einen Seite - auf die Schaufel-Symmetrieebene (1.3) bezogen - Nuten (3.4) auf, die aus Erhöhungen und Vertiefungen gebildet sind;
• 7. 1.7 die Radscheibe (1) weist zum Formschluß entsprechende Erhöhungen und Vertiefungen auf.

2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (3.4) auf beiden Seiten des Schaufelfußes (3.3) angeordnet sind.

3. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Radscheibe (1) durch eine zur Radachse (2.1) senkrechte Trennebene (1.3) in zwei Teilscheiben (1.1, 1.2) geteilt ist, die an ihrem Außenumfang die Schaufelfüße (3.3) zwischen sich einspannen.

4. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelfüße (3.3) zwischen dem Umfang der Radscheibe (1) und einem Ringe (1.1) eingespannt sind.

5. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einspannen Spannschrauben (4) vorgesehen sind, die parallel zur Radachse (2.1) verlaufen.

6. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schaufelfuß (3.3) - in einem zur Radachse (2.1) parallelen Schnitt - die Gestalt eines umgekehrten Tannenbaumes aufweist, der sich unter einem Winkel γ gegen die Welle (2) hin verjüngt.

7. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhungen und Vertiefungen eines jeden Schaufelfußes (3.3) - in einem zur Radachse (2.1) parallelen Schnitt - einen sägezahnförmigen Querschnitt haben.

8. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhungen und Vertiefungen eines jeden Schaufelfußes (3.3) - in einem zur Radachse (2.1) parallelen Schnitt - einen trapezförmigen Querschnitt haben.