DE202006020065U1

DE202006020065U1 - Laufrad für eine Wasserturbine

Info

Publication number: DE202006020065U1
Application number: DE202006020065U
Authority: DE
Original assignee: Voith Hydro Holding GmbH and Co KG; Voith Hydro GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Hydro Holding GmbH and Co KG
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2016-09-23

Abstract

Laufrad (1) für eine Francisturbine, die einen Laufradboden (8), einen Laufradkranz (9) sowie Laufschaufeln (7) umfasst; gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
1.1 das Laufrad umfasst zwei Scheibenkörper (11, 12) aus Metall;
1.2 ein erster der beiden Scheibenkörper weist einen Außendurchmesser auf, der gleich oder geringfügig größer als der Außendurchmesser des Laufradbodens (8) ist;
1.3 ein zweiter der beiden Körper weist einen Außendurchmesser auf, dessen Außendurchmesser gleich oder geringfügig größer als der Außendurchmesser des Laufradkranzes (12) ist;
1.4 die beiden Körper (11, 12) sind mittels einem spanabhebenden Bearbeitungsprozesses erzeugt, wobei der eine Körper (11) den Laufradboden (8) mit daran angeformten Schaufelstümpfen (7.1) bildet, und der andere Körper (12) den Laufradkranz (9) mit daran angeformten Schaufelstümpfen (7.2);
1.5 die Schaufelstümpfe (7.1) des den Laufradboden (8) bildenden Teiles, und die Schaufelstümpfe (7.2) des den Laufradkranz (9) bildenden Teiles sind derart gestaltet, dass sich jeweils ein Schaufelstumpf (7.1) des...

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Wasserturbinen. Sie betrifft insbesondere eine Francisturbine. Auch Pumpturbinen kommen in Betracht.
An solche Turbinen werden zunehmend höhere Anforderungen hinsichtlich des Wirkungsgrades und des Arbeitsbereiches gestellt. Dies ist eng verknüpft mit der Festigkeit des Laufrades sowie mit der Maßhaltigkeit. Ein solches Laufrad ist aufgebaut aus einem Laufradkranz, einem Laufradboden sowie einer Mehrzahl von zwischen diesen beiden angeordneten Schaufeln, die räumlich gekrümmt sind.
Das Laufrad muss allen mechanischen Belastungen standhalten. Solche mechanischen Belastungen sind bedingt durch hohe hydraulische Kräfte, mechanische Einflüsse, z.B. durch Fremdkörper, die sich im strömenden Wasser befinden, sowie durch Kavitation. Dabei wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen, durch entsprechende Gestaltung der Strömungswege, insbesondere der Schaufeln, die Kavitationsgefahr zu verringern. Nur beispielsweise wird verwiesen auf WO 98/05863.
Bei dem starken internationalen Wettbewerb sind die Herstellungskosten von entscheidender Bedeutung. Diese hängen von der Wahl der Bauart ab.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laufrad für eine Francisturbine anzugeben, wobei alle Anforderungen bezüglich der mechanischen Festigkeit, der Maßhaltigkeit und einer optimalen hydraulischen Gestaltung erfüllt werden, bei möglichst niedrigen Herstellungskosten.
Diese Aufgabe wird mit einem Laufrad gemäß einem der selbständigen Ansprüche gelöst.
Demgemäß geht man von einem Laufrad aus, das aus zwei Teilen hergestellt ist, die entweder gegossen oder geschmiedet sind. Die beiden Teile sind Scheiben aus einem entsprechenden Metall, beispielsweise martensitischer rostfreier Stahl. Die Scheiben sind im allgemeinen Kreisscheiben. Jede Kreisscheibe ist für sich alleine ein monolithischer Körper.
Die eine der beiden Kreisscheiben weist einen Außendurchmesser auf, der gleich dem Außendurchmesser des Kranzes des Laufrades ist oder geringfügig größer. Die andere Kreisscheibe weist einen Außendurchmesser auf, der gleich dem Außendurchmesser des Bodens ist oder geringfügig größer. Die beiden Kreisscheiben sind spanabhebend bearbeitet. Dabei ist aus der einen Kreisscheibe der Laufradkranz des zu erzeugenden Laufrades herausgearbeitet, nebst Stümpfen jener Schaufeln, die dem Kranz zugeordnet sind. Aus der anderen Scheibe ist der Laufradboden herausgearbeitet, nebst Stümpfen jener Schaufeln, die dem Laufradboden zugeordnet sind. Die Stümpfe des Bodens und des Kranzes sind dabei derart gestaltet, dass sich jeweils ein Schaufelstumpf des Bodens und einer des Kranzes zu einer vollständigen Schaufel ergänzen. Die mechanische Bearbeitung erfolgt beispielsweise mittels CNC-Maschinen. Durch die mechanische Bearbeitung erhält man zwei Teile des zu erzeugenden Laufrades. Diese Teile sind derart zusammengefügt, dass die freien Enden der Schaufelstümpfe des Laufradbodens den freien Enden der Schaufelstümpfe des Laufradkranzes gegenüberliegen. Die freien Ende der Schaufelstümpfe sind miteinander verschweißt.
Die Schnittfläche, entlang welcher die Schaufelstumpf-Enden zusammengefügt sind, kann eine Ebene sein, die senkrecht zur Drehachse des Laufrades verläuft. Sie kann aber auch eine Konusfläche sein, die sich – bezogen auf das stehende Laufrad – nach unten verjüngt. Als besonders günstig hat sich eine konkave Konusfläche erwiesen.
Durch die Erfindung wird im einzelnen folgendes erzielt:

– Die Herstellungskosten sind gegenüber herkömmlichen Herstellungsverfahren wesentlich günstiger.
– Die inneren Spannungen im Material des Laufrades sind geringer als bei herkömmlich erzeugten Laufrädern; die innere Homogenität des Materiales ist besser als bei Monoblockguß, die Materialstruktur ist optimal, und die Restspannungen sind gering.
– Die Homogenität des Materiales ist hoch.
– Die beiden zusammenzufügenden Teile des Laufrades lassen sich ohne Fertigungsrisiko herstellen, d.h. das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren führt mit großer Sicherheit zum gewünschten Ergebnis, bei minimalem Ausschuss.
– Beim Gießen wie auch beim Schmieden der beiden genannten Teile des entstehenden Laufrades befinden sich die freien Enden der Schaufelstümpfe oben. Falls Lunker oder Gasblasen vorliegen, so befinden sich diese ebenfalls oben, d.h. an den freien Enden der Schaufelstümpfe; bei entsprechender Überdimensionierung werden diese Bereiche bei der mechanischen Bearbeitung entfernt.
– Die Herstellung kann rasch erfolgen, woraus sich niedrige Lieferzeiten ergeben.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
1 zeigt eine Francisturbine in einem Axialschnitt.
2 zeigt das Laufrad der Francisturbine in vergrößerter Darstellung.
3 zeigt die Gestalt des freien Endes eines Schaufelstumpfes.
4 zeigt das freie Ende eines anderen Schaufelstumpfes.
5 zeigt einen Rohling als Zwischenprodukt zum Herstellen des Laufradbodens mit zugehörenden Schaufelstümpfen.
6 zeigt einen Rohling als Zwischenprodukt zum Herstellen des Laufradkranzes mit zugehörenden Schaufelstümpfen.
7 zeigt das eine, fertige Teil eines Laufrades, umfassend den Laufradboden mit Schaufelstümpfen in perspektivischer Darstellung.
8 zeigt das andere, fertige Teil eines Laufrades, umfassend den Kranz mit Schaufelstümpfen in perspektivischer Darstellung.
9 zeigt das aus den beiden Teilen zusammengefügte fertige Laufrad in perspektivischer Darstellung.
Die in 1 dargestellte Francisturbine ist wie folgt aufgebaut:
Das Laufrad 1 ist um eine Drehachse 3 drehbar gelagert. Laufrad 1 ist von einem Spiralgehäuse 4 umgeben. Außerdem ist dem Laufrad 1 ein Kranz von Leitschaufeln vorgeschaltet.
Die Turbine weist ein Saugrohr 6 auf. Dieses umfasst einen Eintrittsdiffusor 6.1 mit einem sich hieran anschließenden Krümmer 6.2 und einem sich wiederum hier anschließenden Saugkasten.
Das Laufrad weist eine Vielzahl von Laufschaufeln 7 auf, ferner einen Laufradboden 8 und einen Laufradkranz 9.
Der Laufradboden 8 ist mittels Zugankern 2 aufgehängt.
Aus 2 erkennt man wiederum die wesentlichen Bauteile des Laufrades, nämlich die Schaufel 7, den Laufradboden 8 sowie den Laufradkranz 9. Der Laufradboden umfasst ein Nabenteil 8.1, welcher eine hier nicht dargestellte Welle drehfest umschließt.
Jede Schaufel 7 ist aus zwei Schaufelstümpfen zusammengefügt, nämlich einen Schaufelstumpf 7.1, der einteilig mit dem Boden 8 ist und einen Schaufelstumpf 7.2, der Bestandteil des Laufradkranzes 9 ist. Die zahlreichen Schaufelstumpfpaare 7.1 und 7.2 sind entlang einer Kontaktfläche 10 durch Schweißen zusammengefügt.
5 zeigt einen Rohling 11. Dieser ist ein Zwischenprodukt für den Laufradboden 8. 6 zeigt einen Rohling 12 als Zwischenprodukt für den Laufradkranz 9. Die beiden Rohlinge 11 und 12 haben im wesentlichen die Gestalt von Kreisscheiben. Sie sind durch Gießen oder Schmieden hergestellt. Sie werden einer mechanischen Bearbeitung unterworfen, beispielsweise mittels CNC-Maschinen. Aus dem Rohling 11 entsteht der Laufradboden 8 mit diesem angeformten Schaufelstümpfen 7.1. Aus dem Rohling 12 entsteht der Kranz 9 mit diesem angeformten Schaufelstümpfen 7.2.
Die 7 und 8 zeigen die beiden Teile, die nach ihrer Herstellung zusammenzufügen sind. 7 zeigt den Laufradboden 11 mit daran angeformten Schaufelstümpfen 7.1, und 8 zeigt den Laufradkranz 12 mit daran angeformten Schaufelstümpfen 7.2.
Diese beiden Teile werden nunmehr zusammengefügt, und hierbei muss natürlich das eine der beiden Teile in eine solche Position verbracht werden, dass die freien Enden der Schaufelstümpfe 7.1, 7.2 einander zugewandt sind.
Zum Verschweißen können die freien Enden der Schaufelstümpfe 7.1, 7.2 in unterschiedlicher Weise hergerichtet werden – siehe die 3 und 4. Bei dickeren Schaufelprofilen wird man eher die Gestaltung gemäß 3 verwenden, und bei dünneren Schaufelprofilen eher die Kontur gemäß 4. Alle Kontaktflächen 10 liegen im vorliegenden Falle auf der Mantelfläche eines Konus (Konusfläche), die konkav ist. Die Kontaktfläche 10 könnte aber auch anders gestaltet sein. Sie könnte beispielsweise auf einer Konusfläche liegen, die rein konisch ist, somit weder konkav noch konvex. Die Kontaktfläche zwischen zwei einander zugewandten Schaufelstümpfen 7.1 und 7.2 wäre somit eine gerade Linie.
Auch könnte die Kontaktfläche 10 zwischen der Gesamtheit aller Schaufelstümpfe in einer Horizontalebene liegen, die somit senkrecht zur Drehachse 3 verläuft.
Im vorliegenden Falle verläuft die Kontaktfläche derart, dass sie sich in 1 als Linie darstellt, die von der angeströmten Kante der einzelnen Schaufel 7 zur Abströmkante abfällt. Sie könnte auch ansteigen.
Natürlich werden die freien Enden der zusammengefügten Schaufelstümpfe 7.1, 7.2, nach dem Verschweißen nochmals im Bereich der Schweißnähte bearbeitet, soweit notwendig.

1: Laufrad
2: Zuganker
3: Drehachse
4: Spiralgehäuse
5: Leitschaufeln
6: Saugrohr
6.1: Eintrittsdiffusor
6.2: Krümmer
6.3: Saugkasten
7: Laufschaufeln
7.1: Schaufelstümpfe, die dem Laufradboden angeformt sind
7.2: Schaufelstümpfe, die dem Laufradkranz angeformt sind
8: Laufradboden
9: Laufradkranz
10: Kontaktfläche
11: Rohling für Laufradboden
12: Rohling für Laufradkranz

Claims

Laufrad (1) für eine Francisturbine, die einen Laufradboden (8), einen Laufradkranz (9) sowie Laufschaufeln (7) umfasst; gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 1.1 das Laufrad umfasst zwei Scheibenkörper (11, 12) aus Metall; 1.2 ein erster der beiden Scheibenkörper weist einen Außendurchmesser auf, der gleich oder geringfügig größer als der Außendurchmesser des Laufradbodens (8) ist; 1.3 ein zweiter der beiden Körper weist einen Außendurchmesser auf, dessen Außendurchmesser gleich oder geringfügig größer als der Außendurchmesser des Laufradkranzes (12) ist; 1.4 die beiden Körper (11, 12) sind mittels einem spanabhebenden Bearbeitungsprozesses erzeugt, wobei der eine Körper (11) den Laufradboden (8) mit daran angeformten Schaufelstümpfen (7.1) bildet, und der andere Körper (12) den Laufradkranz (9) mit daran angeformten Schaufelstümpfen (7.2); 1.5 die Schaufelstümpfe (7.1) des den Laufradboden (8) bildenden Teiles, und die Schaufelstümpfe (7.2) des den Laufradkranz (9) bildenden Teiles sind derart gestaltet, dass sich jeweils ein Schaufelstumpf (7.1) des Laufradbodens (8) und ein Schaufelstumpf (7.2) des Laufradkranzes (9) zu einer vollständigen Schaufel (7) ergänzen; 1.6 die beiden bearbeiteten Teile sind derart einander zugeordnet, dass die freien Enden der Schaufelstümpfe (7.1), die dem Laufradboden (8) angeformt sind, den freien Enden der Schaufelstümpfe (7.2), die dem Laufradkranz (9) angeformt sind, gegenüberstehen; 1.7 die einander zugewandten freien Enden sind miteinander verschweißt.
Laufrad (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohlinge (11, 12) für den Laufradboden (8) bzw. für den Laufradkranz (9) durch Gießen oder durch Schmieden hergestellt sind.
Laufrad (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen, die die freien Enden eines Schaufelstumpfpaares (7.1, 7.2) miteinander bilden, in einer Horizontalebene liegen, die senkrecht zur Drehachse (3) des Laufrades (1) verläuft.
Laufrad (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen zwischen den freien Enden einander benachbarter Schaufelstümpfe (7.1, 7.2) miteinander bilden, in einer Konusfläche liegen.
Laufrad (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Konusfläche konkav ist.
Laufrad (1) für eine Francisturbine, mit Schaufeln (7), einem Laufradboden (8) und einem Laufradkranz (9), umfassend die folgenden Merkmale: 6.1 das Laufrad (1) ist aus zwei Teilen zusammengefügt; 6.2 das eine Teil umfasst den Laufradboden (8) mit daran angeformten Schaufelstümpfen (7.1); 6.3 das zweite Teil umfasst den Laufradkranz (12) mit daran angeformten Schaufelstümpfen (7.2); 6.4 die Schaufelstümpfe (7.1, 7.2) sind an ihren freien Enden durch Schweißen miteinander zusammengefügt.