DE3742046A1 - Leitschaufel fuer wasserkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Leitschaufel für Wasserkraftmaschi­ nen, mit einem drehbar gelagerten Blatt.

Derartige Leitschaufeln werden in Abhängigkeit von ihrer Be­ lastung üblicherweise aus Stahlguß oder Gußeisen gegossen. Zur Erzeugung ihrer Fertiggestalt ist ein erheblicher Aufwand an spanender Bearbeitung erforderlich. Die durch das hohe Gewicht dieser Leitschaufeln hervorgerufenen Massenkräfte müssen bei der Auslegung des Leitschaufel-Verstellapparates berücksichtigt wer­ den. Außerdem wendet man bei einem aus solchen Schaufeln gebil­ deten Leitapparat eine entsprechende hohe Schließpressung an, um bei geschlossenem Leitapparat trotz Fertigungs- und Montagefeh­ lern einen wasserdichten Verschluß im Bereich der Schließkanten sämtlicher Schaufelblätter zu erzielen. Zwar werden Gewichtsvor­ teile erzielt, wenn nach einer anderen Herstellungsweise Leit­ schaufelblätter aus Blechen geformt werden. Diese durch Schweißen zu verbindenden Bleche haben zwar eine höhere Ober­ flächengüte als Gußteile; dennoch erfordern solche Leitschaufel­ blätter im Bereich der Schließkante ebenfalls eine spanende Be­ arbeitung.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Fer­ tigungsaufwand von Leitschaufeln zu verringern, insbesondere deren spanende Bearbeitung weitgehend zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Schaufelblatt einen metallischen Kern und eine wenigstens an­ nähernd die gesamte wasserberührte Oberfläche des Blattes umfas­ sende, durch Urformen erzeugte Umhüllung aus einem nichtmetal­ lischen Werkstoff, wie Polyurethan, Kautschuk u.dgl. elastomerem Kunststoff aufweist.

Die Fertigung einer derartigen Leitschaufel erfordert zwar die Herstellung einer Form, was jedoch im Hinblick auf die Anzahl der pro Wasserkraftmaschine benötigten, formgleichen Leitschau­ feln wirtschaftlich ist. Bei dem erfindungsgemäßen Leitschaufel­ blatt übernimmt der metallische Kern die Übertragung der vom Leitapparat der Maschine ausgeübten Verstellkräfte und leitet die hydraulischen Kräfte auf der Lagerung der Schaufel dienende Maschinenbauteile ab. Mit der Umhüllung wird dagegen die Gestalt des Leitschaufelblattes in hoher Formgenauigkeit erzeugt. Die hierzu vorgesehenen Werkstoffe zeichnen sich durch Elastizität aus, so daß die Schließpressung der Leitschaufeln in der Schließstellung des Leitapparates ein geringeres Ausmaß haben kann, um einen dichtenden Kontakt der Schließkanten benachbarter Leitschaufelblätter zu erzielen. Darüber hinaus zeichnen sich die vorgesehenen Werkstoffe für die Umhüllung durch eine hohe Formbeständigkeit, insbesondere gegen Erosion durch Sand im Was­ ser aus. Schließlich kann mit der erfindungsgemäßen Schaufelge­ staltung eine erhebliche Reduzierung des Schaufelgewichtes er­ zielt werden.

Zwar ist es aus der US-PS 14 72 924 bekannt, in das Blatt einer aus Stahl oder Stahlguß hergestellten Leitschaufel eine parallel zur Schaufeldrehachse verlaufende Nut zu formen, in welche eine Leiste aus Weißmetall oder Holz eingefügt ist. Durch Anschlagen der Schließkante des Nachbarleitschaufelblattes gegen die einge­ fügte Leiste und deren plastisches Verformen soll hiermit eine verbesserte Dichtwirkung der in Schließstellung befindlichen Leitschaufeln erzielt werden.

Außerdem ist aus der DE-AS 12 24 219 eine in herkömmlicher Weise gefertigte Leitschaufel bekannt, bei der an den Stirnseiten ihres Blattes separate, angesetzte Dichtungen befestigt sind. Diese bestehen aus einem metallischen, mit der Leitschaufel ver­ schraubten Kern, der mit einer aufblasbaren Hülle aus Kautschuk versehen ist. In der Schließstellung der Leitschaufel wird die Dichtung aufgeblasen, welche sich gegen an die Leitschaufel an­ grenzende Bauteile der Wasserkraftmaschine anlegt und in diesem Bereich gegen Eindringen von Leckwasser abdichtet.

Aus beiden vorerwähnten Veröffentlichungen sind zwar Maßnahmen zur Verbesserung der Dichtwirkung an Leitschaufeln bekannt, bei denen Werkstoffe verwendet werden, die von denjenigen der Leit­ schaufel verschieden sind. Dennoch ist bei beiden bekannten Aus­ führungsformen keine Anregung gegeben, die Gestalt des Leit­ schaufelblattes durch Urformen eines vom bisherigen Schaufel­ werkstoff völlig verschiedenen Werkstoffs zu bilden.

Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind nachstehend anhand der Unteransprüche erläutert.

Durch die im Anspruch 2 angegebene Maßnahme ergeben sich Ferti­ gungsvorteile, da das Schaufelblatt keiner spanenden Bearbeitung bedarf. Vor dem Aufbringen der Umhüllung ist lediglich eine Rei­ nigung des Blattes, z.B. durch Sandstrahlen, erforderlich, was die Haftung der Umhüllung auf dem Kern verbessert.

Der im Anspruch 3 beschriebene Aufbau eines Blattkernes zeichnet sich durch die Verwendung einfach gestalteter, miteinander stoffschlüssig verbundener Teile aus, die der Schaufel eine hohe Gestaltfestigkeit geben. Dabei kann das in der Drehachse der Schaufel verlaufende zylindrische Teil als über das Blatt hin­ ausragender Schaufelstiel ausgebildet sein, an dem der Verstell­ apparat der Wasserkraftmaschine anzugreifen vermag. Oder das zylindrische Teil ist als Rohr ausgebildet, welches im Einbauzu­ stand der Schaufel von einem der Lagerung dienenden, in angren­ zenden Bauteilen der Maschine befestigten Bolzen durchgriffen ist.

Bei der letztgenannten Variante ist gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 am Kern im Bereich der Anströmkante ein zweites hohlzylindrisches Teil ange­ schweißt, in den ein mit dem Leitschaufel-Verstellapparat in Verbindung stehender Lenker mit einem Zapfen einzugreifen ver­ mag. Außerdem wird durch dieses Bauteil die hochbeanspruchte Anströmkante des Schaufelblattes in ihrer Gestaltfestigkeit ver­ bessert.

Mit den im Anspruch 5 wiedergegebenen Merkmalen ist ein Schau­ felkern beschrieben, der sich zum einen durch hohe Gestalt­ festigkeit, zum anderen durch eine innige Verbindung der Umhül­ lung mit dem Kern auszeichnet, da der Umhüllungswerkstoff die Bleche allseitig umfaßt.

Ein erhöhter Widerstand gegen Ablösen der Umhüllung vom Kern wird durch die im Anspruch 6 beschriebene Maßnahme erzielt.

Mit den in den Ansprüchen 7 bis 9 gekennzeichneten Merkmalen werden Lösungen für einen derartigen Formschluß zwischen dem Kern und der Umhüllung des Leitschaufelblattes angegeben.

Schließlich kann es auch vorteilhaft sein, wenn gemäß der Wei­ terbildung der Erfindung nach Anspruch 10 der Kern mit der Um­ hüllung durch Stoffschluß verbunden ist. Diese Verbindung kann durch Aufbringen eines geeigneten Bindemittels auf den Kern vor dem Urformvorgang oder bei Verwendung von Kautschuk als Umhül­ lungswerkstoff durch dessen Vulkanisationsbindung erzielt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Leitschaufel mit einem Blatt, welches aus einem Kern mit einer allseiti­ gen Ümhüllung besteht, als erstes Ausführungsbei­ spiel,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Stirnseite des Schaufel­ blattes nach Fig. 1

Fig. 3 ein Schaufelblatt im Schnitt mit einem aus zylin­ drischen Teilen und angeschweißten Blechen beste­ henden Kern als zweites Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Schaufel nach Fig. 3,

Fig. 5 einen Querschnitt durch die Schaufel entlang der Linie V-V in Fig. 3,

Fig. 6 eine Seitenansicht einer teilweise aufgebrochen gezeichneten Schaufel mit einem geschichtete Bleche aufweisenden Kern als drittes Ausführungs­ beispiel,

Fig. 7 einen Querschnitt dieser Schaufel entlang der Linie VII-VII in Fig. 6,

Fig. 8 eine Seitenansicht einer teilweise von der Umhül­ lung befreiten Schaufel als viertes Ausführungs­ beispiel,

Fig. 9 einen Schnitt durch einen Schaufelbereich entlang der Linie IX-IX in Fig. 8 mit einer Formschluß­ verbindung zwischen Kern und Umhüllung sowie

Fig. 10 einen Schnitt durch einen Schaufelbereich entlang der Linie IX-IX in Fig. 8 mit einer anderen Aus­ führungsform einer Formschlußverbindung zwischen Schaufelkern und Umhüllung.

Die in den Fig. 1 und 2 als erstes Ausführungsbeispiel darge­ stellte Leitschaufel 10 hat ein Blatt 11, welches aus einem Kern 12 und einer Umhüllung 13 besteht. Der Kern 12 ist als ein­ stückiges Gußteil aus Gußeisen oder Stahlguß ausgebildet. Die Umhüllung 13 besteht dagegen aus einem nichtmetallischen Werk­ stoff, wie Polyurethan, Kautschuk oder einem anderen elastomeren Kunststoff.

Die Umhüllung 13 ist durch Urformen erzeugt, d.h. sie ist in einer die Fertiggestalt des Blattes 11 als Hohlraum aufweisen­ den, nicht dargestellten Form hergestellt. Als Verfahren zum Erzeugen der Umhüllung 13 können das Gießen, Pressen, Spritz­ gießen und Spritzpressen angewandt werden. Dabei wird der Kern 12 in die Form eingelegt und allseitig mit dem erwähnten Werk­ stoff in einer genau bemessenen Schichtdicke umhüllt. Die Umhül­ lung 13 erstreckt sich somit von einer Anströmkante 14 des Blat­ tes 11 entlang dessen beiden Breitseiten 15, 16 sowie beiden Stirnseiten 17, 18 zu einer Abströmkante 19. Lediglich im Be­ reich der Drehachse 20 der Leitschaufel 10 ist die Umhüllung 13 in ihrer Stirnseite 17 von einem Schaufelstiel 21 und an ihrer Stirnseite 18 von einem Schaufelzapfen 22 durchgriffen. Der gleichachsig zur Drehachse 20 verlaufende Schaufelstiel 21 und der Schaufelzapfen 22 dienen der Lagerung der Leitschaufel in nicht dargestellten, an die beiden Stirnseiten 17, 18 angrenzen­ den Gehäuseteilen der Wasserkraftmaschine.

Die Bindung der Umhüllung 13 an den Kern 12 kann stoffschlüssig durch die Verwendung von Bindemitteln, wie Klebern od.dgl., oder bei Verwendung von Kautschuk durch Vulkanisationsbindung oder durch Formschluß erzielt werden, wie dies bei den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben ist.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 bis 5 weist das Schaufelblatt 30 einen aus mehreren Einzelteilen zusammenge­ fügten Kern 31 auf. Der Kern 31 hat ein achsgleich zu seiner Drehachse 32 verlaufendes Rohr 33 als zentrales zylindrisches Teil, an das beiderseits in der Mittelebene 34 des Schaufelblat­ tes 30 verlaufende Bleche 35 und 36 angeschweißt sind. Im Be­ reich der Anströmkante 37 des Schaufelblattes 30 ist ein weite­ res zylindrisches Bauteil 38 am sich gegen die Anströmkante er­ streckenden Blech 35 angeschweißt. Dieses Bauteil 38 ist als parallel zur Drehachse 32 des Schaufelblattes 30 verlaufendes Rohr ausgebildet. Das Rohr 33 des Schaufelkerns 31 dient zur Aufnahme eines nicht dargestellten Bolzens, der in den gleich­ falls nicht gezeichneten, angrenzenden Gehäuseteilen der Wasser­ kraftmaschine befestigt und als Drehachse für das Schaufelblatt 30 bestimmt ist. Das an der Anströmkante 37 des Schaufelblattes 30 befestigte Bauteil 38 des Kerns 31 dient dem Angriff des nicht dargestellten Leitschaufel-Stellappparates, dessen Lenker mit einem Zapfen in an sich bekannter Weise in das Teil 38 ein­ greifen.

Die Gestalt des Schaufelblattes 30 ist durch die dessen gesamte wasserberührte Oberfläche umfassende, durch Urformen erzeugte Umhüllung 39 aus einem der vorerwähnten nichtmetallischen Werk­ stoffe bestimmt. Lediglich die stirnseitigen Flächen sowie der Hohlraum der zylindrischen Teile 33 und 38 des Kerns 31 sind nicht von der Umhüllung 39 bedeckt.

Zum Verbinden der Umhüllung 39 mit dem Kern 31 sind bei diesem Ausführungsbeispiel Maßnahmen getroffen, welche einen Formschluß zwischen Kern und Umhüllung erzeugen. Hierzu ist das Blech 35 des Schaufelkerns 31 mit einer Vielzahl von durchgehenden Boh­ rungen 40 versehen. Diese Bohrungen 40 sind vom Werkstoff der Umhüllung 39 durchgriffen, so daß hierdurch die zu beiden Seiten der Blattmittelebene 34 liegenden Umhüllungsabschnitte 41 und 42 miteinander verbunden sind. Diese Bohrungen 40 können gleich­ falls im Blech 36 erzeugt sein. Anstelle von Bohrungen 40 können aber auch, wie dies beim Blech 36 in Fig. 3 dargestellt ist, Durchbrüche 43, beispielsweise in Form von Schlitzen, vorgesehen sein, welche vom Werkstoff der Umhüllung 39 durchdrungen sind und den Formschluß zwischen dem Kern 31 und der Umhüllung er­ zeugen.

Die in den Fig. 6 und 7 dargestellte weitere Ausführungsform einer Leitschaufel 60 weist ein Blatt 61 aus einem Kern 62 mit einer in der vorbeschriebenen Weise erzeugten Umhüllung 63 auf. Der Kern 62 hat ein gleichachsig zur Drehachse 64 der Schaufel 60 verlaufendes zylindrisches Teil 65. Auf dieses Teil 65 sind zwischen den Stirnseiten 66 und 67 des Blattes 61 formgleiche Bleche 68 in gegenseitigem Abstand aufgereiht. Diese Bleche 68 haben eine dem Schaufelprofil entsprechende geometrisch ähnliche Form, wie dies aus Fig. 7 deutlich zu erkennen ist. Zur axialen Fixierung der Bleche 68 ist je ein Distanzring 69 zwischen zwei Bleche auf das zylindrische Teil 65 aufgeschoben. Die Bleche 68 sowie die Distanzringe 69 sind mit dem zylindrischen Teil 65 verschweißt. Der Werkstoff der Umhüllung 33 umschließt die Bleche 68 allseitig, d.h. er nimmt auch die Räume zwischen den benachbarten Blechen ein.

Das in den Fig. 8 bis 10 beschriebene Ausführungsbeispiel einer Leitschaufel 80 beinhaltet gleichfalls ein Schaufelblatt 81 aus einem Kern 82 mit einer durch Urformen erzeugten Umhül­ lung 83. Zur Erzielung eines Formschlusses zwischen dem Kern 82 und der Umhüllung 83 sind bei der in Fig. 9 dargestellten Vari­ ante beiderseits am Kern angeformte hinterschnittene knopfförmi­ ge Ansätze 84 und leistenförmige Ansätze 85 vorgesehen, welche von der Umhüllung 83 umgriffen sind. Der Formschluß kann ent­ weder nur durch die knopfartigen Ansätze 84 oder nur durch die leistenartigen Ansätze 85 erzeugt werden, welche entlang der gesamten Oberfläche des Kerns angeordnet sind. Der Formschluß kann aber auch dadurch erreicht werden, daß der Kern 82 mit am Grund erweiterten Vertiefungen 86 oder Nuten 87 versehen ist, in welche die Umhüllung eingreift (Fig. 10).

Claims (10)

1. Leitschaufel für Wasserkraftmaschinen, mit einem drehbar gelagerten Blatt, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaufel­ blatt (11) einen metallischen Kern (12) und eine wenigstens annähernd die gesamte wasserberührte Oberfläche des Blattes umfassende, durch Urformen erzeugte Umhüllung (13) aus einem nichtmetallischen Werkstoff, wie Polyurethan, Kautschuk u.dgl. elastomerem Kunststoff, aufweist.

2. Leitschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (12) als einstückiges Gußteil ausgebildet ist.

3. Leitschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (31) des Blattes (30) ein gleichachsig zur Schau­ feldrehachse (32) verlaufendes zylindrisches Teil (Rohr) (33) hat, an das sich gegen die Anströmkante (37) und gegen die Abströmkante des Blattes erstreckende, in der Blattmit­ telebene (34) verlaufende Bleche (35, 36) angeschweißt sind.

4. Leitschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kern (31) im Bereich der Anströmkante (37) ein parallel zur Drehachse (32) verlaufendes hohlzylindrisches Bauteil (38) angeschweißt ist.

5. Leitschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (62) ein gleichachsig zur Drehachse (64) der Schau­ fel (60) verlaufendes zylindrisches Teil (65) hat, das zwi­ schen den Stirnseiten (66, 67) des Blattes (61) in gegensei­ tigem Abstand aufgereihte und angeschweißte Bleche (68) trägt, die eine dem Schaufelprofil wenigstens annähernd geometrisch ähnliche Form haben.

6. Leitschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (39) formschlüssig mit dem Kern (31) verbunden ist.

7. Leitschaufel nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (31) mit die beider­ seits des Blattes (30) verlaufenden Umhüllungsabschnitte (41, 42) verbindenden Durchbrüchen, wie Bohrungen (40) oder Schlitze (43), versehen ist.

8. Leitschaufel nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (82) mit hinterschnit­ tenen knopf- oder leistenförmigen Ansätzen (84, 85) versehen ist, welche von der Umhüllung (83) umgriffen sind.

9. Leitschaufel nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (82) mit am Grund er­ weiterten Vertiefungen (86) oder Nuten (87) versehen ist, in welche die Umhüllung (83) eingreift.

10. Leitschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung stoffschlüssig mit dem Kern verbunden ist.