DE4143378C2 - Pelton-Laufrad - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Laufrad einer Pelton- Wasserturbine mit einer Vielzahl von am Außenrand einer Radscheibe angeordneten Bechern.

Wasserturbinen dieser Art sind aus einer Vielzahl von Publikationen bekannt, beispielsweise aus US-PS 2 33 692 von Lester A. Pelton.

Die Laufräder solcher Pelton-Turbinen werden häufig als integrale Gußteile aus einem geeigneten Gußstahl hergestellt und anschließend durch Materialabtragung in die vorgesehene Form gebracht.

Die Fertigstellung eines solchen Pelton-Rades erfordert jedoch einen erheblichen Bearbeitungsaufwand an einem großen Werkstück mit einem Durchmesser von mehreren Metern. Eine zerstörungsfreie Prüfung des Laufrades in der Wurzelzone auf Risse oder dergleichen war nach Fertigstellung des Kranzes bisher infolge der schlech­ ten Zugänglichkeit schwierig, und eine sicherheits­ technische Überwachung während des Laufes war prak­ tisch unmöglich. Daher war eine periodische Inspektion im Stillstand in relativ kurzen Zeitintervallen erforderlich. Das Entstehen von Radbrüchen konnte dadurch nicht immer verhindert werden.

Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, die angeführten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein Pelton-Laufrad zu schaffen, welches eine verbesserte zerstörungsfreie Prüfbarkeit nach Fertigstellung des Laufrades und eine sicherheitstechnische Überwachung zur Erkennung von Ermüdungsschäden und zur Vermeidung von Radbrüchen gestattet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die einzelnen Becher an ihren Wurzeln zu einem ringförmigen Kranz verschweißt sind und auf der radial inneren Seite des Kranzes durch formgebendes Auftragsschweißen ein Ring aufgebaut ist, der über zwei kreisringförmige zu den Becherschneiden symmetrische Schweißnähte so mit der Radscheibe verbunden ist, daß ein druckfester abgeschlossener toroidförmiger Ringraum entsteht, dessen Innendruck kontrollierbar ist.

Durch Füllung des Ringraumes mit einem Fluid unter Über- oder Unterdruck und Überwachung des Fluid­ druckes im ringförmigen Hohlraum kann ein Ermüdungsriß bereits vor einem Bruch signalisiert und durch den Ort des Fluidaustrittes lokalisiert werden.

Aus der DE-OS 15 03 260 ist zwar ein Laufrad einer Pelton Turbine bekannt, bei dem eine Vielzahl von Schaufeln an ihren Füßen mittels zweier miteinander verschraubten Klemmscheiben zu einem Schaufelkranz zusammengeschrumpft werden. Der dabei entstehende toroidförmige Ringraum ist jedoch nicht abgeschlossen und daher nicht druckdicht und läßt sich daher nicht zur Überwachung der Schaufelfüße auf Rißbildungen etc. verwenden.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Pelton-Laufrad im Axialschnitt in der Ebene B-B,

Fig. 2 einen Schnitt in der Ebene C-C durch mehrere Becher senkrecht zur Achse, und

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Becher in der Ebene A-A parallel zur Achse.

Das in den Figuren dargestellte Laufrad einer Pelton- Wasserturbine besteht aus einer Radscheibe 1, die um eine Rotationsachse X drehbar ist, und die an ihrem Außenrand eine Vielzahl von becherförmigen Schaufeln 3 trägt. Die Schaufeln 3 sind als Doppelbecher mit einer Mittelschneide 11 und steifen Becherrückenrippen 12 versehen, wobei die Mittelschneiden 11 an der Schaufel­ wurzelzone eine Hohlkehle 10 aufweisen. Das Laufrad ist abweichend von der bisher üblichen integralen Stahlguß-Ausführung, in einer Schweißkonstruktion in mehreren Schritten hergestellt.

Im ersten Schritt werden die einzeln hergestellten becherförmigen Schaufeln 3 an ihren Wurzeln mit Schweißnähten zu einem Kranz zusammengeschweißt. Anschließend wird durch formgebendes Auftragsschweißen sukzessive ein Ring 2 aufgebaut und durch Auftragen einer Anzahl von Lagen auf die Innenseite zu der endgültigen Form gestaltet, entsprechend der Außenfläche der Radscheibe 1, die als Stahlgußteil ausgeführt sein kann.

In einem weiteren Schritt wird nun der Schaufelring 2 mit seiner Innenseite mit Kreisringnähten 4 an die Außenseite der Radscheibe 1 angeschweißt und zum fertigen Laufrad zusammengesetzt.

Dabei ist es von besonderem Vorteil, die Innenpartie des Ringes 2 sowie die entsprechende Außenpartie der Radscheibe 1 so zu gestalten, daß zwei parallele, in Achsenrichtung X etwas versetzte Kreisringnähte 4 symmetrisch zu den Becherschneiden 11 vorgesehen sind. Beim Zusammenschweißen des Ringes mit der Radscheibe 1 an diesen zwei Kreisringnähten 4 entsteht somit ein geschlossener toroidförmiger Ringraum 5.

Die Vorteile dieser Konstruktion sind, abgesehen vom geringeren Schweißvolumen und einer weniger aufwendi­ gen Bearbeitung, die Entlastung der kritischen Schaufelwurzelzone bei der Hohlkehle 10 hinter der Mittelschneide 11 des Bechers, wodurch eine Reduktion der maximalen Becherspannung erreicht wird. Der Kraftfluß infolge Fliehkraft- und Wasserstrahl­ beanspruchung wird von der Mittelebene des Bechers in die zwei seitlichen Ebenen C-C mit den steifen Becherrückenrippen 12 verlagert, wodurch ein ausgeglicheneres Spannungsniveau in der am höchsten beanspruchten Becherwurzelebene A-A entsteht. Durch die Schweißkonstruktion wird ein günstigerer Eigenspannungsaufbau erreicht, wobei die kritischen Stellen unter Druckvorspannung gesetzt werden. Die beschriebene Schweißkonstruktion weist eine niedrigere Spannungsbeanspruchung auf als vorbekannte Stahlgußkonstruktionen.

Von besonderem Vorteil ist es, daß der durch die Schweißkonstruktion entstandene ringförmige Hohlraum 5 zur sicherheitstechnischen Überwachung und zur früh­ zeitigen Signalisation von Ermüdungsschäden im Laufrad benutzt werden kann. Dadurch können die bei vorbe­ kannten Pelton-Rädern gelegentlich aufgetretenen Becherbrüche, die in der Regel Großschäden mit Lebensgefahr hervorrufen, mit großer Sicherheit verhindert werden.

Hierzu wird der ringförmige Hohlraum 5 durch eine Bohrung 7 mit einem geeigneten Fluid mit einem von der Außenatmosphäre verschiedenen Druck, beispielsweise mit einer korrosionspassiven, nicht allzu viskosen Flüssigkeit gefüllt und unter Überdruck gesetzt. Darauf wird der Raum mit einer Schraube 8 druckfest verschlossen. Mit einem in der Schraube 8 integrierten Sensor 9 kann der Druck p im Hohlraum überwacht werden. Sollte der Druck durch ein Leck infolge eines Anrisses absinken, wird ein Notsignal ausgelöst und die Maschine abgestellt. Hierzu wird die Erfahrung ausgenützt, daß vor einem endgültigen Bruch mit einem Leck infolge Ermüdungsrissen gerechnet werden kann. Solche feinen Ermüdungsrisse können auf die beschriebene Weise während des Betriebes kontinuierlich durch den ein­ tretenden Druckabfall signalisiert werden. Der Ort des Ermüdungsrisses kann leicht durch Nachpumpen von Flüssigkeit in den Hohlraum 5 lokalisiert werden. Hierbei ist es von Vorteil, eine eingefärbte Flüssig­ keit zu verwenden.

Um die Becherwurzelzone in die Überwachung einzuschließen, sind feine radiale Sacklochbohrungen 6 vom Hohlraum 5 aus erforderlich, welche etwas über die Ebene A-A hinausreichen. Diese sind unschädlich, wenn sie im Bereich des Flächenschwerpunktes vom Schnitt A-A angebracht sind.

Zur Signalübertragung kann ein Kabel vom Drucksensor 9 aus vom Rad auf die Welle zur Lagerstelle geführt werden. Von dort ist eine berührungslose Signal­ übertragung leicht zu realisieren.

Bei einer alternativen Ausführung kann der Hohlraum 5 anstatt unter Überdruck auch unter Vakuum oder Teil­ vakuum gesetzt werden. Auch hier wird der Unterdruck p mittels des Drucksensors 9 überwacht und bei einer Beeinträchtigung des Vakuums ein Notsignal ausgelöst.

Der Vorteil liegt in beiden Fällen darin, daß mittels eines einzigen Signales das Laufrad integral dauernd und mit großer Sicherheit während des Betriebes über­ wacht werden kann. Damit können die sonst nötigen kurzen Inspektionsintervalle markant vergrößert werden, so daß sich die Wartungskosten und Still­ standszeiten des mit einem solchen überwachten Laufrad ausgerüsteten Wasserkraftwerkes erheblich reduzieren lassen.

Der Vorteil des geschlossenen Hohlraumes 5 zur Riß­ überwachung läßt sich auch unabhängig von der beschriebenen Herstellweise des Schaufelkranzes 2 durch Auftragsschweißen nutzen.

Claims (5)

1. Laufrad einer Pelton-Wasserturbine mit einer Viel­ zahl von an einer Radscheibe (1) angeordneten Bechern (3), dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Becher (3) an ihren Wurzeln zu einem ringförmigen Kranz verschweißt sind und auf der radial inneren Seite des Kranzes durch formgebendes Auftragsschweißen ein Ring (2) aufgebaut ist, der über zwei kreisringförmige zu den Becherschneiden (11) symmetrische Schweißnähte (4) so mit der Radscheibe (1) verbunden ist, daß ein druckfester abgeschlossener toroidförmiger Ringraum (5) entsteht, dessen Innendruck kontrollierbar ist.

2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der toroidförmige Ringraum (5) mit einem Fluid unter einem vom Atmosphärendruck abweichenden Druck gefüllt ist.

3. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (5) mit einem Drucksensor (9) versehen ist, welcher bei einer Druckänderung im Ringraum (5) ein Notsignal auslöst.

4. Laufrad nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (5) mit einer einge­ färbten Flüssigkeit unter Überdruck gefüllt ist.

5. Laufrad nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (5) unter Unterdruck steht und mit einem Drucksensor (9) versehen ist, welcher bei einer Beeinträchtigung des Unterdruckes ein Notsignal auslöst.