DE591970C

DE591970C - Pelton impeller with reinforcement rings that are placed around the outer circumference of the blade

Info

Publication number: DE591970C
Application number: DE1930591970D
Authority: DE
Original assignee: Theodor Bell & Cie AG
Current assignee: Theodor Bell & Cie AG
Priority date: 1929-11-06
Filing date: 1930-10-24
Publication date: 1934-01-30
Also published as: CH143800A; GB364228A; FR704875A

Description

Peltonlaufrad mit Verstärkungsringen, die um den äußeren Schaufelumfang gelegt sind Bei Peltonrädern ergibt die vom Strahl herrührende, periodisch auftretende Umfangskraft infolge der fliegenden, d. h. einse,itig eingespannten Anordnung der Schaufeln sehr ungünstige Beanspruchungen, insbesondere an der Einspannstelle, d. h. an der Schaufelwurzel. Diese Beanspruchungen haben ihrerseits elastische Durchbiegungen und damit Vibrationen der Schaufel zur Folge, führen erfahrungsgemäß leicht zu vorzeitigen Materialermüdungen und damit zu gefährlichen Rißbildungen, wirken korrosionsbeschleunigend und führen zu vorzeitigem Unbrauchbarwerden des Rades bzw. der Schaufeln. Ganz besonders unangenehm wirken sich die vorgenannten Beanspruchungen und Vibrationen bei in einem Stück gegossenen Rädern oder Radkränzen aus, da das-Material derselben infolge der großen Kompliziertheit eines solchen Gußstückes sehr leicht äußerlich nicht feststellbare Haarrisse und örtliche Inhomogenitäten und damit örtliche Schwächen in sich birgt, die naturgemäß je nach ihrer Lage und Ausdehnung den Ermüdungsprozeß ganz wesentlich beschleunigen.Pelton impeller with reinforcement rings around the outer circumference of the blade With Pelton wheels, the periodically occurring results from the jet Circumferential force due to the flying, d. H. one, itig clamped arrangement of the Very unfavorable stresses on the blades, especially at the clamping point, d. H. at the shovel root. These stresses in turn have elastic deflections and thus vibrations of the shovel result, experience has shown easily lead to premature Material fatigue and thus dangerous crack formation have a corrosion-accelerating effect and lead to the wheel or the blades becoming unusable prematurely. Most notably The aforementioned stresses and vibrations have an unpleasant effect in one Piece of cast wheels or wheel rims, as the material of the same as a result of the great complexity of such a casting very easily externally not detectable Contains hairline cracks and local inhomogeneities and thus local weaknesses, which naturally, depending on its position and extent, significantly reduces the fatigue process accelerate.

Die oben dargelegten Verhältnisse seien nachstehend noch näher beleuchtet durch eine Zergliederung der Vorgänge, die sich hinsichtlich der vorgenannten Beanspruchungen in einem Laufrade mit becherförmigen Schaufeln abspielen.The relationships set out above will be examined in more detail below through a breakdown of the processes that arise with regard to the aforementioned stresses play in a wheel with cup-shaped blades.

Im Augenblick des Strahlauftreffens,auf die Schaufel werden die dem Strahl zugekehrten Schaufelfasern in der Hauptsache auf. Zug, jene am Schaufelrücken in der Hauptsache auf Druck beansprucht, und die Schaufel wird in Richtung des Strahldruckes elastisch ausbiegen. Im nächsten Augenblick, d. h. wenn die Spannkraft der Schaufel gegenüber dem abnehmenden Strahldruck überwiegt, was noch vor dem vollen Austritt des Strahles aus der Schaufel der Fall sein wird, schwingt die Schaufel um ihre Wurzel zurück und über die Ruhelage hinaus. Damit ist ein Richtungswechsel der Beanspruchungen in den Schaufelfasern verbunden. Dieses Hinundherschwingen der Schaufel, das natürlich außerordentlich kleine Wege bestreicht, wiederholt sich so lange, bis die Schaufel zur Ruhe kommt. Wir haben es hier offenkundig mit dem an sich ungünstigsten, Falle der dauernd wechselnden Belastung zu tun, für welchen die Festigkeitslehre die Notwendigkeit einer wesentlichen Verminderung der zulässigen Spannungen lehrt. Was aber beim Laufrad mit den üblichen fliegend angeordneten Becherschaufeln die Beanspruchung noch ganz wesentlich ungünstiger gestaltet, ist die sich ständig sehr rasch wiederholende hämmernde Beanspruchung, die die Schaufeln im Betriebe überhaupt nie zur Ruhe kommen läßt, und der Umstand, daß die genannte Dauerbeanspruchung durch die Wassereinwirkung gleichzeitig mit Korrosion verbunden ist. Dieses zeitliche Zusammenfallen von Schwingungsbeanspruchung und Korrosion bewirkt eine Beschleunigung des Ermüdungsprozesses. Bei einer zweidüsigen Peltonturbine mit 5oo Touren pro Minute wird beispielsweise jede Radschaufel i6,6mal pro Sekunde vom Strahl getroffen oder etwa 1434 000mal in 2¢ Stunden. Daß dies bei Dauerbetrieb zu vorzeitigen Materialermüdungen führen muß, liegt auf der Hand.At the moment when the jet hits the shovel, the shovel fibers facing the jet are mainly on. Pull, the one on the back of the blade is mainly subjected to pressure, and the blade will bend elastically in the direction of the jet pressure. In the next moment, ie when the clamping force of the blade outweighs the decreasing jet pressure, which will be the case before the jet fully emerges from the blade, the blade swings back around its root and beyond the rest position. This is associated with a change in direction of the stresses in the blade fibers. This swinging of the shovel, which of course sweeps extremely small paths, is repeated until the shovel comes to rest. Obviously we are dealing here with the most unfavorable case of constantly changing loads, for which the theory of strength teaches the necessity of a substantial reduction in the permissible stresses. But what makes the stress even more unfavorable in the case of the impeller with the usual cantilevered bucket blades is the constantly repeating hammering stress, which never allows the blades to rest in the company, and the fact that the above-mentioned continuous stress is caused by the The effect of water is also associated with corrosion. This coincidence of vibration stress and corrosion accelerates the fatigue process. In a Pelton turbine with zweidüsigen 5oo revolutions per minute for example, each vane is i6,6mal per second made by the beam, or about 1 434 000 times in 2 ¢ hours. It is obvious that this must lead to premature material fatigue in continuous operation.

Man könnte diese Materialbeanspruchungen sowie Schwingungen und die daraus resultierenden Materialermüdungen durch eine entsprechende Verstärkung des Schaufelquerschnittes reduzieren. Dies ist aber in dem %v ünschenswerten Maß nicht möglich, ohne eine Schmälerung des Wirkungsgrades, wie dies durch Fig. i veranschaulicht sei.You could see these material stresses as well as vibrations and the resulting material fatigue through a corresponding reinforcement of the Reduce the blade cross-section. But this is not to the extent that it is undesirable possible without reducing the efficiency, as illustrated by FIG may be.

In dieser Fig. i ist ein Zylinderschnitt durch die Schaufeln eines Peltonrades dargestellt. Der Schaufelaustrittswinkel sei mit a, die für das austretende Wasser verfügbare lichte Breite mit x bezeichnet, wobei a und x versuchsmäßig festgestellten, günstigen üblichen Werten entsprechen mögen, .gemäß welchen die auf Fi&. i abgebildeten rechten Schaufelhälften angenommen sind. Um' die Ermüdungsgefahr auch nur einigermaßen zu reduzieren, müßte der übliche Schaufelquerschnitt ungefähr um den bei den linken Schaufelhälften in Fig. i schraffierten Betrag verstärkt werden. Dadurch würde aber die für das austretende Wasser verfügbare lichte Breite x verringert, so daß ein Teil desselben auf den Rücken der Nachbarschaufel aufprallen und zu einer starken Wirkungsgrad-Schmälerung führen würde. Um diese Schmälerung zu verringern, bleibt dann nichts anderes übrig, als den Schaufelaustrittswinkel, wie dies bei den linken Schaufelhälften in Fig. i durch ä dargestellt ist, so weit zu vergrößern, daß die lichte Weite x' wieder der ursprünglich angenommenen lichten Weite x entspricht. Diese Vergrößerung des Austrittswinkels bedingt aber ebenfalls eine Vergrößerung des Austrittsverlustes und damit eine Wirkungsgradverminderung. Eine Verstärkung der Schaufelrippen im gefährlichen Querschnitt, d. h. an der Schaufelwurzel über das heute übliche Maß hinaus, ist infolge der Schaufelteilung mit Erfolg nicht durchführbar.In this Fig. I a cylinder section is shown through the blades of a Pelton wheel. Let the blade exit angle be denoted by a, the clear width available for the exiting water by x , where a and x may correspond to favorable customary values determined in tests, according to which the values on Fi &. i pictured right blade halves are assumed. In order to reduce the risk of fatigue even to some extent, the usual blade cross-section would have to be reinforced approximately by the amount hatched for the left-hand blade halves in FIG. As a result, however, the clear width x available for the exiting water would be reduced, so that part of it would hit the back of the neighboring blade and lead to a severe reduction in efficiency. In order to reduce this narrowing, there is then nothing else to do than to enlarge the blade outlet angle, as shown by a on the left blade halves in FIG . However, this increase in the exit angle also causes an increase in the exit loss and thus a reduction in efficiency. A reinforcement of the blade ribs in the dangerous cross-section, ie at the blade root beyond what is customary today, cannot be carried out successfully because of the blade division.

Es ist weiter bereits vorgeschlagen worden, die Schaufeln durch Ringe gegeneinander abzustützen, wobei diese Ringe entweder flachen, quer zur radialen Richtung liegenden Querschnitt aufweisen oder bei beliebig geformtem Querschnitt in, das Schaufelmaul hinein versetzt sind. Ringe der ersteren Art eignen sich infolge des ungünstig liegenden Querschnittes schlecht zur gegenseitigen Abstützung der Schaufeln, da sie leicht ausbiegen und strekken. Sie haben zudem den großen Nachteil, den Wirkungsgrad der Turbine stark zu beeinträchtigen, dadurch, daß sie die radial nach außen gerichteten Wasserfäden beim Austritt aus den Schaufeln stören und damit auch die benachbart austretenden Strahlpartien schädlich beeinflussen. Ringe, die ins Schaufelmaul hineinversetzt sind, sind nach den bekannten Vorschlägen so schwach gehalten, daß sie für die gegenseitige Abstützung der Schaufeln sozusagen wirkungslos sind;. bei stärkerer Ausbildung stören sie entweder den eintretenden Strahl oder sie bedingen bei den >kannten Vorschlägen eine Verbreiterung des Schaufelmaules und damit der Schaufel; beides hat starke Wirkungsgradverminderung zur Folge. Bei den bereits vorgeschlagenen, ins Schaufelmaul versetzten Ringen ist die Abstützung auch insofern: eine ungünstige; als sie die Schaufelbecher stark unsymmetrisch und darum-auch ungenügend stützen.It has also already been proposed that the blades be provided with rings support against each other, these rings either flat, transverse to the radial Have direction lying cross-section or with any shaped cross-section in, the shovel mouth are offset into it. Rings of the former kind are therefore suitable the unfavorable cross-section bad for mutual support of the Shovels as they bend and stretch easily. They also have the major disadvantage to impair the efficiency of the turbine severely by making the radial outwardly directed water threads interfere with the exit from the blades and thus also have a detrimental effect on the adjacent emerging jet sections. Rings that are placed in the bucket mouth, are so weak according to the known proposals held that they are so to speak ineffective for the mutual support of the blades are;. with stronger training they either interfere with the incoming beam or they require a widening of the shovel mouth in the> known proposals and with it the shovel; both result in a strong reduction in efficiency. at the rings that have already been proposed and moved into the bucket mouth are the support also in this respect: an unfavorable one; than they are strongly asymmetrical and the shovel cups therefore-also insufficiently support.

Bei den bisher vorgeschlagenen Ringen fehlt durchweg eine richtig ausgebildete Einspannung oder Auflage zwischen Schaufel und Ringen, so daß eine gute Kraftübertragung an die Ringe nicht gewährleistet und die Einspannstelle zwischen Schaufel und Ring rascher Schädigung durch die Ermüdungsbeanspruchung ausgesetzt ist.The rings proposed so far are all missing one correct one trained clamping or support between the blade and rings, so that a good power transmission to the rings and the clamping point between Blade and ring subject to rapid fatigue damage is.

Die vorliegende Erfindung nun betrifft die Herstellung von Peltonturbinenrädern, bei denen die eingangs genannten schädlichen Beanspruchungen, Vibrationen, Materialermüdungen, Korrosiönen und die sich daraus ergebenden Nachteile verhütet werden. Sie macht von der bekannten Maßnahme Gebrauch, die einzelnen Schaufeln am Radumfang gegeneinander abzustützen und erzielt damit eine angenäherte Überführung der einseitig eingespannten Schaufel in den Fall der beidseitigen Einspannung. Sie vermeidet die hiermit verbundenen oben geschilderten Nachteile dadurch, daß die Abstützung in wirksamer Weise durch ein- oder mehrteilige Ringe erfolgt, welche einen in radialer Richtung hochgestellten Querschnitt haben und auf den Schaufelrippen aufsitzen. Der Querschnitt der Ringe und ihre Anordnung auf dem äußeren Schaufelurnfang zwischen dem ein-- und dem austretenden beaufschlagenden Strahle ist hierbei so getroffen, daß die üblichen günstigen Schaufelformen und Schaufelwinkel beibehalten weiden können, ohne daß der Wirkungsgrad des eintretenden bzw. der des in der Schaufel arbeitenden oder der des austretenden Strahles durch die Abstützung beeinträchtigt wird.The present invention now relates to the manufacture of Pelton turbine wheels, where the aforementioned harmful stresses, vibrations, material fatigue, Corrosion and the disadvantages resulting therefrom are prevented. she makes use of the known measure, the individual blades on the wheel circumference against each other and thus achieves an approximate transfer of the one-sided clamped Shovel in the case of bilateral restraint. It avoids the associated disadvantages outlined above in that the support in an effective manner by One-piece or multi-piece rings are made, which one raised in the radial direction Have a cross-section and sit on the blade ribs. The cross section of the rings and their arrangement on the outer scoop flap between the incoming and outgoing ones impinging jet is made here so that the usual favorable blade shapes and blade angle can be maintained without affecting the efficiency of the entering or that of the one working in the shovel or that of the exiting one Beam is affected by the support.

In der Zeichnung sind ein paar Ausführungsformen von solchen Rädern dargestellt. Die Fig. 2 und 3 geben eine Ausführungsform eines Peltonlaufrades, bei welcher die Schaufeln a eines in einem Stück gegossenen Rades am Umfang durch zwei beiderseits der Schaufelmäuler warm aufgezogene Ringe b gegeneinander abgestützt sind. Um eine möglichst große Stützfläche zu erzielen, sind dabei die Schaufelrippen c supportartig ausgebildet. Statt die Ringe warm aufzuziehen, können dieselben auch mit dein Rade, aus einem Stück gegossen werden; hierbei ergibt sich aber insbesondere bei kleinen Schaufeldimensionen der Nachteil, daß das Becherinnere nicht mehr gut bearbeitet werden kann.In the drawing are a few embodiments of such wheels shown. Figs. 2 and 3 show an embodiment of a Pelton impeller, in which the blades a of a wheel cast in one piece on the circumference two rings b, warmly drawn up on both sides of the shovel mouths, are supported against one another are. In order to achieve the largest possible support surface, the blade ribs are here c trained like a support. Instead of warming up the rings, you can do the same with your wheel, cast in one piece; but this results in particular with small shovel dimensions the disadvantage that the inside of the cup is no longer good can be edited.

Fig. q. gibt eine ähnliche Ausführungsform wie Fig. 2 und-3. Nur sind die beiden Ringe b hier aufgeschweißt.Fig. Q. gives an embodiment similar to FIGS. 2 and -3. Only are the two rings b welded on here.

Fig. 5 gibt eine Ausführungsform, bei der einzeln gegossene mit Rippen c ausgestattete Schaufelnd eines Rades mit zwei am Radumfang beiderseits der Schaufelmäuler angebrachten Abstiitzleisten b verschweißt oder verschraubt oder in einem Stück gegossen sind. Die einzelnen Leisten b sind an ihren Stirnseiten e gegeneinander abgestützt durch Verschweißen oder durch eingepaßte Keile u. dgl.Fig. 5 gives an embodiment in which individually cast with ribs c equipped shovel of a wheel with two on the wheel circumference on both sides of the shovel mouths attached support bars b welded or screwed or in one piece are poured. The individual strips b are against one another at their end faces e supported by welding or by fitted wedges and the like.

Fig.6 gibt eine der in Fig. 5 behandelten ähnliche Ausführungsform, bei der aber in einem Stück gegossene und mit Rippen c ausgestattete Doppelschaufeln d eines Rades mit zwei am Radumfang angebrachten Abstützleisten b verschweißt oder verschraubt oder in einem Stück gegossen sind: Die Stirnseiten e der Abstützleisten b können wieder, wie bereits zu Fig. 5 erwähnt, gegeneinander abgestützt werden.FIG. 6 gives an embodiment similar to that dealt with in FIG. 5, but with the double blades cast in one piece and equipped with ribs c d of a wheel with two support strips attached to the wheel circumference b welded or are screwed or cast in one piece: The end faces e of the support strips b can again, as already mentioned with regard to FIG. 5, be supported against one another.

Fig.7 gibt ein Ausführungsbeispiel eines Peltonlaufrades, bei dem die Schaufeln durch zwei Ringe ähnlich der Ausführung gemäß Fig.3 gegenseitig abgestützt werden, wobei aber Einkerbungen f in den Ringen b über entsprechende genau passende, auf den Schaufelrippen sitzende Ansätze f warm aufgezogen oder kalt aufgeschoben und dann verschweißt oder verschraubt werden.Fig.7 gives an embodiment of a Pelton impeller in which the blades are mutually supported by two rings similar to the embodiment according to FIG be, but notches f in the rings b via corresponding exactly fitting, Lugs sitting on the blade ribs f raised warm or pushed on cold and then welded or screwed.

Fig.8 gibt ein Fig.7 ähnliches Ausführungsbeispiel; statt des genauen Passens der Einkerbungen und Ansätze f' sind aber die Einkerbungen mit reichlichem Spiel ausgeführt und findet die Übertragung der Abstützung durch genau eingepaßte Keile k statt.FIG. 8 shows an exemplary embodiment similar to FIG. 7; instead of the exact Matching the notches and approaches f 'are, however, the notches with ample Run game and find the transfer of the support through precisely fitted Wedges k instead.

Die Erfindung 'würde sich naturgemäß auch dergestalt durchführen lassen, daß statt zweier Ringe oder zweier Stützleisten jeweils nur einer bzw. eine verwendet wird, wobei aber die Abstützung infolge ihrer Unsymmetrie nicht so günstig ausfällt wie bei symmetrischer Abstützung durch zwei Ringe oder zwei Stützleisten.The invention 'could of course also be carried out in such a way that that instead of two rings or two support strips only one or one is used is, but the support is not so favorable due to its asymmetry as with symmetrical support by two rings or two support strips.

Die Rippen c könnten natürlich auch auf dem Schaufelrücken auslaufen, d. h. sie brauchen nicht notwendigerweise bis zur inneren Schaufelwurzel geführt werden.The ribs c could of course also terminate on the back of the shovel, d. H. they do not necessarily have to be led to the inner blade root will.

Sinngemäß lassen sich die angeführten Ausführungsformen von Rädern, die mit ihren Becherschaufeln in -einem Stück gegossen sind, d. h. die Beispiele der Fig. 2, 3, q., 7, 8, ohne weiteres auch auf Räder mit einteilig oder mehrteilig gegossenen Becherschaufelkränzen anwenden; ebenso lassen sich die angeführten Ausführungsformen mit mehrteilig gegossenen Becherschaufelkränzen, d. h. die Beispiele der Fig. 5 und 6, sinngemäß auch bei einteilig gegossenen Rädern mit Becherschaufeln oder einteilig gegossenen Becherschaufelkränzen anwenden.The specified embodiments of wheels, which are cast in one piece with their cup blades, d. H. the examples 2, 3, q., 7, 8, easily also on wheels with one-part or multi-part use cast bucket blade rings; the cited embodiments can also be used with multi-part cast bucket blade rings, d. H. the examples of FIG. 5 and 6, mutatis mutandis also for one-piece cast wheels with bucket blades or one-piece use cast bucket blade rings.

Claims

PATENT CLAIMS: e.g. Pelton impeller with reinforcement rings around the outer blade circumference are placed, characterized in that the reinforcing rings (b) have a raised cross-section in the radial direction and on the vane ribs (c) sit up.

2. Pelton runner according to claim r, characterized in that the Reinforcement rings (b) are in several parts.