EP2064440A1 - Verfahren zur herstellung des laufrades einer wasserturbine sowie laufrad - Google Patents

Verfahren zur herstellung des laufrades einer wasserturbine sowie laufrad

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EP2064440A1
EP2064440A1 EP07801548A EP07801548A EP2064440A1 EP 2064440 A1 EP2064440 A1 EP 2064440A1 EP 07801548 A EP07801548 A EP 07801548A EP 07801548 A EP07801548 A EP 07801548A EP 2064440 A1 EP2064440 A1 EP 2064440A1
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EP
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impeller
blade
rotor
free ends
stumps
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Withdrawn
Application number
EP07801548A
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Hans-Günther POLL
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Voith Hydro Holding GmbH and Co KG
Original Assignee
Voith Siemens Hydro Power Generation GmbH and Co KG
Voith Hydro Holding GmbH and Co KG
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Publication date
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    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
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    • F03B3/125—Rotors for radial flow at high-pressure side and axial flow at low-pressure side, e.g. for Francis-type turbines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/006—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass turbine wheels
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    • Y10T29/49316—Impeller making
    • Y10T29/49336—Blade making
    • Y10T29/49337—Composite blade

Definitions

  • the invention relates to the field of water turbines. It relates in particular to a Francis turbine. Also pump turbines come into consideration.
  • Such an impeller is composed of an impeller rim, an impeller bottom and a plurality of arranged between these two blades, which are spatially curved.
  • the impeller must withstand all mechanical loads. Such mechanical stresses are due to high hydraulic forces, mechanical influences, e.g. by foreign bodies, which are in the flowing water, as well as by cavitation. Numerous efforts have been made to reduce the risk of cavitation by appropriate design of the flow paths, in particular the blades. For example, reference is made to WO 98/05863.
  • the invention has for its object to provide a method by which an impeller for a Francis turbine can be produced, with all the requirements in terms of mechanical strength, dimensional accuracy and optimum hydraulic design are met, with the lowest possible cost.
  • the two parts are discs of a corresponding metal, such as martensitic stainless steel.
  • the discs are generally circular discs. Each disc is a monolithic body by itself.
  • One of the two circular disks has an outer diameter which is equal to the outer diameter of the rim of the impeller or slightly larger.
  • the other disc has an outside diameter equal to or slightly larger than the outside diameter of the bottom.
  • the two circular discs are then subjected to a machining process.
  • the wheel rim of the impeller to be produced is worked out of the one circular disk, together with stumps of those blades, which are assigned to the wreath.
  • From the other disc of the impeller floor is worked out, together with stumps of those blades, which are assigned to the impeller floor.
  • the stumps of the floor and the wreath are designed in such a way that in each case a blade stump of the bottom and one of the ring complement each other to a complete blade.
  • the mechanical processing is done for example by means of CNC machines.
  • the mechanical processing gives two parts of the impeller to be produced. These parts are brought together in such a way that the free ends of the blade stubs of the wheel base are opposite the free ends of the blade stubs of the wheel rim. Then the free ends of the blade stubs are welded together.
  • the cut surface along which the blade stub ends are joined may be a plane that is perpendicular to the axis of rotation of the impeller. But it can also be a conical surface, which - based on the stationary impeller - tapers down. To be particularly favorable, a concave conical surface has been found.
  • the invention achieves the following in detail: -
  • the production costs are much cheaper compared to conventional manufacturing processes.
  • the free ends of the blade stumps are above. If voids or gas bubbles are present, they are also at the top, i. at the free ends of the blade stumps; With appropriate oversizing, these areas are removed during mechanical processing.
  • the production can be done quickly, resulting in low delivery times.
  • FIG. 1 shows a Francis turbine in an axial section.
  • Figure 2 shows the impeller of the Francis turbine in an enlarged view.
  • Figure 3 shows the shape of the free end of a blade stub.
  • FIG. 4 shows the free end of another blade stump.
  • FIG. 5 shows a blank as an intermediate for producing the
  • Impeller bottom with associated vane stumps Impeller bottom with associated vane stumps.
  • FIG. 6 shows a blank as an intermediate product for producing the impeller rim with associated blade stubs.
  • Figure 7 shows the one, finished part of an impeller, comprising the
  • Figure 8 shows the other, finished part of an impeller, comprising the rim with blade stumps in perspective view.
  • Figure 9 shows the assembled from the two parts finished impeller in a perspective view.
  • the Francis turbine shown in Figure 1 is constructed as follows: The impeller 1 is rotatably mounted about a rotation axis 3. Impeller 1 is surrounded by a spiral housing 4. In addition, the impeller 1 is preceded by a ring of vanes.
  • the turbine has a suction pipe 6.
  • This includes an inlet diffuser 6.1 with a subsequent thereto manifold 6.2 and in turn here subsequent suction box,
  • the impeller has a plurality of blades 7, further comprising an impeller bottom 8 and an impeller rim 9.
  • the impeller bottom 8 is suspended by tie rods 2.
  • Each blade 7 is assembled from two blade stumps, namely a blade stump 7.1, which is integral with the bottom 8 and a blade stump 7.2, which is part of the impeller ring 9.
  • the numerous blade stump pairs 7.1 and 7.2 are joined together along a contact surface 10 by welding.
  • Figure 5 shows a blank 11. This is an intermediate for the
  • Figure 6 shows a blank 12 as an intermediate product for the impeller ring 9.
  • the two blanks 11 and 12 have substantially the shape of circular discs. They are made by casting or forging. They are subjected to mechanical processing, for example by means of CNC machines. From the blank 11 of the impeller bottom 8 is formed with this molded blade stump 7.1. From the blank 12 of the wreath 9 is formed with this molded blade stump 7.2.
  • FIG. 7 shows the rotor bottom 11 with blade stubs 7.1 formed thereon
  • FIG. 8 shows the rotor ring 12 with blade stumps 7.2 formed thereon.
  • the free ends of the blade stumps 7.1, 7.2 can be prepared in different ways - see Figures 3 and 4.
  • All contact surfaces 10 are in the present case on the lateral surface of a cone (conical surface), which is concave.
  • the contact surface 10 could also be designed differently. For example, it could lie on a conical surface that is purely conical, thus neither concave nor convex. The contact surface between two mutually facing blade stumps 7.1 and 7.2 would thus be a straight line.
  • the contact surface 10 could lie between the totality of all blade stumps in a horizontal plane, which thus extends perpendicular to the axis of rotation 3.
  • the contact surface extends in such a way that it is represented in FIG. 1 as a line which drops from the flowed-on edge of the individual blade 7 to the trailing edge. It could also rise.

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Abstract

Es wierd ein Verfahren zum Herstellen eines Laufrades für eine Francisturbine, vorgesteelt, die einen Laufradboden, einen Laufradkranz sowie Lauf schaufeln umfasst. Das Verfahren kennzeichnet sich durch die folgenden Wesentlichere Merkmale aus: - es werden zwei Scheibenkörper aus Metall geformt; - die beiden Körper werden einem solchen spanabhebenden Bearbeitungsprozess unterworfen, dass aus dem einen Körper der Laufradboden mit daran angeformten Schaufel Stümpfen entsteht, und dass aus dem anderen Körper der Laufradkranz mit daran angeformten Schaufelstümpfen entsteht, so dass sich jeweils ein Schaufelstumpf des Lauf radbodens und ein Schaufelstumpf des Laufradkranzes zu einer vollständigen Schaufel ergänzen; - die beiden bearbeiteten Teile werden derart einander zugeordnet, dass die freien Enden der Schaufelstümpfe, die dem Laufradboden angeformt sind, den freien Enden der Schaufelstümpfe, die dem Laufradkranz angeformt sind, gegenüberstehen; - die einander zugewandten freien Enden werden miteinander verschweißt.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DES LAUFRADES EINER WASSERTURBINE
SOWIE LAUFRAD
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 Herstellungsverfahren ab.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem ein Laufrad für eine Francisturbine hergestellt werden kann, wobei alle Anforderungen bezüglich der mechanischen Festigkeit, der Maßhaltigkeit und einer optimalen hydraulischen Gestaltung erfüllt werden, bei möglichst niedrigen Herstellungskosten.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Demgemäß geht man bei dem Herstellen des Laufrades von zwei Teilen aus, die entweder gegossen oder geschmiedet werden. 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 werden sodann einer spanabhebenden Bearbeitung unterworfen. Dabei wird aus der einen Kreisscheibe der Laufradkranz des zu erzeugenden Laufrades herausgearbeitet, nebst Stümpfen jener Schaufeln, die dem Kranz zugeordnet sind. Aus der anderen Scheibe wird der Laufradboden herausgearbeitet, nebst Stümpfen jener Schaufeln, die dem Laufradboden zugeordnet sind. Die Stümpfe des Bodens und des Kranzes werden 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 werden derart zusammengeführt, dass die freien Enden der Schaufelstümpfe des Laufradbodens den freien Enden der Schaufelstümpfe des Laufradkranzes gegenüberliegen. Sodann werden die freien Enden der Schaufelstümpfe miteinander verschweißt.
Die Schnittfläche, entlang welcher die Schaufelstumpf-Enden zusammengefügt werden, 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:
Figur 1 zeigt eine Francisturbine in einem Axialschnitt.
Figur 2 zeigt das Laufrad der Francisturbine in vergrößerter Darstellung.
Figur 3 zeigt die Gestalt des freien Endes eines Schaufelstumpfes.
Figur 4 zeigt das freie Ende eines anderen Schaufelstumpfes. Figur 5 zeigt einen Rohling als Zwischenprodukt zum Herstellen des
Laufradbodens mit zugehörenden Schaufelstümpfen.
Figur 6 zeigt einen Rohling als Zwischenprodukt zum Herstellen des Laufradkranzes mit zugehörenden Schaufelstümpfen.
Figur 7 zeigt das eine, fertige Teil eines Laufrades, umfassend den
Laufradboden mit Schaufelstümpfen in perspektivischer Darstellung.
Figur 8 zeigt das andere, fertige Teil eines Laufrades, umfassend den Kranz mit Schaufelstümpfen in perspektivischer Darstellung.
Figur 9 zeigt das aus den beiden Teilen zusammengefügte fertige Laufrad in perspektivischer Darstellung.
Die in Figur 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 Figur 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.
Figur 5 zeigt einen Rohling 11. Dieser ist ein Zwischenprodukt für den
Laufradboden 8. Figur 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 Figuren 7 und 8 zeigen die beiden Teile, die nach ihrer Herstellung zusammenzufügen sind. Figur 7 zeigt den Laufradboden 11 mit daran angeformten Schaufelstümpfen 7.1 , und Figur 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 Figuren 3 und 4. Bei dickeren Schaufelprofilen wird man eher die Gestaltung gemäß Figur 3 verwenden, und bei dünneren Schaufelprofilen eher die Kontur gemäß Figur 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 Figur 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.
Bezugszeichenliste
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

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Laufrades (1) für eine Francisturbine, die einen Laufradboden (8), einen Laufradkranz (9) sowie Laufschaufeln (7) umfasst; gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
1.1 es werden zwei Scheibenkörper (11 , 12) aus Metall geformt;
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) werden einem solchen spanabhebenden Bearbeitungsprozess unterworfen, dass aus dem einen Körper (11) der Laufradboden (8) mit daran angeformten Schaufelstümpfen (7.1) entsteht, und dass aus dem anderen Körper (12) der Laufradkranz (9) mit daran angeformten Schaufelstümpfen (7.2) entsteht;
1.5 die Schaufelstümpfe (7.1) des den Laufradboden (8) bildenden Teiles, und die Schaufelstümpfe (7.2) des den Laufradkranz (9) bildenden Teiles werden 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 werden 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 werden miteinander verschweißt.
2. Verfahren 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 werden.
3. Verfahren 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.
4. Verfahren 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.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Konusfläche konkav ist.
6. 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.
EP07801548A 2006-09-22 2007-08-08 Verfahren zur herstellung des laufrades einer wasserturbine sowie laufrad Withdrawn EP2064440A1 (de)

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DE102006044943 2006-09-22
PCT/EP2007/007003 WO2008034492A1 (de) 2006-09-22 2007-08-08 Verfahren zur herstellung des laufrades einer wasserturbine sowie laufrad

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EP (1) EP2064440A1 (de)
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WO (1) WO2008034492A1 (de)

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