NO309493B1 - Fremgangsmåte og emne for fremstilling av löpehjul for Peltonturbin - Google Patents

Abstract

Fremstilling av løpehjul for peltonturbin omfattende en navskive (1) og et antall skovlkopper (2A) rundt periferien av navskiven. Et rundt, skiveformet utgangsemne (1,2) med ytre diameter i det minste lik ytterdiameteren av det ferdige løpehjul, maskineres for utforming av skovlkoppene (2A). Det anvendes et utgangsemne som rundt periferien har et aksielt tykkere parti (2) enn tykkelsen av navskiven (1) forøvrig, mens maskineringen for utforming av skovlkoppene (2A) i det vesentlige omfatter dykkfresing (5) i det aksielt tykkere parti (2).

Description

Oppfinnelsen vedrører generelt fremstilling av et løpe-hjul for peltonturbiner som omfatter et visst antall identiske skovlkopper festet på periferien til en navskive. Skovlkoppenes funksjon er å omsette vannets hastighetsenergi til trykk som igjen gir moment på løpehjulet. Navskiven forbinder alle skovlkoppene og fungerer som et feste for løpehjulet til akslingen. Navskiven overfører momentet fra skovlkoppene til rotasjon på akslingen.

Oppfinnelsen omfatter en ny form på et utgangsemne før maskinering, særlig støpt eller eventuelt smidd for et løpe-hjul, og videre ikke minst en fremgangsmåte ved fremstilling av et løpehjul.

Å produsere et løpehjul beregnet for vannturbiner er en langvarig og krevende prosess. Produksjonstiden kan typisk være ett til to år. Å produsere et slikt løpehjul formriktig og raskt og med minst mulig feil har alltid vært et stort problem.

KJENT TEKNIKK

I dag er det hovedsaklig tre metoder som benyttes for å produsere Pelton-løpehjul: 1) Den mest anvendte metoden er helstøpte løpehjul. Her blir løpehjulet med skovler støpt i ett stykke og siden slipt til endelig geometri eller maskinert først og deretter slipt til endelig geometri. 2) Løpehjulet kan også lages av flere biter som sveises sammen . Det er vanlig da å enten sveise på både skovlkoppens sidestykker og ytterdel eller bare skovlkoppens sidestykker. Her nevnes følgende patenter og artikler: - NO-PS 982605 (Voest-Alpine Machinery) beskriver produksjon av Pelton-løpehjul hvor både skovlenes sidestykker og ytterdel påsveises. - EP 0 892 173 Al (Voith Riva Hydro) omhandler en produksjonsmetode for Pelton-løpehjul hvor skovlene bygges opp av påsveiste deler. - DP l 086 640 (Voith 1960) omhandler en produksjonsmetode for Pelton-løpehjul hvor skovlenes sidestykker lages av

presset platemateriale, støpte eller smidde deler og deretter påsveises navskiven. - NP - 922362 (Sulzer Escher Wyss) omhandler en produksjonsmetode for Pelton-løpehjul hvor skovlene påsveises navskiven.

Artikkel (av.Alsthom) i Hydro Power & Dams Vol. 2, issue 1 January 1995 p. 25. Artikkelen omhandler en produksjonsmetode for Pelton-løpehjul hvor løpehjulet maskineres fra en massiv skive og hvor deretter skovlkoppenes sidestykker påsveises.

Artikkel (av FRAVIT) i Hydro Power & Dams, Vol. 3, 1999 p. 82. Artikkelen omhandler en produksjonsmetode for Pelton-løpehjul fra en smidd jevntykk skive hvor skovlene maskineres ut med konvensjonell NC-maskinering. 3. Løpehjulet kan også lages ved at navskiven sammen med skovlkoppens rotparti smies i ett stykke. Skovlkoppens rotparti blir deretter maskinert ut fra det smidde emnet mens resten av skovlen bygges opp av sveisemateriale, se NO 920.259 (Sulzer).

PROBLEM MED DAGENS TEKNIKK

Å helstøpe løpehjul med tilnærmet ferdige skovler har en rekke ulemper. De to viktigste ulempene er forbundet med problemer av rent støpeteknisk art og bearbeiding for å unngå geometrisk formawik.

Geometriunderlag støperi

Med det tradisjonelle hel-støpte løpehjulet må støperiet ha en fullstendig 3 dimensjonal beskrivelse av skovlkoppenes geometri. Å fremskaffe denne geometrien i form av tegninger eller i form av en elektronisk beskrivelse er svært tidkrevende. Dermed tar det lang tid mellom det tidspunkt hvor løpehjul-produsenten starter prosessen med å produsere et løpehjul til støperiet har geometribeskrivelsen for å kunne starte støpe-prosessen.

Matere og raisere

For å gjøre et tradisjonelt avstøp av et løpehjul tren-ger man matere og raisere for hver skovlkopp for å få god nok kvalitet på avstøpet. Dermed blir systemet av matere og raisere svært omfattende og dermed kostbart.

Sveisefeil og sveisereparasjon

Støping av en så komplisert form som et løpehjul av noe størrelse fører som regel til mange porer og andre støpefeil. Disse støpefeil er den største årsaken til at sprekker og brudd oppstår i løpehjulet. Støpefeil i løpehjul er dermed et stort problem. Å utbedre støpefeil i form av reparasjon-sveising på materialet som benyttes til Pelton-løpehjul er både tidkrevende og kostbart.

Ultralyd

Dessuten er det svært vanskelig å utføre ikke-destruktiv testing ved hjelp av ultralyd på det tradisjonelle Pelton-støpegodset på grunn av dets kompliserte overflategeometri. Det er for det tradisjonelle støpte løpehjulet vanskelig å få god kontakt mellom ultralydhodet og underlaget på grunn av en geometri med små krumningsradier. Det er i tillegg vanskelig å sikre at hele geometrien er kontrollert med ultralyd. Det er lett å overse enkelte områder når geometrien er komplisert og uoversiktlig.

Geometri

Et moderne løpehjul har en meget komplisert geometrisk form. Dette er for å oppnå god virkningsgrad og for å unngå kavitasjoner eller andre hydrauliske forstyrrelser av vannveien. I tillegg er det viktig med en geometrisk form som gir den nødvendige mekaniske styrke for å tåle den store påkjen-ningen skovlene er utsatt for.

Løpehjulet støpes gjerne med så store toleranser at man kan maskinere og slipe skovlkoppene til riktig geometri hver for seg. Det er et problem at de ferdig slipte koppene ikke er lokalisert riktig i forhold til hverandre og videre at skovlkoppene har ulik deling rundt periferien eller er rotert om en akse i forhold til hverandre etter at den endelige skovl-geometrien er oppnådd.

Dette fører til redusert virkningsgrad og større mulig-heter for kavitasjon. Dessuten er det uheldig med hensyn på løpehjulets evne til å tåle den påkjenning det blir utsatt for. Hver skovlkopp får ved individuelle geometriske forskjeller ulik spenningsfordeling som fører til spennings-konsentrasjoner for enkelte skovlkopper, noe som igjen kan føre til sprekker og brudd.

Maskinering

Por å fjerne store mengder overflødig materiale på et støpt løpehjul-emne benyttes i dag konvensjonell NC-maskinering, som er definert ved at verktøybanen er tilnærmet radiell ut fra frese-verktøyet. Denne frese metoden har liten avsponing og er dermed svært tidkrevende der hvor mye materiale skal fjernes.

Sliping

For å oppnå riktig geometrisk form på vannveien må det også slipes manuelt. Formen må til slutt kontrolleres med maler. Selve slipingen er en meget tidkrevende og kostbar operasjon. I tillegg representerer slipingen et miljøproblem for den som skal slipe, både i form av arbeidsstilling og støvplager.

Påsveiste deler

Ved at skovlkoppenes sidestykker eller ytterdeler er påsveiste, innføres en prosess i tillegg til støpe/smie-prosessen som er en kilde til porer og materialfeil. I tillegg er det et problem at sveiseprosessen tilfører konstruk-sjonen så mye varme at den deformeres. Dermed blir det vanskelig å sikre en korrekt geometri. Denne prosessen er også svært tidkrevende og kostbar.

Oppbygging med sveis

Problemet med å bygge opp skovlkoppen med sveis er at sveisematerialet har svært liten seighet. Dette kan føre til et raskere brudd i skovlkoppen. Sveiseprosessen kan også føre til porer og andre sveisefeil som vil være en kilde til sprekker og skovlbrudd. Sveisemateriale er i tillegg svært dyrt og det tar lang tid å legge på tilstrekkelig sveis til å bygge opp samtlige skovlkopper.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å eliminere de foran nevnte ulemper og å muliggjøre et løpehjul henholdsvis dets fremstilling på en kostnadsgunstig, virknings-gradsgunstig og styrkemessig gunstig måte.

En særlig hensikt med oppfinnelsen er å muliggjøre en fremstilling av et løpehjul ved bruk av støpegods eller eventuelt smigods på en fremstillingsteknisk, kostnadsmessig og virkningsgradsmessig gunstig måte. Støping er ifølge oppfinnelsen sterkt å foretrekke, slik det vil fremgå av det følgende.

Nærmere bestemt tar således oppfinnelsen utgangspunkt i en fremgangsmåte ved fremstilling av løpehjul for peltonturbin omfattende en navskive og et antall skovlkopper rundt periferien av navskiven, idet et rundt, skiveformet utgangsemne med ytre diameter i det minste lik ytterdiameteren av det ferdige løpehjul, maskineres for utforming av skovlkoppene. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at det anvendes et utgangsemne som rundt periferien har et aksielt tykkere parti enn tykkelsen av navskiven forøvrig, og at maskineringen for utforming av skovlkoppene i det vesentlige omfatter dykkfresing i det aksielt tykkere parti. Den foretrukne form for dykkfresing er å la freseverktøyet bevege seg i en bane tilnærmet parallelt med verktøyets egen akse. For å kunne fjerne alt ønskelig materiale benyttes tredimensjonal fresing en i femakset fresemaskin.

Emnet

Ifølge oppfinnelsen foreslås det også en fremstilling av et løpehjul innbefattende skovlkopper og navskive, som inne-bærer at utgangsemnet har en prinsipiell rotasjons- symmetrisk form som omskriver hele det ferdig tilvirkede løpehjulet inklusive navskive og samtlige skovlkopper. Emnet kan modifi-seres noe fra den "ideelle" sirkulære form, ved å ha mindre utsparinger for mellomrommet mellom skovlkoppene. Dette kan særlig være fordelaktig ved støping av store emner, sammen-lignet med tilsvarende smidde emner. Nærmere bestemt er emnet for fremstilling av løpehjul for en peltonturbin, ifølge oppfinnelsen kjennetegnet ved at det har en rund skiveform med et aksielt tykkere periferisk parti enn tykkelsen av navskiven forøvrig.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere i form av et utførelseseksempel, hvor: Fig. 1 viser et snitt av utgangsemnet før maskinering.

Fig. 2 viser kontroll av utgangsemnet med ultralyd.

Fig. 3 viser dykkfresing av gods mellom hver skovlkopp.

Fig. 4 viser et ferdig frest løpehjul, og

Fig. 5 viser en modifisert form for utgangsemne.

På fig. 1 vises halvparten av tverrsnittet av et utgangsemne omfattende den egentlige navskive 1 og et tilhø-rende, integrert periferisk parti 2 som i aksiell retning har vesentlig større tykkelse enn skiven 1. Ved 3 indikeres rotasjonsaksen for det løpehjul som skal fremstilles, idet aksen 3 også er symmetriakse for utgangsemnet 1,2. Mens den egentlige navskive 1, bortsett fra festehull for bolter, maskineres videre i mindre grad, utgjør det tykkere parti 2 det gods som skal maskineres videre i vesentlig grad for å danne skovlkoppene i et ferdig Pelton-løpehjul.

Det vil være mulig å fremstille et slikt emne ved smiing, men ifølge oppfinnelsen er det langt foretrukket å støpe emnet, særlig i betraktning av at tverrsnittsformen avviker betydelig fra en ren skiveform. På dette punktet er det av betydning at det tykkere parti 2 foretrekkes å være minst dobbelt så tykt som navskiven 1, sett i akseretningen 3. Dermed vil partiet 2 muliggjøre en tildannelse av ønskete antall skovler hvis ytre kontur sett i samme snittplan som på fig. 1, ligger omskrevet innenfor ytterkonturen av partiet 2. Dettes kontur er vist noe kantet på fig. 1, men ved støping vil det hensiktsmessig sørges for visse avrundinger av kontu-rene .

Etter støping av emnet på fig. 1 og eventuelt noe grov-maskinering, blir det foretatt ikke-destruktiv testing, hvor særlig ultralyd-testing er aktuelt, slik som illustrert på fig. 2. Her er et ultralydhode 4 vist plassert mot en flate på det aksielt tykkere parti 2, med indikasjon av ultralyd-bølgenes forplantning i godset. Denne form for utgangsemne er velegnet for slik kontroll, slik at eventuelle støpefeil i materialet kan avdekkes.

Fig. 3 viser skjematisk hvordan maskinering av skovlkoppene 2A foretaes ved hjelp av dykkfresing, idet fresema-skinen er representert på figuren bare ved en holdedel 5 og selve dykkfrese-verktøyet 5A. I tillegg til rotasjon av verktøyet 5A utfører dette en aksiell bevegelse som antydet med piler på figuren. Holderen 5 med selve verktøyet 5A kan på vanlig måte instilles med varierende vinkler og stillinger i forhold til skovlkoppen 2A som arbeidsstykke, slik det er kjent ved femaksede fresemaskiner.

Et ferdig maskinert løpehjul er vist i oppriss og delvis snitt på fig. 4. En enkelt skovlkopp 2A er særskilt markert. Løpehjulet omfatter således et større antall identiske skovlkopper 2A.

Til ytterligere illustrasjon viser fig. 5 i oppriss et utgangsemne 1 med en inntegnet skovlkopp 2A slik denne vil fremkomme ved dykkfresing som forklart ovenfor. Utgangsemner ifølge oppfinnelsen er i prinsippet utformet, særlig støpt, med en sirkulær ytre periferi, som vist ved 10 på fig. 5. En slik ren rotasjonssymmetri vil som forklart ovenfor, gi den enkleste og billigste støping. Imidlertid vil det i noen tilfeller kunne være en fordel å tildanne mindre utsparinger eller bølgeformer ved støpingen, slik at fordypninger som vist ved 11, 12 og 13 på fig. 5, vil være tilstede i utgangsemnet . Disse fordypningene blir plassert der hvor mellomrom mellom skovlene 2A beregnes å ligge. På denne måten blir maskineringen noe billigere og mindre tidkrevende, fordi det er mindre gods som skal fjernes for å tildanne skovlene 2A. Fortsatt blir imidlertid disse sin helhet formet ved dykkfresing som nevnte. Nærmere bestemt blir både de nødvendige mellomrom mellom skovlkoppene og skovlkoppene selv dykkfrest til riktig form og dimensjon. Som det vil innsees av fagfolk, er det særlig viktig at skovlkoppene innvendig blir nøyaktig maskinert. Sliping er som kjent en nødvendig avsluttende operasjon i så måte.

Geometriunderlag støperi/smie

Siden geometrien for det støpte/smidde emnet er svært mye enklere enn det tradisjonelle støpte løpehjulet hvor skovlkoppens geometri er beskrevet i detalj, vil tiden som går med til å ta frem geometrien som danner utgangspunktet for støpe-ri/smie reduseres betraktelig. Den geometrien som støperi eller smie skal ha, er bare et omriss av hele løpehjulet som er rotasjons-symmetrisk om løpehjulets senterlinje 3. Se fig. 1.

Støpeteknisk (tid, støpeform)

Ved at utgangsemnet støpes i en rotasjons-symmetrisk form oppnår man flere fordeler. Støpeformene har for denne metoden en svært mye enklere geometri og kan lages svært mye raskere enn ved konvensjonell fremstilling i henhold til metode 1) som er omtalt innledningsvis.

Matere og raisere

Støpeteknisk blir det nødvendige systemet av matere og raisere for tilførsel av smelte til støpeformen mye enklere. Det gjør at prosessen blir svært mye billigere og mindre tidkrevende.

Støpeteknisk (støpefeil, sveisereparasjon)

Den massive formen av utgangsemnet representerer på grunn av den enkle geometrien og den kompakte formen en støpe-tek-nisk enklere oppgave. Det medfører at man vesentlig reduserer sannsynligheten for støpefeil i avstøpet. Dermed reduseres sannsynligheten for sprekker og brudd i løpehjulet under drift. I tillegg reduseres også antall sveisereparasjoner.

Ultralyd

Det massive støpe-godset består av plane eller koniske flater med stor eller uendelig krumningsradius. På disse flatene er det svært enkelt å gjennomføre ikke-destruktiv testing ved hjelp av ultralyd. Emnet er svært oversiktlig, så det er enkelt å sikre at 100% av emnet er kontrollert. Dermed vil alle feil som det er mulig å finne ved hjelp av ultralyd oppdages. Dette reduserer sannsynligheten for sprekker og brudd i løpehjulet vesentlig. En annen viktig fordel med denne metoden er at man med den enkle geometriske formen på utgangsemnet kan automatisere ultralyd-testingen. Dermed kan denne prosessen utføres raskt, sikkert og kostnadseffektivt.

Dykkfresing

Ved at frese-verktøyet går aksielt inn i emnet (se fig. 3) kan man fjerne mer materiale per kutt. Verktøyet tåler større påkjenning i denne aksielle retningen og kan dermed være i et større inngrep i emnet (dvs. flere verktøy-skjær i inngrep). Kombinasjonen av formen på løpehjulet og at det er så store masser som skal maskineres bort, gjør at dykkfresing egner seg svært godt. Dermed reduseres maskineringstiden til om lag det halve. Det fører også til at oppspenningen av emnet forenkles og at tiden for dette også reduseres.

Geometri

En viktig fordel med oppfinnelsen er at man oppnår en helt perfekt vannvei på skovlkoppens over- og underside da den ferdige vannveien kan tilveiebringes som et resultat av en tredimensjonal fresing i en femakset maskin. Det vil heller ikke bli noen individuelle forskjeller mellom skovlkoppene og de vil alle være plassert korrekt i forhold til hverandre. En slik bedret geometri har betydning for turbinens virkningsgrad. Løpehjul av den typen det her er tale om vil typisk være i drift i 10-30 år. Bare små virkningsgradsforbedringer vil derfor være av meget stor økonomisk betydning.

Det er også en fordel at alle skovlkoppene er identiske og riktig plassert i forhold til hverandre med hensyn på spenningsfordelingen i løpehjulet. Løpehjulet vil nå få en identisk spenningsfordeling for alle skovlkopper uten noen form for spenningskonsentrasjon som følge av geometriske ulikheter på skovlkoppene. Dette vil redusere sannsynligheten for sprekker og brudd i løpehjulet og vil dermed øke løpe-hjulets levetid. En sprekk eller et brudd som oppstår under drift av turbinen må umiddelbart repareres. Dermed må turbinen stanses og resultatet er store inntektstap.

Ingen sveiser

Det at løpehjulet består av et massivt stålstykke uten påsveiste deler har vesentlige fordeler. Man unngår dermed sveisesoner med innebygde spenninger og fare for sveisefeil. I tillegg vil geometrien ikke påvirkes av trekninger i materialet på grunn av høye sveisetemperaturer.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av løpehjul for peltonturbin omfattende en navskive (1) og et antall skovlkopper (2A) rundt periferien av navskiven, idet et rundt, skiveformet utgangsemne (1,2) med ytre diameter i det minste lik ytterdiameteren av det ferdige løpehjul, maskineres for utforming av skovlkoppene (2A), karakterisert ved at det anvendes et utgangsemne som rundt periferien har et aksielt tykkere parti (2) enn tykkelsen av navskiven (1) forøvrig, og at maskineringen for utforming av skovlkoppene (2A) i det vesentlige omfatter dykkfresing (5) i det aksielt tykkere parti (2).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at utgangsemnet (1,2) fremstilles ved støping.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at det aksielt tykkere parti (2) er i det minste dobbelt så tykt som navskiven (1) forøvrig.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at den ytre periferi av utgangsemnet er sirkulær.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at den ytre periferi (10) av utgangsemnet (1,2 ) er i prinsippet sirkulær, men utformet med fortrinnsvis avrundede utsparinger eller bølgeformede fordypninger (11,12,13) på steder svarende til beregnede plasseringer av mellomrom mellom skovlkoppene (2A) .

6. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at dykkfresingen (5) foretas ved tredimensjonal fresing i en femakset fresemaskin.

7. Emne for fremstilling av løpehjul for en peltonturbin, karakterisert ved at det har en rund skiveform med et aksielt tykkere periferisk parti (2) enn tykkelsen av navskiven (1) forøvrig.

8. Emne ifølge krav 7, karakterisert ved at det er fremstilt ved støping.

9. Emne ifølge krav 7 eller 8, karakterisert ved at det aksielt tykkere periferiske parti (2) er i det minste dobbelt så tykt som navskiven (1) forøvrig.

10. Emne ifølge krav 7, 8 eller 9, karakterisert ved at det har en ytre periferi (10) som i prinsippet er sirkulær, men eventuelt er utformet med fortrinnsvis avrundede utsparinger eller bølgeformede fordypninger (11,12,13) på steder svarende til beregnede plasseringer av mellomrom mellom skovlkoppene (2A) .