DE102006050203A1

DE102006050203A1 - Hydraulische Maschine

Info

Publication number: DE102006050203A1
Application number: DE102006050203A
Authority: DE
Inventors: Bodo Quaschnowitz
Original assignee: Voith Hydro Holding GmbH and Co KG; Voith Hydro GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Hydro Holding GmbH and Co KG
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2008-04-30
Also published as: CA2667497A1; CO6180471A2; CA2667497C; RU2450157C2; CN101548095A; BRPI0718132A2; WO2008049479A1; RU2009119455A; EP2089631A1; CN101548095B; MX2009004315A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Maschine
- mit einem Laufrad, das eine Vielzahl von Schaufeln aufweist;
- mit einem Spiralgehäuse, das das Laufrad umschließt und gegen dieses hin durch einen umlaufenden Schlitz offen ist, gebildet aus zwei umlaufenden Kanten;
- mit einem Traversenring, umfassend zwei Traversenringdecks, die durch Zuganker miteinander verbunden sind;
- das Spiralgehäuse ist im Bereich der umlaufenden Kanten an Anschlussflächen der Traversenringdecks angeschlossen.
Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- Die Bereiche der umlaufenden Kanten sind derart gestaltet und/oder angeordnet, dass diese beiden zur Drehachse des Laufrades parallel verlaufen oder mit dieser einen Winkel α von maximal 11° bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Maschine, insbesondere eine Wasserturbine, Pumpturbine oder Pumpe, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Dabei kann es sich um Maschinen der Francis-Bauart oder der Kaplan-Bauart oder um sonstige Maschinen handeln. Wesentlich ist, dass es um Maschinen mit einem Spiralgehäuse geht.
Als Beispiel wird auf US-A-4 496 282 oder auf DE 199 50 228 A1 verwiesen.
Das Spiralgehäuse einer solchen Maschine umschließt das Laufrad. Es liegt in einer zur Drehachse des Laufrades senkrechten Ebene. Da die Laufradachse im allgemeinen vertikal verläuft, handelt es sich dabei um eine horizontale Ebene.
Das Spiralgehäuse ist auf seiner Innenseite gegen das Laufrad hin offen. Es weist somit einen Schlitz auf, der um den inneren Umfang des Spiralgehäuses herumläuft, so dass Medium aus dem Spiralgehäuse durch den Schlitz auf dem gesamten inneren Umfang zum Laufrad strömen kann. Der Schlitz ist somit durch zwei umlaufende Kanten definiert.
An den genannten Schlitz schließt sich in Strömungsrichtung gesehen ein Traversenring an. Diese umfasst zwei Traversenringdecks, die zur Drehachse des Laufrades konzentrisch angeordnet sind und einen gegenseitigen Abstand in axialer Richtung haben. Die Decks sind durch Zuganker miteinander verbunden, sogenannte Traversen. Außerdem ist jede der genannten umlaufenden Kanten des Spiralgehäuses mit einem der beiden Traversenringdecks fest verbunden.
Der Traversenring dient dazu, ein Aufweiten des Spiralgehäuses unter dem hohen Innendruck zu verhindern.
Es wirken somit Kräfte auf die genannten Zuganker ein, ferner auf die Verbindungsstelle zwischen dem betreffenden Traversenringdeck und der zugehörenden umlaufenden Kante des Spiralgehäuses. Die Verbindung muss absolut zuverlässig ausgeführt sein und hohen Kräften Stand halten. Dabei ist zu berücksichtigen, dass im Spiralgehäuse auch Druckschwankungen oder Druckschwingungen auftreten können.
Es wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, die Verbindung dauerhaft und zuverlässig zu gestalten, bei geringstmöglichem Materialeinsatz. Im allgemeinen handelt es sich um eine Schweißverbindung zwischen der betreffenden umlaufenden Kante des Spiralgehäuses und dem zugehörenden Traversenringdeck. Die Herstellung dieser Verbindung hat sich als aufwändig erwiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Maschine der eingangs genannten Art, die ein Spiralgehäuse und einen Traversenring aufweist, derart zu gestalten, dass die Verbindung zwischen den umlaufenden Kanten des Schlitzes des Spiralgehäuses und den zugehörenden Traversenringdecks noch sicherer ist, als bei bekannten Maschinen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Demgemäß werden die Bereiche der umlaufenden Kanten des Spiralgehäuses – in einem Axialschnitt gesehen – derart gestaltet, dass sie annähernd parallel zur Drehachse des Laufrades verlaufen. Eine geringfügige Abweichung von der Parallelität ist zulässig. Sie sollte jedoch nicht mehr als 11 Grad betragen. Bereits eine kleine Abweichung von 1, 2, 3, 4, 5, 6 Grad kann zweckmäßig sein, indem Sinne, dass die umlaufende Kante geringfügig gegen die Drehachse des Laufrades hinweist. In der Praxis wird man sich zwischen 5 und 11 Grad bewegen.
Das Spiralgehäuse ist üblicherweise aus Segmenten zusammengesetzt. In einem Axialschnitt gesehen haben die Segmente annähernd Kreisform, natürlich abgesehen von den Kantenbereichen. Außerhalb der Kantenbereiche können die Segmente aber auch eine von der Kreisform abweichende Gestalt haben, wie sich aus den Figuren ergibt.
Durch die Erfindung ergeben sich die folgenden Vorteile:
Die Spannungen in dem gesamten Spiralgehäuse sind weitgehend gleichförmig. Die auf die Traversen ausgeübten Kräfte und Momente erreichen ein Minimum. Im Bereich der Anschlussstelle zwischen den Kanten des Spiralgehäuses und den Traversenringen treten geringere Biegespannungen auf.
Aufgrund der gleichmäßigen Spannungsverteilung können alle beteiligten Bauteile optimal ausgelegt werden. Dies führt zu einer Minimierung der Wandstärke des Spiralgehäuses und der Querschnitte der Traversen.
Dies lässt sich wie folgt erreichen:
Der betreffende Kantenbereich des Spiralgehäuses wird derart geformt, dass eine Tangentialfläche zum Spiralgehäuse durch die Kante nahezu parallel zur Turbinenachse steht. In diesem Falle weicht der Querschnitt des Spiralgehäuses von der Kreisform ab, die er normalerweise hat, jedenfalls im Anschlussbereich.
Die günstige Wirkung erklärt sich aus folgendem: Hierbei treten geringere radial nach außen beziehungsweise innen wirkende Kraftkomponenten der Zugkraft auf, die auf die Wandung des Spiralgehäuses einwirken.
Der Stand der Technik sowie die Erfindung sind anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
1 zeigt die wesentlichen Bauteile einer konventionellen Francis-Turbine in einem Meridianschnitt.
2 zeigt wiederum in einem Meridianschnitt ein Spiralgehäuse mit den beiden Traversenringdecks eines Traversenrings gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt wiederum in einem Meridianschnitt ein Spiralgehäuse mit den beiden Traversenringdecks eines Traversenrings gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt in einer dreidimensionalen Darstellung die erste Ausführungsform der Erfindung
Die in 1 dargestellte Francis-Turbine weist ein Laufrad 1 auf. Dieses umfasst eine Vielzahl von Schaufeln 1.1. Das Laufrad 1 läuft um eine Drehachse 2.
Das Laufrad 1 ist von einem Spiralgehäuse 3 umschlossen. Das Spiralgehäuse 3 ist zum Beispiel von kreisförmigem Querschnitt. Es hat eine umlaufende schlitzförmige Öffnung gegen das Laufrad 1 hin. Der Öffnungsschlitz ist begrenzt durch umlaufende Kanten 3.1, 3.2.
An den umlaufenden, aus den Kanten 3.1, 3.2 gebildeten Schlitz schließt sich ein Traversenring 4 an. Dieser weist zwei Traversenringdecks 4.1 und 4.2 auf. Eine Traverse 4.3 dient als Zuganker.
Die Bereiche der umlaufenden Kanten 3.1, 3.2 des Spiralgehäuses sind mit den Traversenringdecks 4.1, 4.2 verschweißt.
Zwischen Traversenring und Laufrad ist ein Leitapparat mit Leitschaufel 5 vorgesehen.
An das Laufrad 1 ist in Strömungsrichtung gesehen ein Saugrohr 6 angeschlossen, das mehrere Abschnitte aufweist.
Wie man sieht, ist das Spiralgehäuse von kreisförmigem Querschnitt. Die Bereiche der umlaufenden Kanten sind an den Anschlussstellen zu den beiden Traversenringdecks 4.1, 4.2 gegen die Vertikale geneigt. Dies bedeutet, dass die Kantenbereiche des Spiralgehäuses nicht parallel zur Drehachse 2 des Laufrades 1 verlaufen. Siehe in 1 Winkel α. Dieser liegt bei annähernd 15 bis 40 Grad.
Die 2 und 3 veranschaulichen zwei verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Im übrigen können die zugehörenden hydraulischen Maschinen gleich aufgebaut sein, wie die in 1 dargestellte Maschine.
Den beiden Ausführungsformen gemäß 2 und 3 ist gemeinsam, dass die Spiralgehäuse im Bereich der umlaufenden Kanten 3.1, 3.2 fast senkrecht auf den Anschlussflächen der zugehörenden Traversenringdecks 4.1, 4.2 stehen.
Bei der Ausführungsform gemäß 2 wird dies dadurch erreicht, dass die Kantenbereiche des Spiralgehäuses 3 gegenüber der Kreisform verformt sind. Sie verlaufen praktisch parallel zur Drehachse 2 gemäß 1. Die Befestigung ist mittels Schweißnähten 7 hergestellt.
Bei der zweiten Ausführungsform gemäß 3 sind die Traversenringe 4.1, 4.2 wiederum von konventioneller Gestalt und Anordnung. Die Kantenbereiche 3.1, 3.2 stehen wiederum senkrecht auf den Traversenringdecks 4.1, 4.2 und verlaufen dem gemäß parallel zur Drehachse 2 des Laufrades 1. Der übrige Querschnitt des Spiralgehäuses 3 ist annähernd elliptisch.
Unter dem Gesichtspunkt der Gleichmäßigkeit der Spannungsverteilung ist die Ausführung gemäß 2 gegenüber 3 zu bevorzugen.
Die in 4 dargestellte dritte Ausführungsform der Erfindung weist wiederum quasi konventionelle Traversenringdecks 4.1, 4.2 auf. Der Querschnitt des Spiralgehäuses bildet jedoch nicht einen einzigen Kreis, sondern ist aus drei Kreisbogen zusammengesetzt, nämlich einem ersten Kreisbogen 3.3 sowie aus einem zweiten und einem dritten Kreisbogen 3.4, 3.5. Der erste Kreisbogen 3.3 weist einen relativ großen Radius R1 auf, während die beiden anderen Kreisbogen 3.4, 3.5 jeweils einen relativ kleinen Kreisbogen R2 aufweisen.
Die Anschlussstellen zwischen dem Spiralgehäuse 3 – hier den beiden Kreisbogen 3.4, 3.5 einerseits, und den Traversenringdecks 4.1, 4.2 andererseits – sind jeweils nahezu rechtwinklig gebildet.
Der Zuganker 4.3 verläuft in derselben Richtung weiter, wie die beiden Kantenbereiche der umlaufenden Kanten 3.1, 3.2 des Spiralgehäuses 3. Die Linien der Zugspannungen im Zuganker 4.3 und in den Kantenbereichen der Kreisbogen 3.4, 3.5 fluchten somit miteinander.

1: Laufrad
1.1: Schaufeln
2: Drehachse
3: Spiralgehäuse
3.1: umlaufende Kante des Spiralgehäuses
3.2: umlaufende Kante des Spiralgehäuses
3.3: erster Kreisbogen größeren Durchmessers
3.4: zweiter Kreisbogen kleineren Durchmessers
3.5: dritter Kreisbogen kleineren Durchmessers
4: Traversenring
4.1: Traversenringdeck
4.2: Traversenringdeck
4.3: Traverse
5: Leitschaufel
6: Saugrohr
7: Schweißnähte

Claims

Hydraulische Maschine 1.1 mit einem Laufrad (1), das eine Vielzahl von Schaufeln (1.1) aufweist; 1.2 mit einem Spiralgehäuse (3), das das Laufrad (1) umschließt und gegen dieses hin durch einen umlaufenden Schlitz offen ist, gebildet aus zwei umlaufenden Kanten (3.1, 3.2); 1.3 mit einem Traversenring (4), umfassend zwei Traversenringdecks (4.1, 4.2), die durch Zuganker (4.3) miteinander verbunden sind; 1.4 das Spiralgehäuse (3) ist im Bereich der umlaufenden Kanten (3.1, 3.2) an die Traversenringdecks (4.1, 4.2) angeschlossen; gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 1.5 die Bereiche der umlaufenden Kanten sind derart gestaltet und/oder angeordnet, dass diese beiden zur Drehachse (2) des Laufrades (1) parallel verlaufen oder mit dieser einen Winkel α von maximal 11 Grad bilden.
Hydraulische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiralgehäuse (3) in einem Meridianschnitt gesehen aus Kreisbogen unterschiedlicher Durchmesser aufgebaut ist.
Hydraulische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiralgehäuse aufgebaut ist aus zwei Kreisbogen (3.4, 3.5), die den Traversenringdecks (4.1, 4.2) näher liegen und die kleinere Durchmesser aufweisen, und einem weiteren Kreisbogen (3.3), der den Traversenringdecks (4.1, 4.2) ferner liegt und einen größeren Radius aufweist.