DE102006050203A1

DE102006050203A1 - Hydraulic machine, particularly water turbine, pumping turbine or pump, has impeller with multiple blades, spiral housing surrounding impeller and traverse ring

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.The invention relates to a hydraulic machine
with an impeller having a plurality of blades;
- With a spiral housing which surrounds the impeller and is open towards this by a circumferential slot formed of two peripheral edges;
- With a truss ring comprising two Traversenringdecks, which are interconnected by tie rods;
- The spiral housing is connected in the area of the peripheral edges to connection surfaces of the cross-beam decks.
The invention is characterized by the following features:
- The areas of the peripheral edges are designed and / or arranged such that these two parallel to the axis of rotation of the impeller or form with this an angle α of at most 11 °.

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.The The invention relates to a hydraulic machine, in particular a Hydro turbine, pump turbine or pump, according to the preamble of claim 1. These may be machines of the Francis type or the Kaplan type or act on other machines. It is essential that it is about machines with a spiral housing goes.

Als Beispiel wird auf US-A-4 496 282 oder auf DE 199 50 228 A1 verwiesen.As an example will be on U.S.-A-4,496,282 or on DE 199 50 228 A1 directed.

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.The volute encloses such a machine the impeller. It lies in a direction perpendicular to the axis of rotation of the impeller Level. Since the impeller axis is generally vertical, acts it is a horizontal plane.

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.The volute is open on its inside against the impeller. It points Thus, a slot which runs around the inner circumference of the spiral housing, so that medium from the volute casing through the slot on the entire inner circumference to the impeller can flow. The slot is thus defined by two circumferential edges.

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.At closes the said slot in the flow direction seen a truss ring on. This includes two traverse ring decks, which are arranged concentrically to the axis of rotation of the impeller and have a mutual distance in the axial direction. The decks are connected by tie rods, so-called traverses. Furthermore is each of the said circumferential edges of the spiral housing with firmly connected to one of the two traverse ring decks.

Der Traversenring dient dazu, ein Aufweiten des Spiralgehäuses unter dem hohen Innendruck zu verhindern.Of the Traverse ring serves to expand the volute casing underneath to prevent the high internal pressure.

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.It Thus, forces act on the said tie rods, further on the connection point between the respective truss ring deck and the associated revolving Edge of the spiral housing. The connection must be absolutely reliable and capable of withstanding high forces hold. It is important to take into account that in the spiral housing Also pressure fluctuations or pressure oscillations can occur.

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.It Efforts have been made to make the connection permanent and reliable too design, at the lowest possible Use of materials. In general, it is a welded joint between the respective peripheral edge of the spiral housing and the belonging traverse ring deck. The preparation of this compound has proven to be costly.

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.Of the Invention is based on the object, a hydraulic machine of the aforementioned type, which has a spiral housing and a cross-member ring, such that the connection between the circulating Edges of the slot of the volute casing and the associated traverse ring decks even safer than with known machines.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.These The object is solved by the features of claim 1.

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.Accordingly, become the areas of the peripheral edges of the spiral housing - in one Axial section seen - such designed that approximate parallel to the axis of rotation of the impeller. A slight deviation from the parallelism is allowed. However, it should not be more than 11 degrees. Already one small deviation of 1, 2, 3, 4, 5, 6 degrees may be appropriate by the sense that the peripheral edge slightly against the axis of rotation of the Impeller indicates. In practice, you will be between 5 and 11 Move degrees.

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.The volute is usually composed of segments. Seen in an axial section approximating the segments Circular shape, of course apart from the edge areas. Outside the edge areas can the segments but also a shape deviating from the circular shape have, as can be seen from the figures.

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.The invention provides the following advantages:
The stresses in the entire volute are substantially uniform. The forces and moments exerted on the trusses reach a minimum. In the area of the connection point between the edges of the spiral housing and the truss rings occur lower bending stresses.

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.by virtue of the uniform stress distribution can All involved components are optimally designed. This leads to a Minimization of wall thickness of the volute casing and the cross sections of the traverses.

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.This can be achieved as follows:
The respective edge region of the spiral housing is shaped such that a tangential surface to the spiral housing through the edge is almost parallel to the turbine axis. In this case, the cross section of the spiral housing deviates from the circular shape that it normally has, at least in the connection area.

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.The favorable effect can be explained as follows: In this case, lower force components of the tensile force which act radially outward or inward occur on the wall of the spiral groove act on the housing.

Der Stand der Technik sowie die Erfindung sind anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:Of the Prior art and the invention are based on the drawing explained in more detail. In this the following is shown in detail:

1 zeigt die wesentlichen Bauteile einer konventionellen Francis-Turbine in einem Meridianschnitt. 1 shows the essential components of a conventional Francis turbine in a meridian section.

2 zeigt wiederum in einem Meridianschnitt ein Spiralgehäuse mit den beiden Traversenringdecks eines Traversenrings gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. 2 again shows in a meridian section a spiral housing with the two traverse ring decks of a cross-member ring according to a first embodiment of the invention.

3 zeigt wiederum in einem Meridianschnitt ein Spiralgehäuse mit den beiden Traversenringdecks eines Traversenrings gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. 3 again shows in a meridian section a spiral housing with the two traverse ring decks of a cross-member ring according to a second embodiment of the invention.

4 zeigt in einer dreidimensionalen Darstellung die erste Ausführungsform der Erfindung 4 shows in a three-dimensional representation of the first embodiment of the invention

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.In the 1 Francis turbine shown has an impeller 1 on. This includes a variety of blades 1.1 , The impeller 1 runs around a rotation axis 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.The impeller 1 is from a volute casing 3 enclosed. The spiral housing 3 is, for example, of circular cross-section. It has a circumferential slot-shaped opening against the impeller 1 out. The opening slot is limited by circumferential edges 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.At the circumferential, from the edges 3.1 . 3.2 formed slot closes a truss ring 4 at. This has two Traversenringdecks 4.1 and 4.2 on. A traverse 4.3 serves as tie rod.

Die Bereiche der umlaufenden Kanten 3.1, 3.2 des Spiralgehäuses sind mit den Traversenringdecks 4.1, 4.2 verschweißt.The areas of the circumferential edges 3.1 . 3.2 of the volute casing are with the traverse ring decks 4.1 . 4.2 welded.

Zwischen Traversenring und Laufrad ist ein Leitapparat mit Leitschaufel 5 vorgesehen.Between traverse ring and impeller is a nozzle with vane 5 intended.

An das Laufrad 1 ist in Strömungsrichtung gesehen ein Saugrohr 6 angeschlossen, das mehrere Abschnitte aufweist.To the wheel 1 is seen in the flow direction, a suction tube 6 connected, which has several sections.

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.As you can see, the spiral housing is of circular cross-section. The areas of the circumferential edges are at the connection points to the two truss ring decks 4.1 . 4.2 inclined to the vertical. This means that the edge areas of the spiral housing are not parallel to the axis of rotation 2 of the impeller 1 run. See in 1 Angle α. This is approximately 15 to 40 degrees.

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.The 2 and 3 illustrate two different embodiments of the invention. Moreover, the associated hydraulic machines can be constructed the same as the in 1 illustrated machine.

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.According to the two embodiments 2 and 3 is common that the spiral housing in the area of peripheral edges 3.1 . 3.2 almost perpendicular to the connecting surfaces of the associated truss ring decks 4.1 . 4.2 stand.

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.In the embodiment according to 2 This is achieved by the edge areas of the spiral housing 3 are deformed relative to the circular shape. They are practically parallel to the axis of rotation 2 according to 1 , The attachment is by means of welds 7 produced.

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.In the second embodiment according to 3 are the truss rings 4.1 . 4.2 again of conventional shape and arrangement. The edge areas 3.1 . 3.2 again stand perpendicular to the traverse ring decks 4.1 . 4.2 and run according to the parallel to the axis of rotation 2 of the impeller 1 , The remaining cross section of the spiral housing 3 is nearly elliptical.

Unter dem Gesichtspunkt der Gleichmäßigkeit der Spannungsverteilung ist die Ausführung gemäß 2 gegenüber 3 zu bevorzugen.From the viewpoint of the uniformity of the stress distribution, the embodiment is according to 2 across from 3 to prefer.

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.In the 4 illustrated third embodiment of the invention again has quasi conventional Traversenringdecks 4.1 . 4.2 on. However, the cross section of the spiral housing does not form a single circle, but is composed of three circular arcs, namely a first circular arc 3.3 as well as a second and a third arc 3.4 . 3.5 , The first arc 3.3 has a relatively large radius R1, while the other two arc 3.4 . 3.5 each have a relatively small circular arc R2.

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.The connection points between the spiral housing 3 - here the two circular arc 3.4 . 3.5 on the one hand, and the traverse ring decks 4.1 . 4.2 on the other hand - are each formed almost at right angles.

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.The tie rod 4.3 continues in the same direction as the two edge regions of the circumferential edges 3.1 . 3.2 of the volute casing 3 , The lines of tensile stresses in the tie rod 4.3 and in the edge areas of the circular arc 3.4 . 3.5 thus, they curse each other.

11: LaufradWheel
1.11.1: Schaufelnshovel
22: Drehachseaxis of rotation
33: Spiralgehäusevolute
3.13.1: umlaufende Kante des Spiralgehäusesencircling Edge of the spiral housing
3.23.2: umlaufende Kante des Spiralgehäusesencircling Edge of the spiral housing
3.33.3: erster Kreisbogen größeren Durchmessersfirst Circular arc of larger diameter
3.43.4: zweiter Kreisbogen kleineren Durchmesserssecond Circular arc of smaller diameter
3.53.5: dritter Kreisbogen kleineren Durchmessersthird Circular arc of smaller diameter
44: TraversenringTravers ring
4.14.1: TraversenringdeckTravers ring cover
4.24.2: TraversenringdeckTravers ring cover
4.34.3: Traversetraverse
55: Leitschaufelvane
66: Saugrohrsuction tube
77: Schweißnähtewelds

Claims

Hydraulic machine 1.1 with an impeller ( 1 ), which has a large number of blades ( 1.1 ) having; 1.2 with a spiral housing ( 3 ), which is the impeller ( 1 ) and is open towards this by a circumferential slot, formed of two circumferential edges ( 3.1 . 3.2 ); 1.3 with a truss ring ( 4 ) comprising two traverse ring decks ( 4.1 . 4.2 ) by tie rods ( 4.3 ) are interconnected; 1.4 the volute casing ( 3 ) is in the area of the peripheral edges ( 3.1 . 3.2 ) to the truss ring decks ( 4.1 . 4.2 ) connected; characterized by the following features: 1.5 the areas of the peripheral edges are designed and / or arranged such that these two are aligned with the axis of rotation (FIG. 2 ) of the impeller ( 1 ) run parallel or form with this an angle α of at most 11 degrees.

Hydraulic machine according to claim 1, characterized in that the spiral housing ( 3 ) is constructed in a meridian section of circular arc of different diameters.

Hydraulic machine according to claim 2, characterized in that the spiral housing is constructed from two circular arcs ( 3.4 . 3.5 ), the traverse ring decks ( 4.1 . 4.2 ) are closer and have the smaller diameter, and another arc ( 3.3 ), the traverse ring decks ( 4.1 . 4.2 ) is further and has a larger radius.