DE2711972A1 - Stuetzschaufelring - Google Patents

Description

DIPL. INC. KLAUS BtHN DIPL-PHYS ROBERT MÜNZHUBER 271 197

PATENTANWÄLTE

WIDENMAYERSTRASSE 6 D SOOO MÜNCHEN TEL. (089) 22 29 30 29 51 92

18. März 1977 A 79/8077 B/ib

Firma AKTIEBOLAGET KARLSTADS MEKANISKA WERKSTAD, 01 Kristinehamn, Schweden

Stutζschaufelring

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Bankhaue Merck. Finck & Co.. München. Nr. 25464 1 Bankhaue H Aufhaueer. München. Nr 261 3CX) Poetecheck: München 2O9O4-8OO Telegrammadreeee: Patenteenlor

Die Erfindung betrifft Stützschaufelringe, die auch Geschwindigkeitsringe genannt werden, für Spiralgehäuse, für drehende hydraulische Maschinen, wie hydraulische Turbinen, Pumpenturbinen und Pumpen. Ein solcher Stützring besteht grundsätzlich aus zwei mit axialem Abstand angeordneten und koaxial um die Maschinenachse verlaufenden Ringelementen und aus sich axial erstreckenden, zwischen den Ringelementen befindlichen Stützschaufeln (stay vanes), wobei die Endkanten der Blechplatten des Spiralgehäuses mit den Ringelementen verbunden sind. Die Aufgaben des Stützringes sind es, einen Strömungspfad für das Strömungsmittel zwischen dem Inneren des Spiralgehäuses und dem Leitschaufelring zu bilden, der radial innerhalb des Stützringes liegt, die Innenkanten des Spiralgehäuses zu sichern und axiale Lastkräfte vom Leitschaufelring und von der Turbinenabdeckung und manchmal auch Betongewichte aufzunehmen.

Ein solcher Stützring ist beträchtlichen Kräften unterworfen, die in erster Linie von den Zugbeanspruchungen in den Blechwänden des Spiralgehäuses ausgehen, das am Stützring befestigt ist. Andere Kräfte und Lasten, die den Stützring beeinflussen, gehen aus von dem Strömungsmitteldruck in dem Stützring und von dem Leitschaufelring und/oder der Turbinenabdeckung, die am Stützring befestigt sind. Die an dem Stützring angreifenden Belastungskräfte können aufgeteilt werden in Kräfte mit radialer Komponente, die rechtwinklig zur Maschinenachse verlaufen,und in Kräfte mit axialer Komponente. Die Kräfte mit radialer Komponente werden im Stützring als in JLJmfangsrichtung wirkende innere Zugspan-

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nungen aufgenommen, und zwar in den beiden Ringelementen des Stützringes, während die Kräfte mit axialer Komponente durch die Stützschaufeln aufgenommen werden müssen, die infolgedessen inneren axialen Zugspannungen unterworfen sind. Es ist wichtig, daß die inneren Spannungen in den verschiedenen Teilen des Stützringes über die Querschnitte dieser Teile so gleichförmig wie möglich verteilt sind, da dies eine optimale Ausnutzung des Materials zuläßt und es ermöglicht, die Abmessungen der Teile zu verringern, was wesentliche wirtschaftliche Vorteile bezüglich der Kosten für das Material und auch für den Transport des Stützringes von der Fabrik zur Baustelle ergeben kann. In dieser Beziehung soll erwähnt werden, daß eine Verringerung der radialen Ausdehnung des Stützringes zu einer entsprechenden Verringerung der Gesamtabmessungen des Spiralgehäuses führt, das radial außerhalb des Stützringes angeordnet ist, was ebenfalls in bezug auf die Kosten, das Gewicht und den Transport vorteilhaft ist. Da alle auf den Stützring einwirkenden Kräfte ursprünglich auf die beiden Ringelemente des Stützringes einwirken, ist es wesentlich, daß diese Ringelemente und die Verbindungen zwischen den Blechwänden des Spiralgehäuses und den Ringelementen so geformt sind, daß die Ringelemente diese Kräfte aufnehmen können, und zwar ohne irgendeine wesentliche Verbiegung, Verdrehung oder eine andere Verwindung der Ringelemente. Außerdem müssen diese Ringelemente die axialen Komponenten der Kräfte auf die Stützschaufeln übertragen, und zwar über den Querschnitt der Stützschaufeln so gleichmäßig wie möglich verteilt.

Mit diesem Ziel sind bereits Stützschaufelringe mit geschweißter Konstruktion vorgeschlagen worden, z.B. in den deutschen Pa-

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tentschriften 1 066 149 und 1 256 360 sowie in der schwedischen Patentschrift Nr. 221 458, bei welchen solch eine Ausbildung der Ringelemente der Stützringe und der Verbindungen zwischen den Blechwänden des Spiralgehäuses und den Ringelementen darauf gerichtet worden ist, daß die Lastkräfte vom Spiralgehäuse so weit wie möglich durch den Schwerpunkt des Querschnittes der Ringelemente gerichtet sind oder so, daß die axialen Kraftkomponenten aller äußerer Kräfte, die auf die Ringelemente einwirken, so weit wie möglich mit den Schwerkraftachsen der Stützschaufeln zusammenfallen. Diese bekannte Technik, sogenannte ausgeglichene Stützringe mit geschweißter Konstruktion, weisen aber verschiedene schwerwiegende Nachteile auf. So enthalten bei verschiedenen dieser bekannten Stützringe die Ringelemente Blechplatten, die sehr großen Zugspannungen unterworfen sind, und zwar in Richtung senkrecht zur Ebene der Platten. Wie den Fachleuten allgemein bekannt ist, besitzt gewalztes Blech immer eine etwas geschichtete Struktur parallel zu seiner Ebene, weshalb eine beträchtliche Gefahr der EntSchichtung der Blechplatte besteht, wenn sie Zugspannungen senkrecht zu ihrer Ebene unterworfen wird. Außerdem traten bei einigen dieser bekannten Stützringkonstruktionen beträchtliche Spannungskonzentrationen an gewissen Stellen in den Konstruktionen auf. Auch haben viele der bekannten Konstruktionen der Ringelemente eine ungenügende Festigkeit oder Steifigkeit gegen Biegung und Verdrehung, oder sie haben eine vergleichsweise komplizierte Form, die eine große Anzahl von Schweißungen erfordert, was zeitaufwendig und teuer ist, und in vielen Fällen liegen große Teile dieser Schweißungen so, daß sie schwer zugänglich sind, so daß diese Schweißungen schwer herzustellen sind und ihre Qualität schwer zu überprüfen ist.

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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Stützschaufelring zu schaffen, welcher die gewünschten Forderungen und Bedingungen in zufriedenstellender Weise erfüllt. Dies wird erfindungsgemäß bei einem Stützschaufelring für ein Blech-Spiralgehäuse für eine drehende hydraulische Maschine, wie eine Turbine, eine Pumpenturbine oder eine Pumpe, mit zwei mit axialem Abstand angeordneten und koaxial um die Maschinenachse verlaufenden Ringelementen und mit sich axial erstreckenden, zwischen den Ringelementen befindlichen Stützschaufeln, deren axiale Enden mit den Ringelementen verschweißt sind, wobei die Endkanten der Blechplatten des Spiralgehäuses mit den Ringelementen verbunden sind, dadurch erreicht, daß jedes Ringelement ein Guß-Ringelement mit im wesentlichen dreieckigem Querschnitt ist, wobei eine Seite des Querschnitts dem anderen Ringelement und den Stützschaufeln zwischen den Ringelementen zugekehrt ist, daß die axialen Enden der Stützschaufeln durch Schweißen mit dieser Seite der Ringelemente verbunden sind und daß die Endkanten der Blechplatten des Spiralgehäuses an die Ringelemente jeweils entlang der Ringkante eines Ringelementes angeschweißt sind, die der dem anderen Ringelement zugekehrten Seite gegenüberliegt.

Bei dem erfindungsgemäßen Stützring bestehen die beiden Ringelemente aus einer Gußkonstruktion, wodurch der erforderliche Umfang an Verschweißungen beträchtlich verringert wird. Die in dieser Stützringstruktur vorhandenen Schweißungen sind so angeordnet, daß sie verhältnismäßig leicht herzustellen und in bezug auf ihre Qualität zu überprüfen sind. Aufgrund der besonderen Form des Querschnitts der Guß-Ringelemente wird erreicht, daß die Ringelemente eine hohe Biegesteifigkeit erhalten, und zwar bei einer ver-

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gleichweise geringen Materialmenge, was die Kosten für das Material, das Gewicht und die Abmessungen verringert. Durch die Kombination der besonderen Querschnittsform der Guß-Ringelemente und die besondere Verbindung der Blechplatten des Spiralgehäuses mit den Ringelementen wird erreicht, daß die Ringelemente die Lastkräfte vom Spiralgehäuse zu den Stützschaufeln mit einer sehr gleichförmigen Verteilung über den gesamten Querschnitt der Stützschaufeln übertragen. Dies macht es möglich, die Querschnittsfläche der Stützschaufeln zu verringern, was die Materialkosten, das Gewicht und auch die radiale Abmessung des Stützringes zusätzlich verringert. Außerdem enthält der erfindungsgemäße Stützring keine Elemente aus Blechplatten, die Zugkräften senkrecht zur Ebene des Blechmaterials ausgesetzt sind.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1: schematisch einen axialen Schnitt durch ein Spiralgehäuse, das mit einem erfindungsgemäßen Stützring versehen ist,

Fig. 2: einen Schnitt durch das obere Ringelement in dem erfindungsgemäßen Stützring nach Fig. 1, in vergrößertem Maßstab, und

Fig. 3: einen der Fig. 2 ähnlichen Schnitt durch ein etwas abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines Ringelementes gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Sprialgehäuse 1 für eine hydraulische Turbine, eine Pumpenturbine oder eine Pumpe. Dieses Spiralgehäuse besteht in typischer Weise aus einer Anzahl gekrümmter

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Blechabschnitte, die miteinander verschweißt sind. Die Endkanten der Blechabschnitte des Spiralgehäuses sind mit einem Stützschaufelring verbunden, der allgemein mit 2 bezeichnet ist und der in bezug auf die Maschinenachse koaxial angeordnet ist, wobei radial innerhalb dieses Ringes der nichtdargestellte Leitschaufelring angeordnet ist. Der Stützring 2 besteht aus zwei mit axialem Abstand angeordneten Ringelementen 2 und 3, die in bezug auf die Maschinenachse koaxial angeordnet sind, und aus einer Anzahl sich axial erstreckender Stützschaufeln 5, die zwischen den beiden Ringelementen eingeschaltet sind. Die Stützschaufeln verlaufen in radialer Richtung schräg in Übereinstimmung mit der Strömungsrichtung des Strömungsmittels durch den Stützring. Die Endkanten der Blechabschnitte des Spiralgehäuses 1 sind an das obere Ringelement 3 und das untere Ringelement 4 jeweils entlang dem Umfang der Ringelemente angeschweißt.

Die beiden Ringelemente 3 und 4 des Stützringes haben in allen Einzelheiten die gleiche Form, weshalb im folgenden nur die Konstruktion des oberen Ringelementes 3 beschrieben wird.

Wie am besten aus Fig. 2 zu ersehen ist, ist jedes der Ringelemente 3, 4 in dem Stützring gemäß der Erfindung ein Gußelement und hat im wesentlichen einen dreieckförmigen Querschnitt, wobei eine Seite dieses Querschnitts dem anderen Ringelement und den zwischen diesen angeordneten Stützschaufeln 5 zugekehrt ist. Die Endkanten der Blechabschnitte des Spiralgehäuses 1 sind an das Ringelement 3 entlang der ringförmigen Kante 6 des Ringelements entsprechend dem gegenüberliegenden Scheitelpunkt des dreieckförmigen Querschnittes des Ringelementes angeschweißt. Die Sei-

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tenflache des Ringelementes 3, welche dem anderen Ringelement und den zwischen beiden Ringelementen angeordneten Stützschaufeln 5 zugekehrt ist, kann, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, etwas konvex sein, und zwar in Übereinstimmung mit der Strömungsmittelströmung durch den Stützring. Dies ist aber nicht eine wesentliche Forderung für den erfindungsgemäßen Stützring. Die Stützschaufeln 5 sind mit dieser Seitenfläche des Ringelementes 3 verbunden, und zwar vorzugsweise derart, daß das Ringelement 3 auf dieser Seitenfläche mit einer Anzahl axial vorspringender Stutzen 7 versehen ist, die gemeinsam mit den anderen Teilen des Ringelementes 3 gegossen sind und die den gleichen Querschnitt und die gleiche Orientierung wie die Stützschaufeln haben. An diese Stutzen 7 sind die Stützschaufeln 5, die vorzugsweise aus Blech bestehen, mit ihren Enden entlang linearer Schweißnähte 8 angeschweißt. Es ist aber auch möglich, die Enden der Stützschaufeln 5 unmittelbar an das Ringelement 3 als solches anzuschweißen.

Durch den besonderen dreieckförmigen Querschnitt des Ringelementes 3 wird erreicht, daß das Ringelement eine große Biegesteifigkeit erhält, und zwar trotz seiner verhältnismäßig kleinen Querschnittsfläche und des sich daraus ergebenden geringen Materialaufwandes und des geringen Gewichtes. Diese: besondere dreieckförmige Querschnitt des Ringelementes 3 bewirkt auch in sehr günstiger Weise, daß die auf das Ringelement 3 von den Blechabschnitten des Spiralgehäuses aufgebrachten Zugspannungen im wesentlichen durch den Schwerpunkt des Querschnittes des Ringelementes gerichtet werden können und daß das Ringelement die axialen Komponenten dieser Kräfte zu den Stützschaufeln 5 überträgt, und zwar mit einer sehr gleichmäßigen Verteilung über den gesam-

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ten Querschnitt der Stützschaufeln. Aufgrund dieser gleichmässigen Spannung auf den Stützschaufeln wird das Material wirksamer ausgenutzt, wodurch es möglich ist, die Abmessung der Stützschaufeln zu verringern und somit den gesamten Stützring in radialer Richtung dünner zu machen.

Der Innendurchmesser des Spiralgehäuses 1 variiert entlang dem Umfang des Stützringes, weshalb die Blechabschnitte des Spiralgehäuses 1 das Ringelement 3 unter einem variierenden Winkel entlang dem Umfang des Stützringes berührt, wie es durch gestrichelte Linien in Fig. 2 dargestellt ist. Dies kann in Betracht gezogen werden, indem der im wesentliche! dreieckförmige Querschnitt des Guß-Ringelementes 3 entlang dem Umfang des Ringelementes etwas modifiziert wird, und zwar insbesondere an und nahe der ringförmigen Kante 6, entlang welcher die Blechabschnitte des Spiralgehäuses 1 angeschweißt sind.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der radial innere Rand des Ringelementes 3 mit einem ringförmigen Auflager und einer Montagefläche 9 versehen für die Verbindung mit dem Leitschaufelring, der innerhalb des Stützringes angeordnet ist, oder mit einer Turbinenabdeckung oder einem Fundament. Für Turbinen, in denen die auf den Stützring vom Leitschaufelring oder der Turbinenabdeckung einwirkenden Kräfte groß sind, kann das Auflager und die Montagefläche für den Leitschaufelring oder die Turbinenabdeckung mehr nach auswärts verschoben werden und somit näher an die Schwerkraftachse durch das Ringelement 3 und die Stützschaufeln 5 verschoben werden.

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10 bezeichnet einen dünnen Blechführungsschild, dessen einziger Zweck es ist, die Strömungsmittelströmung durch den Stützring zu verbessern. Dieser Führungsschild ist ohne wesentliche Bedeutung bezüglich der strukturellen Festigkeit des Stützringes. Dieser Führungsschild 10 kann mit Öffnungen versehen sein, so daß der hydrostatische Druck an gegenüberliegenden Seiten des Schildes ausgeglichen wird.

Um zusätzlich die Biegesteifigkeit der Ringelemente in axialer Richtung zu erhöhen, kann eine etwas abgewandelte Form der Ringelemente angewendet werden, wie es beispielsweise in Fig. 3 dargestellt ist. Das in Fig. 3 gezeigte Ringelement 3 ist grundsätzlich von gleicher Form wie das Ringelement nach Fig. 2, wie es vorstehend beschrieben ist. Aber an seiner Außenfläche zwischen der ringförmigen Kante 6, die mit dem Spiralgehäuse 1 verbunden ist, und dem radial inneren Ring ist er mit einer Versteifungsoder Verstärkungsrippe 11 versehen. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Steifigkeit oder Festigkeit des Ringelements gegen Biegung in axialer Richtung erhöht wird, und zwar ohne irgendwelche Änderungen bezüglich anderer Eigenschaften des Ringelements 3. Infolgedessen kann der ümfangsabstand zwischen den Stützschaufeln 5 vergrößert werden, so daß die Gesamtzahl der Stützschaufeln in dem Stützring verringert wird.

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Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE

   M.' Stützschaufelring für ein Blech-Spiralgehäuse für eine drehende hydraulische Maschine, wie eine Turbine, eine Pumpenturbine oder eine Pumpe, mit zwei mit axialem Abstand angeordneten und koaxial um die Maschinenachse verlaufenden Ringelementen und mit sich axial erstreckenden, zwischen den Ringelementen befindlichen Stützschaufeln, deren axiale Enden mit den Ringelementen verschweißt sind, wobei die Endkanten der Blechplatten des Spiralgehäuses mit den Ringelementen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ringelement (3,4) ein Guß-Ringelement mit im wesentlichen dreieckigem Querschnitt ist, wobei eine Seite des Querschnitts dem anderen Ringelement und den Stützschaufeln (5) zwischen den Ringelementen zugekehrt ist, daß die axialen Enden der Stützschaufeln (5) durch Schweißen mit dieser Seite der Ringelemente verbunden sind und daß die Endkanten der Blechplatten des Spiralgehäuses (1) an die Ringelemente jeweils entlang der Ringkante (6) eines Ringelementes angeschweißt sind, die der dem anderen Ringelement zugekehrten Seite gegenüberliegt.
2. 2. Stützschaufelring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im wesentlichen dreieckige Querschnitt jedes Ringelements (3,4) so ausgebildet ist, daß die Enden der Blechplatten des Spiralgehäuses (1), die an die ringförmige Kante (6) des Ringelements angeschweißt sind, im wesentlichen auf den Schwerpunkt des dreieckförmigen Querschnitts gerichtet sind.

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3. 3. Stützschaufelring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Kante (6) jedes Ringelements (3,4) einen Durchmesser in bezug auf die Maschinenachse aufweist, der zwischen den Durchmessern der beiden verbleibenden ringförmigen Kanten des Ringelementes entsprechend den beiden verbleibenden Scheitelpunkten des dreieckförmigen Querschnitts liegt.
4. 4. Stützschaufelring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ringelement (3,4) an der Seitenfläche zwischen der mit dem Gehäuse (1) verbundenen ringförmigen Kante (6) und der radial inneren Kante des Ringelements mit einer ringförmigen Verstärkunqsrippe (11) versehen ist.
5. 5. Stützschaufelring nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ringelement (3,4) auf seiner dem anderen Ringelement und den Stützschaufeln (5) zugekehrten Seite mit axial vorspringenden Stutzen (7) versehen ist, daß diese Stutzen einen dem Querschnitt der Stützschaufeln entsprechenden Querschnitt haben und daß die Stützschaufeln (5) mit ihren axialen Enden an die Stutzen (7) angeschweißt sind.
6. 6. Stützschaufelring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Seite des dreieckförmigen Querschnittes jedes Ringelements (3,4) in Übereinstimmung mit der Strömung durch den Stützschaufelring etwas konvex ausgebildet ist.
7. 7. Stützschaufelring nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ringelement (3,4) mit einer ring-

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   förmigen Tragfläche (9) für einen Leitschaufelring, eine Turbinenabdeckung oder ein Fundament versehen ist.

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