WO2012110198A1 - Hydraulische strömungsmaschine - Google Patents

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WO2012110198A1
WO2012110198A1 PCT/EP2012/000406 EP2012000406W WO2012110198A1 WO 2012110198 A1 WO2012110198 A1 WO 2012110198A1 EP 2012000406 W EP2012000406 W EP 2012000406W WO 2012110198 A1 WO2012110198 A1 WO 2012110198A1
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    • F03B13/18—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem" where the other member, i.e. rem is fixed, at least at one point, with respect to the sea bed or shore
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the invention relates to a hydraulic turbomachine, in particular a water turbine, pump turbine or pump, according to the preamble of claim 1.
  • a hydraulic turbomachine in particular a water 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 other machines. It is essential that it is about machines with a spiral housing.
  • US-A-4 496 282 or to DE 199 50 228 AI As an example reference is made to US-A-4 496 282 or to DE 199 50 228 AI.
  • volute of such a turbomachine encloses the impeller. It lies in a plane perpendicular to the axis of rotation of the impeller. Because the
  • Impeller axis is generally vertical, it is a horizontal plane.
  • the spiral housing is open on its inside against the impeller. It thus has an annular gap which runs around the inner circumference of the spiral housing, so that working medium from the volute can flow through the annular gap on the entire inner circumference to the impeller.
  • the annular gap is thus defined by two circumferential edges.
  • a truss ring At the said annular gap is followed, seen in the flow direction, a truss ring.
  • This comprises two Traversenringdecks, which are arranged concentrically to the axis of rotation of the impeller and have a mutual distance in the axial direction.
  • the traverse ring decks are connected by tie rods, so-called traverses.
  • each of the said peripheral edges of the spiral housing with one of the two Traversenringdecks is firmly connected.
  • the truss ring serves to prevent expansion of the volute casing under the high internal pressure.
  • the invention is based on the object, a hydraulic flow machine of the type mentioned, comprising a spiral housing and a
  • Truss ring which avoids the disadvantages of the prior art.
  • a hydraulic turbomachine according to the invention with an impeller which rotates about an axis of rotation and has a multiplicity of moving blades comprises a volute which surrounds the impeller and is open towards it by a slot formed by two peripheral edges.
  • the hydraulic fluid machine further comprises a truss ring comprising two
  • Trussing ring decks which are interconnected by trusses on.
  • the spiral housing is in the area of the peripheral edges of the
  • hydraulic turbomachine is arranged.
  • the term "dead water area” refers to the area or space through which the main flow of the working medium does not flow.
  • Such areas in known hydraulic turbomachines are, for example
  • FIG. 2 shows a detailed view of the cross-member ring shown in FIG.
  • the Francis turbine shown in Figure 1 has an impeller 1. This includes a plurality of blades 1.1.
  • the impeller 1 revolves around a rotation axis 2.
  • the impeller 1 is enclosed by a spiral housing 3.
  • the spiral casing 3 is, for example, of circular cross section. It has a circumferential annular gap which is open towards the impeller 1. The annular gap is limited by
  • Traverse ring decks 4.1 and 4.2 To support the Traversenringdecks 4.1 and 4.2 at least one traverse 4.3 is provided.
  • the areas of the peripheral edges 3.1, 3.2 are welded to the traverse ring decks 4.1, 4.2.
  • a nozzle 5 is provided with vane 5.1.
  • suction pipe is connected in the flow direction.
  • the main flow direction of the working medium, here water, is indicated by arrows in FIG.
  • FIG. 2 shows an enlarged detail view of a cross-member ring 4 from FIG. Essentially, there are the same elements with them
  • Traverse ring 4 is introduced with respect to the axis of rotation 2 shown in Figure 1.
  • the groove 6 is close to the transition from the traverse to 4.3
  • the truss ring 4 encloses in the area of
  • Turbine cover 7 and cross-ring 4.1 and 4.2 are thus opposite and limit together with the groove 6 an auxiliary space of the hydraulic fluid machine.
  • the side room is outside the direction indicated by the arrows main flow direction of the
  • the groove 6 does not affect the main flow. Through the groove 6 in addition a better stress distribution, which can reduce the Traversendicke achieved. As a result, the use of materials can be significantly reduced while avoiding premature material fatigue.
  • the groove 6 can be designed as a single continuous circumferential groove or a plurality of circumferentially distributed individual non-contiguous grooves and be prepared by urformenden or cutting process. It may differ from the illustrated U-shaped cross-section and be introduced alternatively or additionally on the outer circumference of the truss ring in Traversenringdeck. In this case, the groove may be shielded by appropriate means from the main flow of the working medium in order to avoid influencing it.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Strömungsmaschine mit einem um eine Drehachse umlaufenden Laufrad, das eine Vielzahl von Laufschaufeln aufweist; mit einem Spiralgehäuse, das das Laufrad umschließt und gegen dieses hin durch einen umlaufenden Ringspalt offen ist, begrenzt durch zwei umlaufenden Kanten; mit einem Traversenring, umfassend zwei Traversenringdecks, die durch Traversen miteinander verbunden sind; das Spiralgehäuse ist im Bereich der umlaufenden Kanten an die Traversenringdecks angeschlossen. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - in Bezug auf die Drehachse ist in die radial innere Stirnseite des Traversenrings im Bereich des Übergangs von der Traverse zum Traversenringdeck eine Nut eingebracht; wobei - die Nut im Totwasserbereich der hydraulischen Strömungsmaschine angeordnet und an ihren Außenflächen ein Korrosionsschutz aufgebracht ist.

Description

Hydraulische Strömungsmaschine
Die Erfindung betrifft eine hydraulische Strömungsmaschine, 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 AI verwiesen.
Das Spiralgehäuse einer solchen Strömungsmaschine 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 Ringspalt auf, der um den inneren Umfang des Spiralgehäuses herumläuft, so dass Arbeitsmedium aus dem Spiralgehäuse durch den Ringspalt auf dem gesamten inneren Umfang zum Laufrad strömen kann. Der Ringspalt ist somit durch zwei umlaufende Kanten definiert.
An den genannten Ringspalt schließt sich in Strömungsrichtung gesehen ein Traversenring an. Dieser umfasst zwei Traversenringdecks, die zur Drehachse des Laufrades konzentrisch angeordnet sind und einen gegenseitigen Abstand in axialer Richtung haben. Die Traversenringdecks 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 Traversen ein, insbesondere auf die Verbindungsstelle zwischen der betreffenden Traverse und dem entsprechenden Traversenringdeck. An dieser Verbindungsstelle findet ein Übergang der im Querschnitt gesehen relativ schmalen Traverse zum relativ breiten Querschnitt des Traversenringdecks statt. Infolge dieses Übergangs ergibt sich dort aufgrund des relativ großen Steifigkeitsunterschiedes eine erhöhte Belastung im Betrieb der hydraulischen Strömungsmaschine, welche zu einer Materialermüdung führen kann.
Um derartig hohe Belastungen in dieser Verbindungsstelle zu vermeiden, ist es bekannt, entsprechend große Übergangsradien zwischen der Traverse und dem Traversenringdeck vorzusehen. Derartige Übergangsradien bedingen jedoch, dass der Querschnitt der Traverse und somit der von Arbeitsmedium umströmte Bereich der Traverse vergrößert wird, was sich nachteilig auf den Wirkungsgrad einer solchen hydraulischen Strömungsmaschine auswirkt. Auch weitere bekannte Maßnahmen zur Reduktion derartiger Belastungen im besagten Übergangsbereich konnten bisher nicht vollstens befriedigen, obwohl erhebliche Anstrengungen unternommen wurden, diese bei geringstmöglichem Materialeinsatz dauerhaft und zuverlässig zu gestalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Strömungsmaschine der eingangs genannten Art, umfassend ein Spiralgehäuse und einen
Traversen ring, anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben besonders zweckmäßige und vorteilhafte
Ausführungsformen der Erfindung an. Eine erfindungsgemäße hydraulische Strömungsmaschine mit einem Laufrad, das um eine Drehachse umläuft und eine Vielzahl von Laufschaufeln aufweist, umfasst ein Spiralgehäuse, dass das Laufrad umschließt und gegen dieses hin durch einen aus zwei umlaufenden Kanten gebildeten Schlitz offen ist. Die hydraulische Strömungsmaschine weist weiterhin einen Traversenring, umfassend zwei
Traversen ringdecks, die durch Traversen miteinander verbunden sind, auf. Dabei ist das Spiralgehäuse im Bereich der umlaufenden Kanten an die
Traversenringdecks angeschlossen. Erfindungsgemäß ist in Bezug auf die Drehachse in die radial innere Stirnseite des Traversenrings im Bereich des Übergangs von der Traverse zum
Traversenringdeck eine Nut eingebracht, die im Totwasserbereich der
hydraulischen Strömungsmaschine angeordnet ist. Als Totwasserbereich im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jener Bereich oder Raum gemeint, welcher nicht von der Hauptströmung des Arbeitsmediums durchströmt wird. Derartige Bereiche in bekannten hydraulischen Strömungsmaschinen sind beispielsweise
Labyrinthdichtungen oder sonstige auch Arbeitsmedium aufweisende
Nebenräume. Der Erfinder hat einen neuen Weg beschritten: Anstelle der bisher üblichen
Anpassung der Verbindung zwischen Traverse und Traversenring zur Reduzierung der dort auftretenden Belastungen hat er Maßnahmen angegeben, die sich nicht auf den Wirkungsgrad der hydraulischen Strömungsmaschine auswirken. Durch diese relativ einfache wie äußerst wirkungsvolle Maßnahme des Einbringens der Nut in den Tragringdeck wird über der gesamten axialen Länge der Traverse eine optimale Spannungsverteilung erzielt. Die Traverse kann aufgrund geringerer Beanspruchung nun mit weniger Materialeinsatz oder unter Verwendung eines kostengünstigeren Werkstoffs geringerer Festigkeit gefertigt werden, wodurch sich ein verbessertes Anströmverhalten und damit ein besserer Wirkungsgrad der hydraulischen Strömungsmaschine ergibt. Da die Nut im Totwasserbereich liegt, kann diese die Strömung nicht beeinflussen und in diesem Bereich wirksam und dauerhaft gegen Korrosion geschützt werden.
Die Erfindung soll nun anhand der Figuren erläutert werden.
Es zeigen:
Figur 1 einen Querschnitt durch die Drehachse einer als Francis-Turbine
ausgeführten hydraulischen Strömungsmaschine;
Figur 2 eine Detailansicht des in Figur 1 gezeigten Traversenrings in einem
Axialschnitt durch die Drehachse der Leitschaufel.
Die in Figur 1 dargestellte Francis-Turbine weist ein Laufrad 1 auf. Dieses umfasst eine Vielzahl von Laufschaufeln 1.1. Das Laufrad 1 läuft um eine Drehachse 2 um.
Das Laufrad 1 ist von einem Spiralgehäuse 3 umschlossen. Das Spiralgehäuse 3 ist zum Beispiel von kreisförmigem Querschnitt. Es hat einen umlaufenden Ringspalt, der gegen das Laufrad 1 hin offen ist. Der Ringspalt ist begrenzt durch
umlaufende Kanten 3.1, 3.2.
An den Ringspalt schließt sich ein Traversenring 4 an. Dieser weist zwei
Traversenringdecks 4.1 und 4.2 auf. Zur AbStützung der Traversenringdecks 4.1 und 4.2 ist wenigstens eine Traverse 4.3 vorgesehen.
Die Bereiche der umlaufenden Kanten 3.1, 3.2 sind mit den Traversenringdecks 4.1, 4.2 verschweißt.
Zwischen Traversenring 4 und Laufrad 1 ist ein Leitapparat 5 mit Leitschaufel 5.1 vorgesehen. An das Laufrad 1 ist in Strömungsrichtung gesehen ein nicht gezeigtes Saugrohr angeschlossen. Die Hauptströmungsrichtung des Arbeitsmediums, hier Wasser, ist mittels Pfeilen in Figur 1 angedeutet.
In der Figur 2 ist eine vergrößerte Detailansicht eines Traversenrings 4 aus dargestellt. Im Wesentlichen sind dort dieselben Elemente mit denselben
Bezugszeichen versehen.
Aus der Figur 2 erkennt man, dass vorliegend im Traversenringdeck 4.1 eine Nut 6 eingebracht ist. Diese ist vorliegend in die radial innere Stirnseite des
Traversenrings 4 in Bezug auf die in Figur 1 dargestellte Drehachse 2 eingebracht. Die Nut 6 ist dabei nahe des Übergangs von der Traverse 4.3 zum
Traversenringdeck 4.1 beziehungsweise 4.2 im Traversenringdeck eingebracht.
Im vorliegenden Falle umschließt der Traversenring 4 im Bereich der
Traversenringdecks 4.1 und 4.2 einen Teil des Turbinendeckels 7 in
Umfangsrichtung. Turbinendeckel 7 und Traversenring 4.1 beziehungsweise 4.2 stehen sich somit gegenüber und begrenzen zusammen mit der Nut 6 einen Nebenraum der hydraulischen Strömungsmaschine. Der Nebenraum ist dabei außerhalb der durch die Pfeile angedeuteten Hauptströmungsrichtung des
Arbeitsmediums angeordnet, sodass in den Raum vergleichsweise wenig
Arbeitsmedium der Hauptströmung eintritt. Hierdurch kann ein verbesserter
Korrosionsschutz auf die Außenflächen der Nut 6 aufgebracht werden. Dadurch, dass die Nut 6 nicht von der Hauptströmung umspült wird, ist der
Korrosionsschutz vor Abrasion von im Wasser mitgeführten Teilchen effektiv geschützt. Weiterhin beeinflusst die Nut 6 die Hauptströmung nicht. Durch die Nut 6 wird zusätzlich eine bessere Spannungsverteilung, wodurch sich die Traversendicke reduzieren lässt, erreicht. Hierdurch kann der Materialeinsatz deutlich verringert werden bei gleichzeitiger Vermeidung einer vorzeitigen Materialermüdung.
Die Nut 6 kann dabei als eine einzige zusammenhängende Umfangsnut oder eine Mehrzahl von auf dem Umfang verteilter einzelner nicht zusammenhängender Nuten ausgeführt sein und mittels urformenden oder spanenden Verfahren hergestellt sein. Sie kann von dem dargestellten U-förmigen Querschnitt abweichen und alternativ oder zusätzlich am Außenumfang des Traversenrings im Traversenringdeck eingebracht sein. In diesem Fall kann die Nut durch entsprechende Mittel von der Hauptströmung des Arbeitsmediums abgeschirmt sein, um eine Beeinflussung dieser zu vermeiden.
Bezugszeichenliste
Laufrad
Schaufel
Drehachse
Spiralgehäuse
umlaufende Kante
Traversenring
Traversenringdeck
Traverse
Leitapparat
Leitschaufel
Nut
Turbinendeckel

Claims

Patentansprüche 1. Hydraulische Strömungsmaschine
1.1 mit einem um eine Drehachse (2) umlaufenden Laufrad (1), das eine
Vielzahl von Laufschaufeln (1.1) aufweist;
1.2 mit einem Spiralgehäuse (3), das das Laufrad (1) umschließt und gegen dieses hin durch einen umlaufenden Ringspalt offen ist, begrenzt durch zwei umlaufenden Kanten (3.1, 3.2);
1.3 mit einem Traversenring (4), umfassend zwei Traversenringdecks (4.1, 4.2), die durch Traversen (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 in Bezug auf die Drehachse (2) ist in die radial innere Stirnseite des
Traversenrings (4) im Bereich des Übergangs von der Traverse (4.3) zum Traversenringdeck (4.1, 4.2) eine Nut (6) eingebracht; wobei
1.6 die Nut (6) im Totwasserbereich der hydraulischen Strömungsmaschine angeordnet und an ihren Außenflächen ein Korrosionsschutz aufgebracht ist.
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