DE2638147A1

DE2638147A1 - Spiralgehaeuse fuer turbomaschinen

Info

Publication number: DE2638147A1
Application number: DE19762638147
Authority: DE
Inventors: Paul Koeller
Original assignee: Dominion Engineering Works Ltd
Current assignee: Dominion Engineering Works Ltd
Priority date: 1975-09-03
Filing date: 1976-08-25
Publication date: 1977-03-17
Also published as: DE2638147C2; US4089617A; GB1513220A; SE436594B; FR2323030B1; SE7609430L; CA1039151A; FR2323030A1; CH604015A5; JPS6335834B2; IT1072951B; JPS5232440A

Description

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH D-8034 unterpfaffenhofen 23.8.1976

PATENTANWALT postfach

lu^rf^ (MÜNCHEN) B4 36 38

PHONE

CA^L _B ^ELE^RA^AD^MD^MR^AES^RS:^SSE! ~™ «"-««Η DIPL.-PHYS. F. ENDLICH. D - UNTERPFAFFENHOFEN. POSTFACH

TELEX: 52 I73O

Meine Akte: D-3997

Dominion" Engineering-Work's,' Limited" Toronto, Canada

Spiralgehäuse für Turbomaschinen

Die Erfindung betrifft ein ringförmiges Spiralgehäuse für Türbomaschxnen, insbesondere für Turbinen und/oder Turbinenpumpen zur Bildung eines Strömungswegs mit sich progressiv änderndem Querschnitt für Druckflüssigkeit, wobei ein Laufrad im Zentrum des Spiralgehäuses fest angeordnet ist und dessen Hauptachse im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Spiralgehäuses liegt.

Die Erfindung bezieht sich auf einen integrierten ■Verteiltrichter bzw. Leitapparat mit einem Spiralgehäuse bzw. Spiralschiff.

70981 1 /0716

Bei bekannten Anordnungen von üblichen Turbinen (Reaktionsturbinen) und Turbinenpumpen sind die spiralförmig verlaufenden Gehäuse, d.h. die Ladereintrittsspiralen mit einem inneren Stützring versehen, der eine ringförmige Anordnung von Führungsrippen zur Beibehaltung des Querschnitts und der Integrität der Spirale aufweist und um den Durchgang der Flüssigkeit in Beziehung zu der schlitzförmigen Öffnung des Verteilers auszurichten, an welche das Spiralgehäuse sich anschließt. In manchen Fällen wurden diese Führungsrippen in dem Haltering des Spiralgehäuses derart angeordnet, daß bestimmte Abschnitte der Rippen unter grossem Zug und die übrigen Abschnitte der Rippen unter hohem Druck gehalten werden.

Bei-d.er-Anordnung, gemäß der .kanadischen_Pa tent schrift 882 befinden sich die Berührungs- bzw. Befestigungspunkte des Spiralgehäuses an den Mittelpunkten der Halte- bzw. Stützrippen, so daß der volle Querschnitt der Rippen einem gleichmäßigen Zug unterliegt. Bei den bisherigen Turbomaschinen ist es allgemein üblich, das Spiralgehäuse mit einem Stützring zu versehen, um durch dessen Rippenglieder eine Kraft zu schaffen, die als Zugkraft wirkt, um der Öffnungskraft entgegenzuwirken, die durch Hydraulikdruck ausgeübt wird und die dazu tendiert, das Spiralgehäuse derart zu deformieren, daß es sich erweitert, wodurch die Tendenz auftreten kann, daß dessen Ränder auseinandergezogen werden.

Die Verbindungsanordnung, der Verteiler, an welchem das Spiralgehäuse bei der bekannten Anordnung angebracht ist, bildet eine Strömungsöffnung, welche eine Verbindung zu dem Laufrad der Turbomaschine schafft und weist die Einlaßöffnungen oder Einlaß-Tore auf, die zwischen einander gegenüberliegenden Lippen des Verteilers angeordnet sind. In der kanadischen Patentschrift 726 482 werden diese Einlaßöffnungen dazu benützt, um hydraulische Deformationskräfte zu absorbieren, die auf den Verteiler wirken.

709811/0716

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Spiralgehäuse der eingangs genannten Art zu schaffen, welches die Nachteile bei den bekannten Spiralgehäusen vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird der Aufbau des Verteilers bzw. Leitapparats als integraler Teil des Spiralgehäuses ausgebildet, wodurch ein Spiralgehäuse geschaffen wird, dessen Leitabschnitt integral -dazu_angeordnet. JLst,. .wpbei._eine_e.inzige_,. Reihe von Führungsgliedern in dem Gehäuse vorgesehen ist; die integrierten Teile des Leitapparats sind derart ausgelegt, daß sie eine Druck ausübende oder festigende Funktion gegenüber der Struktur des Spiralgehäuses ausüben. Eine Hülse oder Büchse, die sich um jedes Befestigungsglied herum befindet, kann gewünschtenfalls Druckkräfte vom Generator übertragen.

Der Spiralhaltering ist bei der Erfindung überflüssig und· der Leitapparat ist strukturell mit dem Spiralgehäuse kombiniert; die unerläßliche Halte-Zugkraft zur Beibehaltung der Form der Spirale und des schlitzförmigen Durchgangs des Leitapparats an dessen vorbestimmter öffnung wird durch Zugbolzen hervorgerufen. Diese Bolzen können vorgespannt sein und können auch als Drehlager benützt werden, auf welchen die Einlaßöffnungen bzw. Öffnungs-Tore (wicket gates) befestigt sind. Die Vorspannung wird beispielsweise dadurch hervorgerufen, daß-um jeden Bolzen eine Druckhülse verwendet wird, gegen welche das Spiralgehäuse auf Grund der Zugbelastung des Bolzens" gedrückt wird.

70981 1/0716

Dadurch, daß das Spiralgehäuse mit einem oberen Leit- oder Verteilerring und einem unteren Verteilerring versehen ist, die jeweils konzentrisch zur Polachse der Turbomaschine und an den zugehörigen Rändern des Spiralgehäuses befestigt sind, liefern die beiden Ringe durch ihre einander gegenüberliegenden Flächen ein Paar von radial sich nach innen erstreckenden Lippen, welche die öffnung des Strömungsschlitzes festlegen. Lastaufnehmende Zug- bzw. Spannglieder, beispielsweise Bolzen, erstrecken sich zwischen den beiden Ringen und sind um das Spiralgehäuse auf Abstand angeordnet, so daß eine Zugbelastung von den Bolzen durch den Verteilerringabschnitt des Spiralgehäuses auf das Spiralgehäuse übertragen wird, während die Entfernung von einzelnen Bolzen während einer Betriebsunterbrechung gestattet wird.

Bei Turbinenpumpen mit einstellbaren Einlaßtoren können die Bolzen als Drehachse für diese Einlaßtore angeordnet werden, wobei diese Tore hinsichtlich des Querschnittsprofils in geeigneter Weise modifiziert sind, um eine Anpassung an die Drehachse größeren Durchmessers zu ermöglichen. In einem solchen Beispiel können die Verbindungsbolzen in Druckbeziehung gegenüber den schlitzförmigen Lippen mittels Drucklager in dem Leitapparat, angeordnet sein, und zwrr in ähnlicher Weise j wie dies in der kanadischen Patentschrift 726 482 beschrieben ist. Dies gestattet eine Drehung der Bolzen unter Beibehaltung der Verbindungskraft gegenüber den.Gehäuselippen, wodurch eine öffnung unter Wirkung des Hydraulikdruckes verhindert wird, der auf das Gehäuse wirkt.

Eine abgewandelte Ausführungsform der Last aufnehmenden Spann-Verbindungsglieder verwendet einen verlängerten Verbindungsbolzen mit einem Brückenstück, welches auf den externen Zapfenabschnitten der Spirallippen ruht, um die

709811/0716

Belastung von dem Verbindungsbolzen auf das Spiralgehäuse zu übertragen, während ein im wesentlichen spannungsfreies Einlaßtor benützt werden kann, wodurch die Notwendigkeit an sehr schweren Drucklagern entfällt, um die Belastung zwischen dem Einlaßtor und den Spirallippen zu übertragen. Hierbei wird auch der Verbindungsbolzen in nicht drehfähigen Beziehungen verwendet, und zwar als stationäre oder tote Achse für die Einlaßtore.

Die Erfindung kann vorteilhafterweise in Turbomaschinen mit hohem Druck oder niedrigem Druck angewandt werden, wodurch sich ein kompakterer, leichterer Maschinenaufbau ergibt; die Beseitigung der Halterippen ermöglicht eine Änderung der Maschinenleistungscharakteristik auf eine mehr erwünschte Charakteristik mit geringeren Spitzen, wodurch ein größerer Belastungsbereich mit größerem Leistungsgrad geschaffen wird.

Die Gewichtsersparnis kann nach Berechnungen bis etwa 26 % des geschätzten Gesamtturbinengewichts betragen, während die Verringerung des Spiralenaußendurchmessers mit etwa 5 bis 6 % das Verhältnis des Spiralendurchmessers gegenüber dem Halsdurchmesser (Saugrohrweite) von 3*44 auf 3,3 verringert werden kann, d.h. etwa eine Reduzierung dieses Verhältnisses um 4 % mit sich bringt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist in den äußerst reduzierten Raumanforderungen, die besonders bei einigen Projekten von beträchtlichem Wert sein können, zu sehen.

Gemäß der Erfindung können ferner eine Vielzahl von Einlaßtoren auf jeweils einem Verbindungsglied befestigt sein, um für eine Drehbewegung um die Längsachse des betreffenden Verbindungsglieds angeordnet zu sein.

709811/0716

— ο —

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile beziehen sich auch auf eine Turbomaschine mit radialer Strömung, wobei der Öffnungsschlitz radial nach innen gerichtet ist, um eine im wesentlichen radiale Strömung zu schaffen, wie auch auf Turbomaschinen mit halbaxialer Strömung, bei welchen der Öffnungsschlitz von der Ebene der Laderspirale ausgehend geneigt ist, um die semiaxiale Strömung zu gewährleisten.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen zur Erläuterung weiterer Merkmale beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Teil einer diametralen Schnittansicht einer

Turbomas chine__mit_ _e inej^.exsten_-&iiafiiiirojngsform-deis---- - Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Teils einer zweiten Ausführungsform eines Leitapparats gemäß der Erfindung, in Längsrichtung,

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 in Fig. 2,

Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 in Fig. 2, und

Fig. 5 eine Teil-Schnittansicht entlang der Linie 5-5 in Fig. 1.

Im folgenden wird die in den Fig. 1 und 5 gezeigte erste Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Fig. 1 zeigt Teile einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem Spiralgehäuse 10 mit einer Mittelebene X-X und einem Laufrad 30, welches drehfähig in dem durch das Spiralgehäuse gebildeten Kreisring befestigt ist? die Polachse des Laufrades, welche die Drehachse darstellt, ist durch die versetzt gezeigte Achse Y-Y veranschaulicht.

709811/0716

Zur Erläuterung des Unterschieds gegenüber den bekannten Spiralgehäusen ist ein darüberliegender Abschnitt 12 eines Spiralgehäuses bekannter Art in Phantomdarstellung gezeigt, welches mit einer Führungsrippe 14 versehen ist. Der wesentliche Unterschied in der Anordnung der beiden Gehäuse ist offensichtlich; die dargestellte, radiale Einzeichnung des erfindungsgemäßen Gehäuses gegenüber der Maschinenachse Y-Y ergibt eine beträchtliche Verringerung des lateralen Außendurchmessers der Spirale. Während an vergleichbaren Punkten um das Spiralgehäuse gegenüber dem bekannten Gehäuse im Vergleich zur Erfindung im wesentli-, chen die gleichen Querschnittsflächen vorliegen, so ist bei dem erfindungsgemäßen Spiralgehäuse der Grundkreis in der Ebene X-X wesentlich kleiner. Dadurch verringert sich die Masse des Spiralgehäuses "und auch dessen größere Dimension, wodurch die Verladung vereinfacht wird.

Die in den Fig. 1 und 5 dargestellte erste Ausführungsform weist ein Gehäuse 16 mit sogenannten spannungsausübenden Bolzen 18, die in Drucklagern 40, 42 gehalten sind, um eine Verbindungsbelastung zwischen einer zugeordneten oberen Verteilerlippe 20 und einer unteren Lippe 22 hervorzurufen, auf. Die Lippen 20, 22 sind als integrale Bestandteile angeschweißt oder befestigt und bilden einen Teil des Spiralgehäuses. Zwischen den Lippen 20, 22 befindliche Einlaßtore (wicket gates) 24 sind durch Keile 26 an dem zugehörigen Bolzen 18 befestigt. Ein durch einen gestrichelt eingezeichneten Keil 27 gesicherter Leitarm 46 steht in festgekeilter Beziehung zu dem Bolzen 18 und dient dazu, den Bolzen 18 und dessen zugeordnetes Einlaßtor 24 in eine gewünschte Stellung zu bewegen.

In Fig. 1 sind außerdem die üblichen Teile, wie beispielsweise das Laufrad 30 mit'einem unteren Bereich 32, einer oberen Radwand 36, Schaufeln 34 (von denen nur eine dargestellt ist), welche sich zwischen letzteren erstrecken, ein

709811/0716

2638U7

Teil des Saugrohrs 38 und ein Teil des Kopfabschlusses 44 dargestellt, die an sich bekannt-sind.

In den Fig. 2, 3 und 4 ist eine zweite Ausführungsform benutzt, in der ein sogenannter toter oder spannungsfreier Bolzen 48 und ein Brückensegment 50 benützt werden, welches auf angesetzten Verlängerungsteilen 53 aufliegt, die ihrerseits sich von der oberen Lippe 52 weg erstrecken. Muttern 49 und 51 rufen eine vorbestimmte Spannung am Bolzen 48 hervor, um die obere Lippe 52 in Abstand einhaltender Beziehung zur unteren Lippe 54 zu halten. Dabei ist beabsichtigt, daß ein Hydraulik-Kolben-Zylinder-Servomotor in Verbindung mit jeder Mutter 49 oder 51 benützt wird, damit eine Hydraulikkraft angelegt werden kann, so daß die Belastung gegenüber dem Bolzen 48 verändert und somit die Steuerung eines Lecks an der oberen und unteren Seite des betreffenden Einlaßtores durch Steuerung des Zwischenraums zwischen dem Tor 64 und den Lippen 52, 54 möglich ist.

In Fig. 3 ist schließlich noch eine Hülse bzw. Muffe 55 dargestellt, die in Fig. 2 der Klarheit wegen weggelassen wurde und zur Erzeugung eines Drehmomentes dient. Die Hülse oder Muffe 55 verbindet einen Leitarm 56 mittels eines Flansches 60 und zwei oder mehrerer Stifte 65 mit dem zugeordneten Einlaßtor 64. Die Anordnung von einer oder mehreren verschlossenen öffnungen 67, mit welchen die Stifte 65 selektiv ausgerichtet werden können, ermöglicht die Entfernung oder den Einsatz der Stifte 65· Auf diese Weise wird die Entfernung oder der Ersatz einzelner Einlaßtore durch das nach oben gerichtete Zurückziehen des betreffenden Bolzens 48 bei der Entfernung der unteren Mutter 51 möglich, woraufhin die Entfernung der Stifte 65 folgt, wodurch das betreffende Tor bzw. die betreffende Klappe 64 in Querrichtung aus den beiden Lippen 52, 54 heraus entfernt werden kann. Das Tor oder die Klappe 64 kann dann leicht durch das Spiralgehäuse entfernt werden.

70981 1/0716

Aus Sicherheitsgründen sind die verschlossenen Öffnungen oder Bohrungen 67 derart angeordnet, ,daß sie zu den Stiften 65 für eine Stellung des Einlaßtores 64 ausgerichtet sind, die einer Toröffnung entspricht, die über dem maximalen Öffnungsgrad liegt, der von dem Servomotor für das Einlaßtor bewirkt wird. Dies verhindert eine zufällige Verlagerung der Stifte 65 während des Betriebs der Turbomaschine .

Bei der dargestellten Ausf ührungsform ist der gestrichelt gezeigte Grundkreis P so angeordnet, daß er praktisch in Koinzidenz die Achse 70 der Bolzen 48-schneidet.

70981 1/0716

Claims

Patentansprüche

1. Ringförmiges Spiralgehäuse für Turbomaschinen, insbesondere für Turbinen und/oder Turbinenpumpen zur Bildung eines Strömungswegs mit sich progressiv änderndem Querschnitt für Druckflüssigkeit, wobei ein Laufrad im Zentrum des Spiralgehäuses fest angeordnet ist und dessen Hauptachse im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Spiralgehäuses liegt,

dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen Querschnittsprofile des Spiralgehäuses (10), die senkrecht zu dessen Ebene stehen, eine im wesentlichen bogenförmige Wand'umfassen, welche an einem freien Öffnungsschlitz in Form eines Kreisringes endet, welcher sich in nach innen gerichteter Beziehung auf die Achse des Spiralgehäuses zu erstreckt und sich unter einem geringeren Bogen gegenüber dem zugeordneten Spiralabschnitt hinzieht, daß eine Vielzahl von stabförmigen Verbindungsgliedern (18) unter Einhaltung eines Abstands zueinander um die Peripherie der Öffnung angeordnet ist, wobei sich jedes Verbindungsglied über die öffnung in • verbindender Beziehung zu dieser befindet und daß jedes Verbindungsglied praktisch unmittelbar an dem Grundkreis des Abschnitts des Spiralgehäuses bzw. der Ladereintrittsspirale anliegt.

2. Spiralgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsschlitz im wesentlichen coplanar zur Ebene des Spiralgehäuses ist.

70981 1 /0716

35. Spiralgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsschlitz gegenüber der Ebene des Spiralgehäuses geneigt ist.

4. Spiralgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Einlaßtoren (24; 64) um den Öffnungsschlitz in gegenseitiger Abstandsbeziehung angeordnet und auf jeweils einem Verbindungsglied (18) zur · drehfähigen Positionierung um die Längsachse des betreffenden Einlaßtores angeordnet sind.

5. Spiralgehäuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsglieder (18) drehfähig angeordnet sind, um die Einlaßtore zur Ausführung der Dreheinstellung zu halten;

6. Spiralgehäuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsglieder Bolzen aufweisen, welche die Einlaßtore drehfähig in koaxialer Beziehung tragen.

7· Spiralgehäuse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsbolzen umfassende Einrichtung selektiv veränderbare Hydraulik-Belastungseinrichtungen aufweist, mit welchen die Öffnungsweite des Öffnungsschlitzes steuerbar ist.

8. Spiralgehäuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine oberer und ein unterer Verteilerring in einer belastungsübertragenden Beziehung zu dem Spiralgehäuse befestigt sind, daß die Verbindungsglieder Bolzen aufweisen, welche die Verteiler- bzw. leitringe miteinander verbinden, daß auf diesen Bolzen Muttern in belastungsübertragender Beziehung befestigbar sind, um die Ringe in einer vorbestimmten belastungsübertragenden Beziehung zu sichern, wobei die Einlaßtore in drehfähiger Beziehung auf den Bolzen befestigt sind.

709811/0716

_₁₂_ 2638U7

9. Spiralgehäuse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jochförmige Segmente vorgesehen sind, um eine Demontage bestimmter, einzelner Verbindungsglieder und der zugeordneten Einlaßtore zu ermöglichen.

10. Spiralgehäuse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Läuferrad drehfähig in koaxialer Beziehung vorgesehen ist.

11. Spiralgehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsglieder im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Spiralgehäuses angeordnet sind.

70981 1 /071 6