EP2089631A1 - Hydraulische maschine mit einem speziell geformten spiralgehäuse - Google Patents

Hydraulische maschine mit einem speziell geformten spiralgehäuse

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EP2089631A1
EP2089631A1 EP07801760A EP07801760A EP2089631A1 EP 2089631 A1 EP2089631 A1 EP 2089631A1 EP 07801760 A EP07801760 A EP 07801760A EP 07801760 A EP07801760 A EP 07801760A EP 2089631 A1 EP2089631 A1 EP 2089631A1
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EP
European Patent Office
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spiral housing
impeller
hydraulic machine
ring
traverse
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07801760A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bodo Quaschnowitz
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Voith Hydro Holding GmbH and Co KG
Original Assignee
Voith Hydro Holding GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Voith Hydro Holding GmbH and Co KG filed Critical Voith Hydro Holding GmbH and Co KG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/16—Stators
    • F03B3/18—Stator blades; Guide conduits or vanes, e.g. adjustable
    • F03B3/186—Spiral or volute casings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2230/00—Manufacture
    • F05B2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05B2230/23—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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    • F05B2230/23—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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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
    • Y02E10/20—Hydro energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a hydraulic machine, in particular a water turbine, pump turbine or pump, according to the preamble of claim 1.
  • a hydraulic machine 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.
  • the spiral housing of such a machine encloses the impeller. It lies in a plane perpendicular to the axis of rotation of the impeller. Since 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 a slot which runs around the inner circumference of the spiral housing, so that medium can flow from the spiral housing through the slot on the entire inner circumference to the impeller.
  • the slot is thus defined by two circumferential edges.
  • a truss ring At the said slot closes 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 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.
  • connection durable and reliable, with the least possible use of materials.
  • connection is a welded connection between the respective circumferential edge of the spiral housing and the associated cross-beam deck.
  • the preparation of this compound has proven to be costly.
  • the invention has for its object to design a hydraulic machine of the type mentioned, which has a spiral housing and a truss ring, such that the connection between the peripheral edges of the slot of the spiral housing and the associated Traversenringdecks is even safer than in known machines ,
  • the areas of the peripheral edges of the spiral housing - seen in an axial section - are designed so that they are approximately parallel to the axis of rotation of the impeller. A slight deviation from parallelism is allowed. However, it should not be more than 11 degrees. Even a small deviation of 1, 2, 3, 4, 5, 6 degrees may be appropriate by senses that the peripheral edge is slightly opposite to the axis of rotation of the impeller. In practice, you will move between 5 and 11 degrees.
  • the spiral housing is usually composed of segments. Seen in an axial section, the segments have approximately circular shape, of course, except for the edge regions. Outside the edge areas, the Segments but also have a shape deviating from the circular shape, as can be seen from the figures.
  • 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.
  • the cross section of the spiral housing deviates from the circular shape that it normally has, at least in the connection area.
  • FIG. 1 shows the essential components of a conventional Francis turbine in a meridian section.
  • FIG. 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.
  • FIG. 3 again shows, in a meridian section, a volute casing with the two traverse ring decks of a truss ring according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 4 shows in a three-dimensional representation the first embodiment of the invention
  • the Francis turbine shown in Figure 1 has an impeller 1. This comprises a plurality of blades 1.1.
  • the impeller 1 passes 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 slot-shaped opening against the impeller 1 out.
  • the opening slot is limited by circumferential edges 3.1, 3.2.
  • a truss ring 4 connects at the circumferential, formed from the edges 3.1, 3.2 slot. This has two traverse ring decks 4.1 and 4.2. A Traverse 4.3 serves as a tie rod.
  • the areas of the peripheral edges 3.1, 3.2 of the spiral housing are welded to the cross-ribbed decks 4.1, 4.2.
  • a suction pipe 6 is connected, which has a plurality of sections.
  • the spiral housing is of circular cross-section.
  • the areas of the peripheral edges are inclined at the connection points to the two truss ring decks 4.1, 4.2 against the vertical. This means that the edge regions of the spiral housing do not run parallel to the axis of rotation 2 of the impeller 1. See in Figure 1 angle ⁇ . This is approximately 15 to 40 degrees.
  • Figures 2 and 3 illustrate two different embodiments of the invention. Moreover, the associated hydraulic machines can be constructed the same as the machine shown in Figure 1.
  • Edge regions of the spiral housing 3 are deformed relative to the circular shape. They run virtually parallel to the axis of rotation 2 according to FIG. 1.
  • the fastening is produced by means of weld seams 7.
  • the truss rings 4.1, 4.2 are again of conventional shape and arrangement.
  • the edge regions 3.1, 3.2 are in turn perpendicular to the traverse ring decks 4.1, 4.2 and extend according to parallel to the axis of rotation 2 of the impeller 1.
  • the remaining cross-section of the spiral housing 3 is approximately elliptical.
  • FIG. 2 From the point of view of the uniformity of the stress distribution, the embodiment according to FIG. 2 is to be preferred to FIG. 3.
  • the third embodiment of the invention shown in FIG. 4 again has quasi-conventional traverse ring decks 4.1, 4.2.
  • the cross-section of the volute does not form a single circle but is three
  • Composed circular arc namely a first circular arc 3.3 and a second and a third circular arc 3.4, 3.5.
  • the first circular arc 3.3 has a relatively large radius R1
  • the other two circular arcs 3.4, 3.5 each have a relatively small circular arc R2.
  • connection points between the spiral housing 3 - here the two circular arc 3.4, 3.5 on the one hand, and the Traversenringdecks 4.1, 4.2 on the other hand - are each formed almost at right angles.
  • the tie rod 4.3 continues in the same direction as the two edge regions of the peripheral edges 3.1, 3.2 of the spiral housing 3.
  • the lines of tensile stresses in the tie rod 4.3 and in the edge regions of the circular arc 3.4, 3.5 are thus aligned with each other.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Es wird eine hydraulische Maschine mit folgenden Merkmalen vorgestellt: - mit einem Laufrad, das eine Vielzahl von Schaufeln aufweist; - mit einem Spiralgehäuse, dass das Laufrad umschließt und gegen dieses hin durch einen umlaufenden Schlitz offen ist, gebildet aus zwei umlaufenden Kanten; - mit einer Traversenring, umfassend zwei Traversenringdesks, die durch Zuganker miteinander verbunden sind; - das Spiralgehäuse ist im Bereich der umlaufenden Kanten an Anschlussflächen der Traversenringdecks angeschlossen. Die hydraulische Maschine 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 alpha von maximal 11 Grad bilden.

Description

Hydraulische Maschine
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:
Figur 1 zeigt die wesentlichen Bauteile einer konventionellen Francis-Turbine in einem Meridianschnitt. Figur 2 zeigt wiederum in einem Meridianschnitt ein Spiralgehäuse mit den beiden Traversenringdecks eines Traversenrings gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 3 zeigt wiederum in einem Meridianschnitt ein Spiralgehäuse mit den beiden Traversenringdecks eines Traversenrings gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 4 zeigt in einer dreidimensionalen Darstellung die erste Ausführungsform der Erfindung
Die in Figur 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 Figur 1 Winkel α. Dieser liegt bei annähernd 15 bis 40 Grad.
Die Figuren 2 und 3 veranschaulichen zwei verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Im übrigen können die zugehörenden hydraulischen Maschinen gleich aufgebaut sein, wie die in Figur 1 dargestellte Maschine.
Den beiden Ausführungsformen gemäß Figur 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 Figur 2 wird dies dadurch erreicht, dass die
Kantenbereiche des Spiralgehäuses 3 gegenüber der Kreisform verformt sind. Sie verlaufen praktisch parallel zur Drehachse 2 gemäß Figur 1. Die Befestigung ist mittels Schweißnähten 7 hergestellt.
Bei der zweiten Ausführungsform gemäß Figur 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 Figur 2 gegenüber Figur 3 zu bevorzugen. Die in Figur 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.
Bezugszeichenliste
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

Patentansprüche1. 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.
2. Hydraulische Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Spiralgehäuse (3) in einem Meridianschnitt gesehen aus Kreisbogen unterschiedlicher Durchmesser aufgebaut ist.
3. 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.
EP07801760A 2006-10-25 2007-08-18 Hydraulische maschine mit einem speziell geformten spiralgehäuse Withdrawn EP2089631A1 (de)

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DE (1) DE102006050203A1 (de)
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