WO2003098032A2 - Spirale einer strömungsmaschine - Google Patents

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    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the invention relates to a spiral of a turbomachine, which consists of a number of interconnected segments and at least one parallel plate, and an application of such a spiral in a hydropower plant.
  • spirals of fluid-flow machines such as turbines, pump turbines or pumps
  • the spirals of fluid-flow machines are generally formed from individual segments welded together.
  • the object of the invention has now set itself the task of specifying a spiral, which makes it possible to use thinner sheets for the spiral and at the same time improves the flow of the spiral.
  • a reinforcing plate which forms part of the shell of the spiral is arranged on at least one connecting joint between two segments of the spiral and / or in the region of the transition from the spiral to the parallel plate.
  • the reinforcement plates also cause a weaker deflection of the liquid medium in the spiral, which improves the flow contour in the spiral.
  • a particularly voltage-reducing and flow-improving configuration is obtained if the reinforcing plate is triangular.
  • the reinforcement plates are advantageously used in such a way that the inner contour of the spiral is essentially retained by the reinforcement plate, with the result that the flow contour of the spiral is improved by the gentler deflections that result. This reduces flow losses and improves efficiency.
  • the reinforcement plates are only arranged in the area of the spiral with the largest diameters, since the greatest loads occur there and the reinforcement plates can therefore also have the greatest effect.
  • At least one reinforcing plate is advantageously arranged on both sides of the transitions to the parallel plate.
  • a spiral according to the invention can be produced simply by welding the segments and welding the reinforcement plates into recesses in the spiral or welding the reinforcement plates on.
  • Fig. 1 shows a part of a spiral with reinforcing sheets according to the invention and Fig. 2 shows a cross section through the spiral with a parallel plate.
  • a section of a spiral 1 of a turbomachine such as a Francis turbine, a pump turbine or a pump, which is composed of several segments 2 for reasons of production technology.
  • the segments 2 are welded to one another along the segment joints 5.
  • the spiral 1 is welded to a parallel plate 3 to which other components of the turbomachine, such as a turbine cover, the stator ring, etc., can be flanged.
  • well-known support blades or other suitable connecting elements such as spacer supports, etc., not yet shown here, could also be arranged.
  • the spiral 1 with the largest cross-sectional diameters, i.e.
  • reinforcement plates 4 are now arranged in the intersection area of the segment joints 5 with the parallel plate 3, i.e. in the area in which the greatest stresses and loads normally occur.
  • the reinforcement plates 4 are designed triangular here and are welded into recesses in the casing of the spiral 1, so that the base of the triangle is connected to the parallel plate 3 and the two legs of the triangle converge at the segment joint 5 to form a rounded tip.
  • the shape of the reinforcement plate is of course not limited to a triangle, but any other shape, such as an elliptical or oval reinforcement plate, is also conceivable.
  • the circular inner contour of the spiral is essentially retained.
  • the internal contour could be changed by the reinforcement plates 4 for fluidic or voltage-related reasons, e.g. the radius of the reinforcement plate 4 could be chosen somewhat larger than the inner spiral radius.
  • the reinforcing plate 4 is thicker here than the rest of the spiral 1, or better expressed, the plate thickness of the spiral 1 can be chosen thinner than before by the stress-reducing effect of the reinforcing plates 4, which results in a considerable weight saving of the spiral 1.
  • a reinforcing plate 4 is used on both sides of the parallel plate 3.
  • the number of segments is doubled from the view of the parallel plate 3 through the reinforcement plates 4, since the reinforcement plate 4 actually functions as a segment in the region of the parallel plate 3. This reduces the opening angle of the individual segments, which in turn leads to smaller voltage peaks.
  • the reinforcement plates 4 also have an advantageous flow effect, since the reduced deflection of the medium reduces the risk of the medium detaching from the spiral skin, and the flow contour is thus improved.

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Abstract

Um die Spannungsspitzen an den Übergängen von der Spirale zur Parallelplatte zu verringern und gleichzeitig die Strömungsverhältnisse in der Spirale zu verbessern, wird eine Spirale vorgeschlagen, die teilweise im Verschneidungsbereich zwischen Spirale und Parallelplatte Verstärkungsbleche aufweist-

Description

Spirale einer Strömungsmaschine
Die Erfindung betrifft eine Spirale einer Strömungsmaschine, die aus einer Anzahl von miteinander verbundenen Segmenten und zumindest einer Parallelplatte besteht, sowie einer Anwendung einer solchen Spirale bei einem Wasserkraftwerk.
Die Spiralen von Strömungsmaschinen, wie Turbinen, Pumpturbinen oder Pumpen, werden in der Regel aus einzelnen miteinander verschweißten Segmenten gebildet. Dabei wird die Spirale spannungs- und strömungsmäßig umso günstiger, je mehr Segmente vorgesehen werden. Auf der anderen Seite verteuert sich eine Spirale je mehr Segmente vorgesehen werden. Aus diesem Grund werden Spiralen eher mit weniger Segmenten gefertigt, wobei die an den Übergängen der Spirale zur Parallelplatte auftretenden Spannungsspitzen durch entsprechende Blechdicken der Spiralhaut abgefangen werden. Strömungstechnische Nachteile werden dabei in Kauf genommen.
Die gegenständliche Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, eine Spirale anzugeben, die es ermöglicht dünnere Bleche für die Spirale zu verwenden und gleichzeitig die Spirale strömungsmäßig verbessert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an zumindest einer Verbindungsfuge zweier Segmente der Spirale und/oder im Bereich des Überganges der Spirale zu der Parallelplatte ein Verstärkungsblech angeordnet ist, welches einen Teil des Mantels der Spirale bildet.
Durch das Verstärkungsblech im Bereich des Überganges wird die Spirale spannungsmäßig günstiger, die Spannungsspitzen reduzieren sich, womit für die Spirale selbst dünnere Bleche verwendet werden können. In der Praxis konnte somit eine Reduzierung des Gewichts einer Spirale von bis zu 10% erreicht werden, was sich auch in den Herstellungskosten entsprechend niederschlägt.
Die Verstärkungsbleche bewirken außerdem eine schwächere Umlenkung des flüssigen Mediums in der Spirale, wodurch sich die Strömungskontur in der Spirale verbessert.
Eine besonders Spannungsreduzierende und strömungsverbessemde Ausgestaltung ergibt sich, wenn das Verstärkungsblech dreiecksförmig ausgeführt ist.
Die Verstärkungsbleche werden dabei vorteilhafter Weise derart eingesetzt, dass durch das Verstärkungsblech die innere Kontur der Spirale im Wesentlichen erhalten bleibt, womit die Strömungskontur der Spirale durch die sich ergebenden sanfteren Umlenkungen verbessert wird. Damit sinken die Strömungsverluste und der Wirkungsgrad verbessert sich. Aus Effizienz- und Kostengründen werden die Verstärkungsbleche lediglich im Bereich der Spirale mit den größten Durchmessern angeordnet, da dort die größten Belastungen auftreten und die Verstärkungsbleche daher auch die größte Wirkung entfalten können.
Da die Belastungen um die Mittelebene im Wesentlich symmetrisch auftreten, werden günstiger Weise zumindest je ein Verstärkungsblech an beiden Seiten der Übergänge zu der Parallelplatte angeordnet.
Eine erfindungsgemäße Spirale kann einfach durch Verschweißen der Segmente und Einschweißen der Verstärkungsbleche in Ausnehmungen der Spirale bzw. Aufschweißen der Verstärkungsbleche gefertigt werden.
Aus Sicherheitsgründen werden die am höchsten belasteten Stellen der Spirale teilweise freigelassen um spätere Kontrollen dieser Stellen zuzulassen. Dies ist nun nicht mehr erforderlich, da das Spannungsniveau durch die Verstärkungsbleche abgesenkt wird, sondern die Außenfläche der Spirale können im Bereich der Verstärkungsbleche vollständig einbetoniert werden, was die konstruktive Gestaltung eines Wasserkraftwerkes erheblich vereinfachen kann.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beispielhaften, schematischen und nicht einschränkenden Figuren 1und 2 beschrieben. Dabei zeigt
Fig. 1 einen Teil einer Spirale mit erfindungsgemäßen Verstärkungsblechen und Fig. 2 einen Querschnitt durch die Spirale mit einer Parallelplatte.
In Fig. 1 ist ein Ausschnitt einer Spirale 1 einer Strömungsmaschine, wie z.B. einer Francis- Turbine, einer Pumpturbine oder einer Pumpe, gezeigt, die aus fertigungstechnischen Gründen aus mehreren Segmenten 2 zusammengesetzt wird. Die Segmente 2 sind in diesem Ausführungsbeispiel entlang der Segmentfugen 5 miteinander verschweißt. Die Spirale 1 ist mit einer Parallelplatte 3 verschweißt an dem andere Bauteile der Strömungs- maschine, wie z.B. ein Turbinendeckel, der Leitradring, etc., angeflanscht werden können. Zwischen einer oberen und unteren Parallelplatte 3 könnten ebenfalls noch hier nicht dargestellte, hinlänglich bekannte Stützschaufeln oder andere geeignete Verbindungselemente, wie Abstandsstützen, etc., angeordnet sein. Im Bereich der Spirale 1 mit dem größten Querschnittsdurchmessern, also dort wo die größten Belastungen auftreten sind nun im Verschneidungbereich der Segmentfugen 5 mit der Parallelplatte 3, also im Bereich in dem normalerweise die größten Spannungen und Belastungen auftreten, Verstärkungsbleche 4 angeordnet. Die Verstärkungsbleche 4 sind hier dreiecksförmig ausgeführt und sind in Ausnehmungen im Mantel der Spirale 1 eingeschweißt, sodass die Grundseite des Dreiecks mit der Parallelplatte 3 verbunden ist und die beiden Schenkel des Dreiecks an der Segmentfuge 5 zu einer abgerundeten Spitze zusammenlaufen.
Die Form des Verstärkungsbleches ist selbstverständlich nicht auf ein Dreieck beschränkt, sondern es sind auch beliebige andere Formen, wie beispielsweise ein ellipsenförmiges oder ovales Verstärkungsblech, denkbar.
Wie der Fig. 2 entnommen werden kann, bleibt die kreisförmige Innenkontur der Spirale im Wesentlichen erhalten. Selbstverständlich könnte aus strömungstechnischen oder spannungsbedingten Gründen die Innenkontur durch die Verstärkungsbleche 4 verändert werden, z.B. könnte der Radius des Verstärkungsbleches 4 etwas größer gewählt werden, wie der innere Spiralradius.
Das Verstärkungsblech 4 ist hier dicker wie der Rest der Spirale 1 , oder besser ausgedrückt kann die Blechstärke der Spirale 1 durch die Spannungsreduzierende Wirkung der Verstärkungsbleche 4 dünner wie bisher gewählt werden, wodurch sich eine erhebliche Gewichtseinsparung der Spirale 1 ergibt. In diesem Ausführungsbeispiel ist zu beiden Seiten der Parallelplatte 3 ein Verstärkungsblech 4 eingesetzt.
Wie der Fig. 1 entnommen werden kann wird aus Sicht der Parallelplatte 3 durch die Verstärkungsbleche 4 die Anzahl der Segmente verdoppelt, da im Bereich der Parallelplatte 3 das Verstärkungsblech 4 eigentlich als Segment fungiert. Dadurch wird der Öffnungswinkel der einzelnen Segmente verkleinert, was wiederum zu kleineren Spannungsspitzen führt. Darüber hinaus wirken sich die Verstärkungsbleche 4 auch strömungsmäßig vorteilhaft aus, da durch die verringerte Umlenkung des Mediums die Gefahr des Ablösen des Mediums von der Spiralhaut verringert wird, die Strömungskontur somit verbessert wird.
In den obigen Ausführungen wird nur von eingesetzten Verstärkungsblechen gesprochen, es ist aber selbstverständlich ebenfalls denkbar, Verstärkungsbleche an den entsprechenden Stellen, vorzugsweise außen, auf den Mantel des Spirale aufzuschweißen, was im Wesentlichen die gleiche Wirkung entfalten würde.
Aufgrund der Spannungsreduzierenden Wirkung der Verstärkungsbleche ist es nunmehr nicht mehr erforderlich, diese Stellen der höchsten Belastungen beim Einbetonieren der Spirale freizulassen, um spätere Kontrollen zu ermöglichen, sondern es kann bei Bedarf die gesamte Spirale einbetoniert werden, was den Bau eines Wasserkraftwerkes natürlich vereinfacht. Aus Sicherheitsgründen könnten diese Stellen bei Bedarf jedoch natürlich nach wie vor freigehalten werden.

Claims

Patentansprüche
1. Spirale einer Strömungsmaschine, die aus einer Anzahl von miteinander verbundenen Segmenten und zumindest einer Paralielplatte besteht, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einer Verbindungsfuge zweier Segmente der Spirale und/oder im Bereich des Überganges der Spirale zu der Parallelplatte ein Verstärkungsblech angeordnet ist, welches einen Teil des Mantels der Spirale bildet.
2. Spirale nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsblech dreiecksförmig ausgeführt ist.
3. Spirale nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Verstärkungsblech die innere Kontur der Spirale im Wesentlichen erhalten bleibt.
4. Spirale nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsbleche im Bereich der Spirale mit den größten Durchmessern angeordnet sind.
5. Spirale nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest je ein Verstärkungsblech an beiden Seiten der Übergänge zu der Parallelplatte angeordnet ist.
- 6. Spirale nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente miteinander verschweißt sind.
7. Spirale nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spirale Ausnehmungen aufweist in die Verstärkungsbleche in die Spirale eingeschweißt sind.
8. Spirale nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Verstärkungsbleche außen auf den Mantel der Spirale aufgeschweißt sind.
9. Wasserkraftwerk bestehend aus zumindest einer Turbine oder Pumpturbine mit einer Spiralzuführung des flüssigen Mediums und einem geeigneten Generator, wobei die Spirale der Turbine oder Pumpturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7 gefertigt ist.
10. Wasserkraftwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche der Spirale zumindest im Bereich der Verstärkungsbleche vollständig einbetoniert ist.
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