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Spiralgehäuse für Strömungsmaschinen, insbesondere Turbinen, Pumpen
oder Pumpenturbinen Die Erfindung bezieht sich auf ein Spiralgehäuse für
Strömungsmaschinen, insbesondere Turbinen, Pumpen oder Pumpenturbinen. Der vorteilhaften
Ausbildung solcher Spiralgehäuse, die aus einer Spirale und einem an diese angeschlossenen
Vorleitschaufelring bestehen, kommt sowohl wegen ihrer hohen Beanspruchung als auch
wegen der verhältnismäßig hohen Kosten, insbesondere bei den heute Üblichen Großausführungen
von Strömungsmaschineu, erhebliche Bedeutung zu. Man ist daher bestrebt, die Gehäuse
mit einem geringstmöglichen Aufwand an Material und Löhnen möglichst beanspruchungsgerecht
auszubilden.
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Aus hydraulischen Gründen hielt man es lange Zeit für notwendig, die
Spiralenblechschüsse im Querschnitt gesehen möglichst stetig in die den Wasserführungskanal
begrenzenden Grundringe des Vorleitschaufelrings übergehend an diese anzuschließen.
Hinsichtlich der Einleituno, der aus dem sogenannten Blechzug der Spirale herrührenden
großen Kräfte in den Vorleitschaufelring ergaben sich dadurch zwangläufig sehr ungünstige
Verhältnisse, insbesondere eine starke Verwindungsbeanspruchung der Vorleitschaufelringkränze
und Biegungsbeanspruchung der Vorleitschaufeln, denen nur mit einem erheblichen
Materialaufwand Rechnung getragen werden konnte.
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In jüngster Zeit hat sich nun mehr und mehr die Erkenntnis durchgesetzt,
daß ein stetiger übergang von den Spiralenquerschnitten in die den Wasserführungskanal
begrenzenden Grundringe des Vorleitschaufelrings aus hydraulischen Gründen nicht
erforderlich ist. Damit ergibt sich aber sowohl hinsichtlich der Ausbildung des
Anschlusses der Spirale an den Vorleitschaufelring als auch hinsichtlich der Ausbildung
des Vorleitschaufelrings selbst eine sehr viel größere Freizügigkeit, von welcher
bei verschiedenen bekannten Vorschlägen auch schon Gebrauch ge-
macht wurde.
So sind gemäß einem bekannten Vorschlag die Rohrstücke der Stahlblech-Spirale mit
dem aus zwei flachen Stahlblech-Grundringen mit senkrecht zur Drehachse der Maschine
liegenden, zueinander parallelen Flächen und zwischengeschweißten Stützschaufeln
bestehenden Vorleitschaufelring in der Nähe der Querschnittsschwerpunkte
der Grundringe verschweißt, so daß die von der Spirale in die Grundringe, eingeleiteten
Kräfte durch die Schwerpunkte der Grundringe gehen. Ein solches Gehäuse ist zwar
einfach in seinem Aufbau, hinsichtlich der Kraftverteilung wird es den Anforderungen
jedoch nicht gerecht; zum einen wegen der - in Meridianschnitten betrachtet
- praktisch punktförmigen und dementsprechend ungünstigen konzentrischen
Ein-Z, leitung der, den Vorleitschaufelring wohl am stärksten beanspruchenden, von
den Spiralenblechschüssen ausgeübten Zugkräfte in die Vorleitschaufeln, zum anderen
wegen des äußerst geringen Widerstandsmoments der Grundringe zur übertragung der
- durch den Druck des Betriebsmediums auf die stützschaufelseitigen Grundringflächen
in den zwischen den Stützschaufeln liegenden Bereichen der Grundringe hervorgerufenen
- sogenannten »Brilkkenspannungen« sowie auch wegen der geringen Formsteifigkeit
der Grundringe gegen die bei ihrem Verschweißen mit den Spiralenblechschüssen auftretenden
Schrumpfspannungen bzw. Schrumpfverwerfungen; schließlich aber auch deshalb, weil
diese Art und Weise der Einleitung des Blechzuges in den Vorleitschaufelring der
im Hinblick auf die Erzielung eines formsteifen Gehäuses durch eine möglichst verwindungsfreie
Beanspruchun 'g des Vorleitschaufelrings und eine möglichst biegungsfreie
Beanspruchung der Vorleitschaufeln zu erfüllenden Forderung, daß die Resultierende
aller am Vorleitschaufelring angreifenden äußeren Kräfte zumindest nahezu mit der
Schwerachse der Vorleitschaufeln zusammenfallen soll, nicht Rechnung trägt und auch
gar nicht Rechnung tragen kann.
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Es wurde auch schon vorgeschlagen, bei Vorleitschaufelringen, deren
Ringkränze nicht als flache Stahlblech-Grundringe, sondern als über den ganzen Umfang
völlig geschlossene, im Querschnitt betrachtet etwa quadratische kastenförmige Hohlprofilringe
ausgebildet sind, diese im Bereich ihrer vom Wasserführungsspalt des Vorleitschaufelrings
entfernt liegenden äußeren Kanten an die Spirale anzuschließen. Zwar ergeben sich
durch die kastenförmige Ausbildung der Ritigkranzquerschnitte - allerdings
mit einem entsprechend hohem Material- und Lohnaufwand
erkaufte
- Vorteile hinsichtlich der Verwindungssteifigkeit der Ringkränze sowie in
bezug auf die Brücken- und Schrumpfspannungen. Da jedoch auch hier die Einleitung
des Blechzuges in den Vorleitschaufelring unter Außerachtlassung der Forderung erfolgt,
daß die Resultierende aller am Vorleitschaufelring angreifenden äußeren Kräfte zumindest
nahezu mit der Schwerachse der Vorleitschaufeln zusammenfallen soll, -die
Einleitung des Blechzuges daher aber sehr ungünstig ist, werden sowohl an den Ringkränzen
als auch an den Vorleitschaufeln erhebliche Momente hervorgerufen, denen nur durch
eine sehr kräftige Ausbildung dieser Teile Rechnung getragen werden kann. Da letzteres
aber mit einem beachtlichen Materialaufwand bzw. mit einer schlechten Materialausnutzung
und dementsprechend mit unnötig hohen Kosten gleichbedeutend ist, kann auch dieser
Vorschlag nicht befriedigen.
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Bei einem weiteren bekannten Spiralgehäuse besteht der Vorleitschaufelring
aus zwei kegel- oder pyramideristumpfförrnigen Grundringen, die durch die Stützschaufeln
miteinander verbunden und in etwa tangentialer Verlängerung der Spiralenblechschüsse
an diese angeschlossen sind. Abgesehen von dem in bezug auf die Brückenspannungen
sehr geringen Widerstandsmoment der zwischen den Stützschaufeln liegenden Teile
der Grundringe erfolgt auch hier die Einleitung des Blechzuges in den Vorleitschaufelrino,
so, daß die Resultierende aller an ihm angreifenden Kxäfte nicht annähernd mit der
Schwerachse der Stützschaufeln zusammenfällt. Infolgedessen treten auch bei diesem
Spiralgehäuse an den Grundringen und den Stützschaufeln erhebliche Verwindungs-
bzw. Biegungsmomente auf, denen infolge der in bezug auf Verwindung an sich nicht
sehr günstigen Ausbildung und Anordnung der Grundringe auch durch eine verstärkte
Ausführung der Teile oder auch durch zusätzliche Versteifungen, also selbst durch
vermehrten Materialaufwand nur unzureichend Rechnung getragen werden kann.
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Die Erfindung bezweckt nun, die Nachteile der bekannten Ausführung
von Spiralgehäusen zu vermeiden und unter Beachtung aller möglichen Betriebszustände
ein solches Spiralgehäuse zu schaffen, bei dem die Vorleitschaufeln durch die von
der Spirale bzw. deren Blechschüssen her wirksamen Kräfte über ihren Profilquerschnitt
hinweg möglichst gleichmäßig auf Zug beansprucht werden und bei dem die gesamten
am VorleitschaufeIring angreifenden Kräfte so gut wie keine Verwindungsbeanspruchung
der Ringkränze und Biegung der Vorleitschaufeln hervorrufen. Für ein Spiral"c",ehäuse
für Strömungsmaschinen, insbesondere Turbinen, Pumpen oder Pumpenturbinen, mit einer
oder mehreren aus einer Anzahl von in Umfangsrichtung aneinandergeschweißten Blechschüssen
bestehenden Spiralen, einem an die Spirale bzw. an jede der Spiralen angeschlossenen,
aus zwei in Achsrichtung nebeneinanderliegenden Ring.,kränzen und zwischen diesen
angeordneten VorleitschaufeIn bestehenden Vorleitschaufelring und ge-Erebenenfalls
mit am Vorleitschaufelring angebrachten Einrichtungen zum Befestigen eines Verschlußdeckels
(Turbinendeckel od..dgl.) und/oder zur Abstützung des Spiralgehäuses bzw. Vorleitschaufelrings
im Fundament wird gemäß der Erfindung daher vorgeschlagen, die Enden bzw. bei Doppel-
oder Mehrfachspiralen wenigstens die in Richtung der Maschinenachse außenliegeglen
Enden der Spiralenblechschüsse in wenigstens zwei Schenkel zu verzweigen und mit
diesen in ausreichendem Abstand voneinander und im wesentlichen die ganze radiale
Breite des Vorleitschaufelrings erfassen - an den vom Wasserführungsspalt
des Vorleitschaufelrings abgewandten Seiten der Vorleitschaufelringkränze anzuschließen,
wobei die Lage der Verzweigungsstelle und der Anschlußstellen so festgelegt sind,
daß die aus dem Blechzuo, der Spirale herrührende Kraft so in den Vorleitschaufelrine
eingeleitet wird, daß die Resultierende aller am Vorleitschaufelring angreifenden
äußeren Kräfte (Blechzug, Wasserkraft und gegebenenfalls Deckelzug) zumindest nahezu
mit der Schwerachse der Vorleitschaufel zusammenfällt.
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Die unter Berücksichtigung sämtlicher am Vorleitschaufelring angreifenden
Kräfte vorgenommene gün-C el e stige Einleitung des Blechzuges in den Vorleitschaufelring
bewirkt, daß an den Vorleitschaufelringkränzen so gutwie kein verwindendes Moment
wirksam wird und dementsprechend die Vorleitschaufeln praktisch nur auf reinen ZuC
beansprucht sind. Diese fast verwindungs- und bieg ,ungsfreie Beanspruchung des
Vorleitschaufelrings gestattet es, diesen mit einem geringstmöglichen Materialaufwand
herzustellen, um C
so mehr, als die von den Verzweigungsschenkeln und den
Vorleitschaufelringkränzen gebildeten, im Querschnitt betrachtet etwa dreiecki-en
aeschlossenen C CD
Krafteinleitungsringe nicht nur sehr verwindungssteif,
sondern auch in bezug auf die Brücken- und Schrumpfspannungen günstig sind und daher
eine sehr gute Materialausnutzuno, gestatten.
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C
In zweckmäßig >er weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen,
die Vorleitschaufeln durch die Ringkränze hindurch bis an die Verzweigungsschenkel
heran- oder mit weni-Stens einem Teil ihres Proffls durch diese hindurchzuführen
und längs der Berührungs- bzw. Verschneidungslinien mit den Verzweigungsschenkeln
zu verschweißen. Dadurch ergibt sich eine noch gleichmäßigere und daher noch günstigere
Einleitung des Blechzuges, weil dieser nun praktisch über den ganzen Profilquerschnitt
der Vorleitschaufeln verteilt in diese bzw. in die Ringkränze eingeleitet wird.
Um eine möglichst verwindungs- und biegungsfreie Beanspruchung des Vorleitschaufelrings
zu erzielen, muß selbstverständlich auch hierbei die Lage der Verzweigungsstelle
sowie die Größe des oder der Verzweigungswinkel bzw. die Lage der Anschlußstellen
unter Berücksichtigung aller am Vorleitschaufelring angreifenden Kräfte festgelegt
werden.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in Ausführungsbeispielen gezeigt
und wird an Hand dieser noch näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Axialschnitt
durch die eine Hälfte eines Spiralgehäuses, bei dem die Enden der Spirale
C
mittels zweier Verzweigungsschenkel an die Vorleit-C schaufelringkränze
angeschlossen sind, F i g. 2 einen Ausschnitt des Spiralgehäuses der Fig.
1 in Draufsicht bzw. im Schnitt nach der Linie a-a der F i g. 1,
F
i lo,. 3 bis 5 in Axialschnitten Ausschnitte weiterer Ausführungsbeispiele
von Spiralgehäusen, bei denen der Vorleitschaufelring mit einer Einrichtung zum
Befestigen eines Verschlußdeckels oder auch zur Ab-
stützung im Fundament
versehen ist, und F i g. 6 einen Axialschnitt durch die eine Hälfte des Spiralgehäuses
für eine einflutige zweistufige Hochdruckpumpe mit liegender Welle.
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Beim Spiralgehäuse der F i g. 1 und 2 sind die C C2
Enden
der Blechschüsse 1 a der Spirale 1 in die Schenkel 2 und
3 verzweigt und mittels dieser an die senkrecht zur strichpunktiert dargestellten
Maschinenachse 4 angeordneten als ebene flache Grundringe ausgebildeten Ringkränze
5 des aus diesen und den zwischengeschweißten Vorleitschaufeln
6 bestehenden Vorleitschaufelrings angeschweißt, so daß die Verzweigungsschenkel
2 und 3 und die Vorleitschaufelringkränze 5 miteinander verwindungs-
und formsteife Krafteinleitungsringe mit über den ganzen Umfang des Spiralgehäuses
völlig geschlossenem etwa dreieckigem Hohlprofilquerschnitt bilden.
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Die Verzweigungsstellen 7 sowie die Anschlußstellen
8 und 9 bzw. die Verzweigungswinkela und fl zwischen den strichpunktiert
eingezeichneten taugentialen Verlängerungen 10 der Enden der Spirale
1
und den Verzweigungssehenkeln 2 und 3 sind in dem dargestellten Spiralgehäusequerschnitt
unter Berücksichtigung aller am Vorleitschaufelring angreifenden, nach Größe und
Richtung rechnerisch ermittelten äußeren Kräfte so festgelegt, daß deren Resultierende
zumindest nahezu mit der durch die strichpunktierte Linie 11 dargestellte
Schwerachse der Vorleitschaufeln 6 zusammenfällt.
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Wie in F i g. 1 durch die gestrichelt gezeichneten Kreisbögen
angedeutet ist, ändert sich der Durchmesser der Spirale 1 über den Umfang
des Spiralgehäuses hinweg fortlaufend. Dementsprechend ändert sich aber auch der
Blechzug der Spirale fortlaufend nach Richtung und Größe. Sofern sich aus der Rechnung
ergibt, daß diese Änderungen nur geringen Einfluß auf das Gesamtkräfteverhältnis
am Vorleitschaufelring haben, kann die Lage der Verzweigungsstellen 7 und
der Anschlußstellen 8 und 9 bzw. die Größe der Verzweigungswinkel
oc und ß über den ganzen Umfang des Spiralgehäuses hinweg beibehalten werden,
andernfalls ist diese in Umfangsrichtung des Spiralgehäuses von Querschnitt zu Querschnitt
fortlaufend entsprechend zu ändern. Unter Umständen lassen sich ausreichend gute
Verhältnisse schon erzielen, wenn die Änderung nur etwa bei jedem dritten Blechschuß
vorcenommen wird.
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Die Verzweigungsschenkel 2 und 3 können als einstückige kegel-
oder pyramidenstumpfförmige Ringe ausgebildet sein oder auch aus einer, insbesondere
mit der Zahl der Spiralenblechschüsse übereinstimmenden Anzahl entsprechend ausgebildeter
Segmente zu kegel- oder pyramidenstumpförinigen Ringen zusammengesetzt werden. Letzteres
empfiehlt sich insbesondere dann, wenn die Lage der Verzweigungs-und der Anschlußstellen
bzw. die Größe der Verzweigungswinkel sich über den Umfang des Spiralgehäuses hinweg
kontinuierlich oder von Blechschuß zu Blechschuß ändern soll und/oder wenn in an
sich bekannter Weise die Vorleitschaufeln 6 vom Spiralgehäuseanfang zum Spiralgehäuseende
hin fortlaufend oder gruppenweise zurückgeschnitten, d. h. mit geringerer
Profillängge und/oder Profildicke ausgebildet und eventuell auch noch in ebenfalls
bekannter Weise die Vorleitschaufelringkränze mit abnehmender radialer Erstreckung
ausgebildet werden. Hierdurch kann in sehr alinstiger Weise den jeweiligen Erfordernissen
Rechnung getragen, insbesondere die Herstellung vereinfacht werden, um so mehr als
man dabei eventuell auch noch von der bekannten und vorteilhaften Maßnahme Gebrauch
machen kann, die Se-Mente mit kleiner werdendem Spiralgehäusequerschnitt mit geringerer
Blechdicke auszuführen. Bei den in den F i g. 3 bis 5 gezeigten verschiedenen
Ausführungsbeispielen sind die mit den F i g. 1
und 2 übereinstimmenden Teile
mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die zur Befestigung eines nicht
a
gezeigten Verschlußdeckels oder zur Abstützung im C
Fundament dienenden
einstückigen oder aus Segmenten zusammengesetzten Ringe 12, 13 und 14 sind
je-
weils so an die Vorleitschaufelringkränze 5 und an die Spirale
1 angeschlossen und so ausgebildet, daß sie mit diesen zusammen ein möglichst
verwindungssteifes und insbesondere in bezug auf die Brückenspannungen vorteilhaftes
Gebilde darstellen, daß im übrigen aber die Forderung, daß die Resullierende aller
am Vorleitschaufelring angreifenden Kräfte zumindest nahezu mit der Schwerachse
11 der Vorleitschaufeln 6 zusammenfallen soll; in bestmöglicher Weise
erfüllt wird.
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In F i g. 3 sind mit 15 und 16 zwei weitere Verzweigungsschenkel
bezeichnet, so daß hier die Spirale 1 zur besseren Verteilung und Einleitung
des Blechzuges über insgesamt vier Verzweigungsschenkel 2, 3, 15 und
16 an die Vorleitschaufelringkränze 5
angeschlossen sind. Infolge
der großen Zahl der Verzweigungsschenkel können die Blechstärken für die einzelnen
Schenkel hierbei selbstverständlich entsprechend geringer gewählt werden.
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Bei den Ausführungsbeispielen der F i g. 4 und 5
sind
die Vorleitschaufeln 6 mit den Verlängerungen 6 a durch die Ringkränze
5 hindurch bis an die Verzweigungsschenkel 2 heran- und mit einem Teil ihres
Profilquerschnitts durch die Verzweigungsschenkel 3
hindurchgeführt (F i
g. 4) bzw. mit ihrem gesamten Profilquerschnitt durch die Verzweigungsschenkel
2 und 3 hindurchgeführt (F i g. 5) und längs der gemeinsamen Berührungs-
bzw. Verschneidungslinien mit diesen verschweißt, womit eine besonders günstige
Einleitung des Blechzuges in die Ringkränze 5
bzw. in die Vorleitschaufeln
6 erzielt wird. Beim Ausführungsbeispiel der F i g. 5 sind die Verzweigungsschenkel
3 von den abgekanteten Enden der Spirale 1 gebildet. Ebensogut könnten
die Spiralenden natürlich auch die Verzweigungsschenkel 2 bilden. Zur Vereinfachung
der Herstellung sind die abgekanteten Enden der Spirale als gesonderte Teile hergestellt
und mittels der Schweißnähte 17 an die Spirale 1 angeschlossen. Für
die Ausführungsbeispiele der F i g. 3 bis 5 gelten im übrigen sinngemäß
die in Verbindung mit den F i g. 1 und 2 gemachten Darlegungen.
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Beim Spiralgehäuse der zweistufigen Hochdruckpumpe der F i
g. 6 sind die zwei Spiralen 1 mittels eines nicht gezeigten Krümmers
od. dgl. hintereinandergeschaltet. Zwecks Erzielung einer möglichst geringen Baulänge
der Maschine und damit einer möglichst kurzen und verhältnismäßig dünnen Pumpenwelle
sind die Spiralen 1 hier in Umfangsrichtung um einen bestimmten Winkel, beispielsweise
um 90 und 1801, gegeneinander versetzt angeordnet und die Spiralenquerschnitte
in bezug auf die Vorleitschaufeln 6 asymmetrisch ausgebildet. Die in Richtung
der nicht dargestellten Pumpenwelle betrachtet außenliegenden Enden der Spiralen
1 sind an den Stellen 7 wieder in die beiden Schenkel 2 und
3 verzweigt. Die Schenkel 2 und die Ringkränze 5 bzwderen Segmente
sind hier miteinander in einem Stück gegossen oder auch aus Walzmaterial in einem
Stück hergestellt, beispielsweise durch Abkanten entsprechend ausgebildeter Bleche.
Selbstverständlich
'können die Schenkel 2 und die Ringkränze
5 aber auch getrennt hergestellt und ebenso wie die Schenkel 3 und
die Ringkränze 5 durch Schweißen oder auch auf andere Weise miteinander verbunden
werden, Die in Richtun- der Pumpenwelle aesehen innenliegenden Spiralenenden sind
unmittelbar, d. h. ohne Verzweigung, am äußeren Umfang der in etwa tangentialer
Verlängerung der Spiralenenden angeordneten und als flache Grundringe ausgehi-Ideten
bzw. aus Segmenten zu solchen zusammengesetzten Vorleitschaufelringkränze
18 angeschweißt. Die Vorleitschaufeln 6 sind hier für beide Vorleitschaufelringe
gemeinsam aus einem Stück hergestellt, wobei der mittlere Teil 6 b zusammen
mit dem Teil 19 zur gegenseitigen Abstützung der Vorleitschaufelringkränze
18 bzw. der Spiralen 1 dient. Selbstverständlich können die Vorleitschaufeln
der beiden Vorleitschaufelringe aber auch getrennt hergestellt und die 01
g der Ringkränze 18 bzw, der gegenseitige Abstützun 9
Spiralen
1 in anderer als der dargestellten Weise vor-C genommen werden. Die Vorleitschaufeln
6 sind mit Verlängerungen 6a wieder durch die Ringkränze 5
und mit
einem Teil des Profilquerschnitts auch durch die Schenkel 3 hindurchgeführt
sowie längs der gemeinsamen Berührungs- bzw. Verschneidungslinien mit diesen, den
Schenkeln2 und den Ringen bzw. Ringsegmenten 12, 13 und 14 verschweißt. Die
Teile 12, 13 und 14 sind auch hier wieder so angeordnet und ausgebildet,
daß sie mit den Ringkränzen 5 und den Spiralen 1 zusammen ein möglichst
verwindungssteifes und in bezug auf die B-rückenspannungen vorteilhaftes Gebilde
darstellen und daß die Resultierende aller an diesem angreifenden Kräfte zumindest
nahezu mit der Schwerachse 11 der Vorleitschaufeln 6 zusammenfällt.
Der von den innenliegenden Enden der Spiralen 1 in die Vorleitschaufelringe
eingeleitete Blechzug kann hierbei unberücksichtigt bleiben, da er von den Ringkränzen
18 infolge ihrer in Richtung des Blechzuges sehr großen Abmessungen sehr
gut aufgenommen wird und daher so gut wie keine Verwindungs- und Biegebeanspruchung
auf die Vorleitschaufelringkränie bzw. auf die Vorleitschaufeln ausübt.
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Bei sämtlichen in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
i-st die Ausbildung der Vorleitschaufelringkränze 5 als zur Maschinenachse
senkrechte ebene flache Grundringe willkürlich angenom" men, sie können selbstverständlich
auch anders auscrebildet sein. Desgleichen muß die, Spirale 1 nicht C notwendigerweise
kreisringförmigen Querschnitt aufweisen, wie auch beispielsweise die gekennzeichneten
Blechdicken und sonstigen Abmessungen der Teile völlig unverbindlich sind.