ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ МАШИНА
HYDRAULIC MACHINE

Изобретение относится к гидравлической машине, в частности водяной турбине, насосной турбине или насосу, согласно ограничительной части формулы. При этом речь идет о машинах типа Фрэнсиса (радиально-осевая машина) или типа Каплана (поворотно-лопастная машина) или о других машинах. Важно, что речь идет о машинах со спиральным корпусом.
В качестве примера следует сослаться на US-A-4496282 или DE 19950228 А1.
Спиральный корпус такой машины охватывает рабочее колесо. Он расположен в плоскости, перпендикулярной оси вращения рабочего колеса. Поскольку ось рабочего колеса проходит, как правило, вертикально, речь при этом идет о горизонтальной плоскости.
На своей внутренней стороне спиральный корпус открыт в сторону рабочего колеса. Он имеет, тем самым, щель, которая окружает (огибает) его внутреннюю периферию, так что среда может течь из спирального корпуса через щель на всей внутренней периферии к рабочему колесу. Таким образом, щель образована двумя окружными кромками.
К названной прорези в направлении течения примыкает траверсное кольцо. Оно включает в себя две крышки, которые расположены концентрично к оси вращения рабочего колеса на взаимном расстоянии в осевом направлении. Крышки соединены между собой стяжками, так называемыми траверсами. Кроме того, каждая из названных окружных кромок спирального корпуса прочно соединена с одной из обеих крышек траверсного кольца.
Траверсное кольцо служит для предотвращения расширения спирального корпуса под высоким внутренним давлением.
Таким образом, усилия действуют на названные стяжки, а также на место соединения между каждой крышкой траверсного кольца и соответствующей окружной кромкой спирального корпуса. Соединение должно быть выполнено абсолютно надежным и выдерживать большие усилия. При этом следует учесть, что в спиральном корпусе могут возникать также колебания давления.
Предпринимались значительные усилия по выполнению соединения прочным и надежным при минимально возможном применении материала. Как правило, речь идет о сварном соединении между данной окружной кромкой спирального корпуса и соответствующей крышкой траверсного кольца. Изготовление этого соединения оказалось весьма трудоемким.
В основе изобретения лежит задача создания гидравлической машины описанного выше рода, содержащей спиральный корпус и траверсное кольцо, таким образом, чтобы соединение между окружными кромками щели спирального корпуса и соответствующими крышками траверсного кольца было еще надежнее, чем в известных машинах.
Эта задача решается посредством признаков формулы.
В соответствии с этим зоны окружных кромок спирального корпуса, если смотреть в осевом разрезе, выполнены таким образом, что они проходят приблизительно параллельно оси вращения рабочего колеса. Незначительное отклонение от параллельности допустимо. Однако оно не должно превышать 11 градусов. Небольшое отклонение в 1, 2, 3, 4, 5, 6 градусов может быть целесообразным в том смысле, что окружная кромка незначительно направлена к оси вращения рабочего колеса. На практике выбирается значение между 5 и 11 градусами.
Спиральный корпус состоит обычно из сегментов. Если смотреть в осевом разрезе, то сегменты имеют приблизительно круговую форму (т.е. форму окружности), разумеется, за исключением кромочных зон. Вне кромочных зон сегменты могут иметь также форму, отличную от формы окружности, как это видно на чертежах.
Благодаря изобретению возникают следующие преимущества.
Напряжения во всем спиральном корпусе в значительной степени равномерные. Оказываемые на траверсы усилия и моменты достигают минимума. В зоне места сопряжения между кромками спирального корпуса и траверсными кольцами возникают меньшие изгибные напряжения.
За счет равномерного распределения напряжений все участвующие конструктивные элементы могут быть рассчитаны оптимально. Это приводит к минимизации толщины стенок спирального корпуса и поперечных сечений траверс.
Это достигается следующим образом.
Соответствующая кромочная зона спирального корпуса выполняется такой формы, что тангенциальная поверхность к спиральному корпусу через кромку почти параллельна оси турбины. В этом случае поперечное сечение спирального корпуса отличается от круговой формы, которую он обычно имеет, во всяком случае, в зоне сопряжения.
Оптимальный эффект объясняется следующим. При этом возникают меньшие, действующие радиально наружу и внутрь составляющие растягивающего усилия, воздействующие на стенку спирального корпуса.
Уровень техники и изобретение более подробно поясняются с помощью чертежей, на которых изображено:
- фиг. 1: основные конструктивные элементы традиционной турбины Фрэнсиса в меридиальном разрезе;
- фиг. 2: также в меридиальном разрезе спиральный корпус с обеими крышками траверсного кольца в первом варианте осуществления изобретения;
- фиг. 3: также в меридиальном разрезе спиральный корпус с обеими крышками траверсного кольца во втором варианте осуществления изобретения;
- фиг. 4: в трехмерном виде первый вариант осуществления изобретения.
Изображенная на фиг. 1 турбина Фрэнсиса содержит рабочее колесо 1. Оно включает в себя множество лопаток 1.1. Рабочее колесо 1 вращается вокруг оси 2 вращения.
Рабочее колесо 1 окружено спиральным корпусом 3. Он имеет, например, круговое поперечное сечение и окружное щелевидное отверстие, обращенное к рабочему колесу 1. Эта щель ограничена окружными кромками 3.1, 3.2.
К окружной, образованной кромками 3.1, 3.2 щели примыкает траверсное кольцо 4. Оно содержит две крышки 4.1, 4.2. Траверса 4.3 служит в качестве стяжки.
Зоны окружных кромок 3.1, 3.2 спирального корпуса сварены с крышками 4.1, 4.2 траверсного кольца.
Между траверсным кольцом и рабочим колесом предусмотрен лопаточный аппарат с направляющей лопаткой 5.
К рабочему колесу 1, - если смотреть в направлении течения, - присоединена всасывающая труба 6, содержащая несколько секций.
Как видно, спиральный корпус имеет круговое поперечное сечение. Зоны окружных кромок в местах сопряжения с обеими крышками 4.1, 4.2 наклонены к вертикали. Это значит, что кромочные зоны спирального корпуса не параллельны оси 2 вращения рабочего колеса 1, а расположены под углом α, который составляет приблизительно 15-40 градусов.
На фиг. 2 и 3 изображены два различных варианта осуществления изобретения. В остальном соответствующие гидравлические машины могут иметь такую же конструкцию, что и машина на фиг.1.
Обоим вариантам на фиг. 2 и 3 присуще то, что спиральный корпус в зоне окружных кромок 3.1, 3.2 почти перпендикулярен поверхностям сопряжения соответствующих крышек 4.1, 4.2.
В варианте на фиг. 2 это достигается за счет того, что кромочные зоны спирального корпуса 3 деформированы по сравнению с круговой формой. Они проходят практически параллельно оси 2 вращения на фиг. 1. Крепление выполнено посредством сварных швов 7.
Во втором варианте на фиг. 3 крышки 4.1, 4.2 траверсного кольца имеют традиционные форму и расположение. Кромочные зоны 3.1, 3.2 перпендикулярны крышкам 4.1, 4.2 и проходят, следовательно, параллельно оси 2 вращения рабочего колеса 1. Остальное поперечное сечение спирального корпуса 3 приблизительно эллиптическое.
С точки зрения равномерности распределения напряжений вариант на фиг. 2 предпочтительнее по сравнению с вариантом на фиг. 3. В изображенном на фиг. 4 третьем варианте также предусмотрены квазитрадиционные крышки 4.1, 4.2 траверсного кольца. Однако поперечное сечение спирального корпуса образует не единственную окружность, а составлено из трех дуг окружности, а именно из первой 3.3, второй 3.4 и третьей 3.5 дуг окружности. Первая дуга 3.3 имеет относительно большой радиус R1, тогда как обе другие дуги 3.4, 3.5 имеют относительно малый радиус R2.
Места сопряжения между спиральным корпусом 3 - здесь между обеими дугами 3.4, 3.5, с одной стороны, и крышками 4.1, 4.2 траверсного кольца, с другой стороны, - выполнены соответственно почти под прямым углом.
Стяжка 4.3 проходит дальше в том же направлении, что и обе краевые зоны окружных кромок 3.1, 3.2 спирального корпуса 3. Таким образом, линии растягивающих напряжений в стяжке 4.3 и в краевых зонах дуг 3.4, 3.5 совпадают между собой.
Перечень ссылочных позиций
1 - рабочее колесо
1.1 - лопатки
2 - ось вращения
3 - спиральный корпус
3.1 - окружная кромка спирального корпуса
3.2 - окружная кромка спирального корпуса
3.3 - первая дуга окружности большего диаметра
3.4 - вторая дуга окружности меньшего диаметра
3.5 - третья дуга окружности меньшего диаметра
4 - траверсное кольцо
4.1 - крышка траверсного кольца
4.2 - крышка траверсного кольца
4.3 - траверса
5 - направляющая лопатка
6 - всасывающая труба
7 - сварные швы