CN109869258A - 一种高水头水泵水轮机转轮双密封减压结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高水头水泵水轮机转轮双密封减压结构,在转轮上冠(20)径向最大直径处设置上冠外止漏环(6)，在下环(9)径向最大直径处设置下环外止漏环(3)，上冠外止漏环(6)和下环外止漏环(3)阻尼相等，在转轮低压侧的下环(9)最小直径处设置下环内止漏环(1)，下环内止漏环(1)处的阻尼小于下环外止漏环(3)处的阻尼，在转轮上冠(20)与下环内止漏环(1)直径处设置上冠内止漏环(4)，上冠外止漏环(6)与下环外止漏环(3)直径相同，本发明实现了降低转轮上冠与顶盖间水压力的目的，从而从根本上保证了转轮上冠与顶盖间的理论压力处于合理范围的目的。

Description

一种高水头水泵水轮机转轮双密封减压结构

技术领域：

本发明涉及一种高水头水泵水轮机转轮双密封减压结构。

背景技术：

抽水蓄能机组是一种兼有抽水与发电功能，可以在水泵与水轮机工况、电动机与发电机两种相反物理功能之间转换运行的设备。相对于常规的混流式水轮发电机组，抽水蓄能机组具有高水头、高转速、复杂多工况运行的特点，对安全稳定性要求极高。

对于高水头的水泵水轮机而言，由于工作水头高，作用在顶盖上的水压力也会相应地增大。如果不能很好地将顶盖上的水压力控制在一个合理的范围内，就会使顶盖连接螺栓所受应力处于一个较高的水平，由于水泵水轮机工况转换比较频繁且工况转换过程中高压侧压力变化幅度会非常大，致使顶盖连接螺栓上的应力会大幅度波动，在高应力水平和频繁的交变应力作用下，顶盖连接螺栓发生疲劳破坏的几率会大幅增加，从而直接危及到机组乃至整个电厂的安全。另外，上述水压力也会作用在转轮上冠上。转轮上冠的压力过高，也会直接导致抽水蓄能机组推力轴承轴向负荷的极限绝对值增大，再考虑到机组过渡过程产生的大幅的压力波动，就会增加推力轴承的设计和制造难度。

有鉴于此，有必要开发一种针对高水头水泵水轮机的转轮密封结构，使转轮上冠与顶盖间的理论压力处于合理的范围内，从而从根本上保证高水头抽水蓄能机组不会因上述作用力的作用而对机组的安全稳定运行产生不利的影响。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是针对高水头水泵水轮机转轮上冠与顶盖间理论压力可能过高且不同工况转换时压力变幅过大可能对机组安全稳定运行产生的影响，提供一种高水头水泵水轮机转轮双密封减压结构。本发明的技术方案是：在转轮上冠(20)径向最大直径处设置上冠外止漏环(6)，在下环(9)径向最大直径处设置下环外止漏环(3)，上冠外止漏环(6)和下环外止漏环(3)阻尼相等，在转轮低压侧的下环(9)最小直径处设置下环内止漏环(1)，下环内止漏环(1)处的阻尼小于下环外止漏环(3)处的阻尼，在转轮上冠(20)与下环内止漏环(1)直径处设置上冠内止漏环(4)，上冠外止漏环(6)与下环外止漏环(3)直径相同，顶盖(10)、上冠外止漏环(6)、上冠(20)和上冠内止漏环(4)包围的区域构成上腔(5)，下环外止漏环(3)、基础环(21)、下环内止漏环(1)和下环(9)包围的区域构成下腔(2)，上腔(5)和下腔(2)通过均压管(7)联通在一起，均压管(7)布置在靠近上冠外止漏环(6)与下环外止漏环(3)处，均压管(7)的面积为上冠外止漏环(6)和下环外止漏环(3)密封间隙过流面积之和的2倍。

工作原理：

当水泵水轮机运行时，上冠外止漏环6和下环外止漏环3处始终为高压，下环内止漏环1处始终为低压，上冠内止漏环4处的压力要低于上冠外止漏环6处的压力。针对以上特点，本发明从以下几个方面着手来降低上腔5处的压力使顶盖10和上冠20上所受的总的压力不致过大。首先，在转轮最大径向直径处设置了上冠外止漏环6，使上腔5处的绝对压力值大幅下降。同时，由于上冠外止漏环6的阻尼作用，使过机水流水体压力波动传至上腔5处时波动幅值大幅度地降低，从而使顶盖上的连接螺栓8所受的应力水平大幅降低，交变应力水平也随之显著地下降。再者，使下环内止漏环1处的阻尼小于下环外止漏环3处的阻尼。由于下环内止漏环1处的阻尼小于下环外止漏环3处的阻尼，高压侧压力经下环外止漏环3传至下腔2的能力要小于下腔2处的压力经下环内止漏环1泄漏至水泵水轮机低压侧的能力，这就使下腔2的压力水平会进一步下降。由于上腔5和下腔2是联通的，上腔5和下腔2处的压力相同，故而上腔5处的压力水平也会随之下降。这就使顶盖上的连接螺栓8所受的应力水平进一步降低，交变应力水平也随之进一步下降。

技术效果：

传统的高水头水泵水轮机的转轮密封结构如图2所示。在转轮上冠20与顶盖10间仅设置一套止漏环密封装置——上冠内止漏环4，在顶盖10与上冠20径向最大直径处没有密封装置。下环9与基础环21间仅设置一套止漏环密封装置——下环内止漏环1，在基础环21与下环9径向最大直径处没有密封装置。下环9上的下环内止漏环1与上冠20上的上冠内止漏环4直径相等，且与图1所示的本发明公开的一种高水头水泵水轮机转轮双密封减压结构的下环9上的下环内止漏环1与上冠20上的上冠内止漏环4直径相等。

不论是如图1所示的本发明公开的一种高水头水泵水轮机转轮双密封减压结构还是图2所示的传统的高水头水泵水轮机的转轮密封结构，在水泵水轮机运行状态下顶盖10与上冠20及上冠内止漏环4间构成的上腔5内都是充满压力水的。上述压力水的水压由两部分构成：其一为通过顶盖10与上冠20径向最大直径处的间隙传入的水泵水轮机高压侧的水压，其压力分布为与转轮半径无关的线性分布，其压力值与水泵水轮机高压侧的水压成正比与顶盖10与上冠20径向最大直径处间隙的阻尼成反比；其二为由于转轮旋转与上腔5内的水体摩擦带动水体旋转所形成的压力，该压力与上冠20的形状、表面粗造度和转轮转速有关，其压力分布为与转轮半径有关的抛物线形，转轮半径越大处，该压力也越大。上腔5内各位置处的水压值为上述两部分压力之和。在水泵水轮机运行状态下由顶盖10、上冠内止漏环4、上冠20和主轴密封30构成的减压腔31内也都是充满压力水的。上述压力水的水压也由两部分构成：其一为通过上冠内止漏环4传入的上腔5内压力水的压力，其压力分布为与转轮半径无关的线性分布，其压力值与上腔5中上冠内止漏环4处的水压成正比与上冠内止漏环4的阻尼成反比；其二为由于转轮旋转与减压腔31内的水体摩擦带动水体旋转所形成的压力，该压力与上冠20的形状、表面粗造度和转轮转速有关，其压力分布为与转轮半径有关的抛物线形，转轮半径越大处，该压力也越大。减压腔31内各位置处的水压值为上述两部分压力之和。

由于不论是如图1所示的本发明公开的一种高水头水泵水轮机转轮双密封减压结构还是图2所示的传统的高水头水泵水轮机的转轮密封结构，两者的上冠20的形状、表面粗造度和转轮转速均相同，故而由于转轮旋转与上腔5中的水体摩擦带动水体旋转所形成的压力值也都相同且无法改变。作用在顶盖10上的水压力的变化可通过改变顶盖10与上冠20径向最大直径处间隙的阻尼来实现。

如图3所示，对于传统的高水头水泵水轮机的转轮密封结构而言，由于其顶盖10与上冠20径向最大直径处的间隙无有效的密封结构，阻尼较小，传入上腔5的水压力值最高，上腔5内的压力分布曲线40由转轮旋转与水体摩擦带动水体旋转所形成的压力与顶盖10与上冠20径向最大直径处的间隙传入上腔5的水压力相加获得，由于转轮旋转与水体摩擦带动水体旋转所形成的压力为定值，而由顶盖10与上冠20径向最大直径处的间隙传入上腔5的水压力最高，故而传统的高水头水泵水轮机的转轮密封结构的上腔5中对顶盖10的水压力最高。减压腔31内的压力分布曲线41由上冠内止漏环4传入的上腔5中上冠内止漏环4处的水压与转轮旋转与减压腔31内的水体摩擦带动水体旋转所形成的压力相加获得。由于减压腔31内的水体摩擦带动水体旋转所形成的压力为定值，而由上冠内止漏环4传入的上腔5中上冠内止漏环4处的水压最高，故而传统的高水头水泵水轮机的转轮密封结构的减压腔31中对顶盖10的水压力最高。

同理，由于如图1所示的本发明公开的一种高水头水泵水轮机转轮双密封减压结构在顶盖10与上冠20径向最大直径处设置了上冠外止漏环6，增大了该处的阻尼值，使经该处传入上腔5的水压力值降低，从而使上腔5内的压力分布曲线42降低，降低了上腔5中对顶盖10的水压力。由于上冠内止漏环4传入的上腔5中上冠内止漏环4处的水压降低，使减压腔31内的压力分布曲线43也随之降低，从而实现了降低减压腔31中对顶盖10的水压力的目的。

由于如图1所示的本发明公开的一种高水头水泵水轮机转轮双密封减压结构中，当水泵水轮机运行时，上冠外止漏环6和下环外止漏环3处始终为高压且阻尼相同，下环内止漏环1处的阻尼小于下环外止漏环3处的阻尼且下环内止漏环1处压力始终为低压且某些工况下可能为负压，减压腔31上冠内止漏环4处的压力恒为正值且始终高于下环内止漏环1所在低压侧的压力，故而上腔5处的压力要高于下腔2处的压力。通过均压管7将上腔5和下腔2联通在一起后，上腔5和下腔2的压力趋于相同，从而使上腔5内的压力分布曲线44降为最低，实现了降低上腔5中对顶盖10水压力的目的。由于上冠内止漏环4传入的上腔5中上冠内止漏环4处的水压降低，使减压腔31内的压力分布曲线45也随之降为最低，从而实现了降低减压腔31中对顶盖10的水压力的目的。

由于本发明公开的一种高水头水泵水轮机转轮双密封减压结构中增设了低阻尼值的上冠外止漏环6，从而很好地对高压侧高的压力变化幅度起到消能和滤波的作用，上腔5中的水压波动幅值大幅降低，实现了作用在顶盖连接螺栓上的交变应力大幅度降低的目的。

采用如图1所示的本发明公开的一种高水头水泵水轮机转轮双密封减压结构后，上腔5和减压腔31内对顶盖10的水压力降为最低，实现了使转轮上冠与顶盖间的理论压力处于合理的范围内，从而从根本上保证高水头水泵水轮机不会因上述作用力的作用而对机组的安全稳定运行产生不利影响的目的。

附图说明：

图1为本发明公开的的高水头水泵水轮机的转轮密封结构剖视图

图2为传统的高水头水泵水轮机的转轮密封结构剖视图

图3为不同的高水头水泵水轮机的转轮密封结构下的顶盖受力分布图

具体实施方式：如图1-3所示，在转轮上冠20与顶盖10间和下环9与基础环21间分别设置两套止漏环密封装置6和3，即在上冠20径向最大直径处设置上冠外止漏环6，在下环9径向最大直径处设置下环外止漏环3，上冠外止漏环6和下环外止漏环3阻尼相等，在转轮低压侧的下环9最小直径处设置下环内止漏环1，下环内止漏环1处的阻尼小于下环外止漏环3处的阻尼，在转轮上冠20与下环内止漏环1直径处设置上冠内止漏环4，上冠外止漏环6与下环外止漏环3直径相同，顶盖10、上冠外止漏环6、上冠20和上冠内止漏环4包围的区域构成上腔5，下环外止漏环3、基础环21、下环内止漏环1和下环9包围的区域构成下腔2，上腔5和下腔2通过均压管7联通在一起，均压管7布置在靠近上冠外止漏环6与下环外止漏环3处，均压管7的面积为上冠外止漏环6和下环外止漏环3密封间隙过流面积之和的2倍。

Claims (1)

1.一种高水头水泵水轮机转轮双密封减压结构，其特征是：在转轮上冠(20)径向最大直径处设置上冠外止漏环(6)，在下环(9)径向最大直径处设置下环外止漏环(3)，上冠外止漏环(6)和下环外止漏环(3)阻尼相等，在转轮低压侧的下环(9)最小直径处设置下环内止漏环(1)，下环内止漏环(1)处的阻尼小于下环外止漏环(3)处的阻尼，在转轮上冠(20)与下环内止漏环(1)直径处设置上冠内止漏环(4)，上冠外止漏环(6)与下环外止漏环(3)直径相同，顶盖(10)、上冠外止漏环(6)、上冠(20)和上冠内止漏环(4)包围的区域构成上腔(5)，下环外止漏环(3)、基础环(21)、下环内止漏环(1)和下环(9)包围的区域构成下腔(2)，上腔(5)和下腔(2)通过均压管(7)联通在一起，均压管(7)布置在靠近上冠外止漏环(6)与下环外止漏环(3)处，均压管(7)的面积为上冠外止漏环(6)和下环外止漏环(3)密封间隙过流面积之和的2倍。