CN111981133A - 带有主轴密封结构的水轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水轮机技术领域，具体为带有主轴密封结构的水轮机，包括主轴、顶盖和位于主轴与顶盖之间的缝隙处的主轴密封结构，所述主轴密封结构包括用于填充密封流体的通道，所述通道的一端与所述缝隙连通，还包括用于对通道内的密封流体进行加压的活动密封件，所述活动密封件与主轴静连接。本方案解决了现有技术中水轮机在高泥砂含量的水环境中无法长时间稳定运行的问题。

Description

带有主轴密封结构的水轮机
技术领域
本发明属于水轮机技术领域，具体为带有主轴密封结构的水轮机。
背景技术
水轮机是利用水流推动主轴上的转轮转动而带动主轴转动，从而实现对水流的能量进行利用的设备。水轮机的主轴由发电机推力轴承支撑转动配合，顶盖安装在水轮机座环上，主轴穿过顶盖并与顶盖转动配合，因此主轴与顶盖之间会形成缝隙，转轮与主轴刚性连接并与顶盖间形成间隙，当水流作用在转轮上时，部分水流会进入转轮与顶盖之间的间隙，并沿着主轴与顶盖之间的缝隙进入到水轮机坑中。于是，在主轴上会设置主轴密封结构来对缝隙进行密封，避免水流进入到水轮机坑中。现有的主轴密封结构形式有：不接触式密封、水压活塞密封、填料密封、平板密封和浮动环式密封，但是，这些主轴密封结构形式在水轮机处于高含泥砂量（过机水泥砂含量大于0.5千克每立方米）的水环境中使用时，主轴密封结构容易快速失效而漏水，导致水轮机组无法长时间稳定的运行，从而影响到水轮机组的经济效益。
比如水压活塞密封结构包括与顶盖连接固定的密封座，密封座上连接有密封块，密封座与主轴之间还设置有集水箱，集水箱上连通有供水管和排水管，主轴转动时与密封块发生相对转动，密封块形成阻挡泥砂水穿过密封结构的第一重屏障，同时，供水管对集水箱中进行供入密封水，利用密封水将穿过第一重屏障的泥砂水从排水管中带走，从而阻止了泥砂水穿过密封结构进入到水轮机坑中。但是这样的密封结构在高含泥砂量的水环境中的使用寿命也是大幅度缩短而漏水，导致水轮机组无法长时间稳定的运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有主轴密封结构的水轮机，以解决现有技术中水轮机在高泥砂含量的水环境中无法长时间稳定运行的问题。
为了达到上述目的，本发明的基础方案提供一种带有主轴密封结构的水轮机，包括主轴、顶盖和位于主轴与顶盖之间的缝隙处的主轴密封结构，所述主轴密封结构包括用于填充密封流体的通道，所述通道的一端与所述缝隙连通，还包括用于对通道内的密封流体进行加压的活动密封件，所述活动密封件与主轴静连接。
本基础方案的原理和有益效果在于：通过在通道内填充密封流体，并利用活动密封件随主轴一起转动时产生对密封流体的压力，使通道内的密封流体的压力逐渐增大，使通道同缝隙的交汇处位于通道一侧的密封流体的压力大于或等于位于缝隙一侧的泥砂水的压力，从而使泥砂水不会大量的进入到通道内并穿过主轴密封结构进入到水轮机坑中，同时，由于高含泥砂量的泥砂水不易进入到主轴密封结构中，避免了主轴密封结构的快速磨损，有利于延长主轴密封结构的使用寿命，减少了停机维修的时间，从而使水轮机组能够长时间稳定运行，提高水轮机组的经济效益。
进一步，所述活动密封件包括甩水环和密封环，所述甩水环上固设有第一加压叶片部，所述密封环上固设有第二加压叶片部。
采用这样的设置方式，使甩水环通过第一加压叶片部对第一加压段内的密封流体进行加压，密封环通过第二加压叶片部对第二加压段内的密封流体进行加压，从而实现对密封流体的多次加压，有利于在对已有水轮机的主轴、转轮和顶盖的结构不进行改动的情况下，使密封流体的压力符合密封的要求，从而减少使用成本；同时，与只设置一次加压所需的结构相比，有利于降低活动密封件的设计和制作的难度，从而降低制造成本。
进一步，所述第一加压叶片部包括与主轴径向面平行的隔板，隔板的一侧固设有沿隔板板面螺旋延伸的第一叶片，隔板的另一侧固设有沿隔板板面螺旋延伸的第二叶片，第一叶片和第二叶片的螺旋旋向相反。
采用这样的设置方式，使第一叶片对密封流体进行一次加压，第二叶片对密封流体进行再一次加压，并且第一叶片和第二叶片对密封流体的加压方向相反，从而实现了对密封流体的连续两次加压，提高了第一加压叶片部对密封流体的加压效率。
进一步，所述主轴密封结构还包括与顶盖可拆卸连接的固定密封件，所述固定密封件包括沿主轴轴向分布的密封盖和密封座，所述密封盖和密封座将所述通道分隔为第一加压段和第二加压段，所述甩水环位于第一加压段内，所述密封环位于第二加压段内。
采用这样的设置方式，通过固定密封件与主轴之间形成通道，从而方便了通道的设置；通过第一加压段和第二加压段的设置，可以减小甩水环和密封环对密封流体进行加压时的相互干扰，保证了对密封流体的加压效果。
进一步，所述活动密封件包括密封套，密封套与主轴密封静连接，密封套与密封座之间形成连通第一加压段和第二加压段的导流段，所述密封套上设置有止回结构。
采用这样的设置方式，通过主轴带动密封套转动来使止回结构转动，从而使止回结构控制导流段内的密封流体只能单向流动，从而避免了密封流体的回流，有利于保证密封流体的压力不易损失，从而提高密封效果。
进一步，所述止回结构为与密封套一体成型的螺纹部。螺纹部在随密封套一同旋转的情况下实现对密封流体的止回效果，使密封套与密封座在无接触的情况也能实现较好的防止密封流体回流的效果，有利于降低密封套与密封座之间的磨损，提高密封套和密封座的使用寿命。
进一步，所述密封环与密封座之间设置有与通道连通的循环流道。采用这样的设置方式，部分密封流体在流出通道后又再次通过循环流道进入通道形成自循环流动，从而可以减少密封流体的用量，降低使用成本。
附图说明
图1为本发明实施例中主轴、主轴密封结构和顶盖的配合示意图；
图2为图1中甩水环的俯视图；
图3为图1中甩水环的仰视图；
图4为图2的全剖视图；
图5为图1中密封环的俯视图；
图6为图5中A-A剖视图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：主轴1、法兰部11、顶盖3、联轴螺栓4、储水腔B、交汇区C、端盖211、密封盖212、密封座213、供水管214、甩水环221、通孔2211、上加压流道2212、下加压流道2213、外圆筒2214、内圆筒2215、第一叶片2216、第二叶片2217、隔板2218、上横板2219、密封套222、导流段2221、密封环223、第二加压流道2231、连接孔2232、上环2233、下环2234、密封罩224、循环流道2241。
实施例：带有主轴密封结构的水轮机，本实施例中对于水轮机除主轴、顶盖和主轴密封结构之外的其他结构部分可参考现有技术中的相关技术，在此省略描述；如图1所示，包括顶盖3和竖向设置的主轴1，主轴1上一体成型有与顶盖3相对的法兰部11，法兰部11的外侧与顶盖3之间形成有缝隙，在缝隙处设置有对缝隙进行密封的主轴密封结构。主轴密封结构包括固定密封件和活动密封件，固定密封件与主轴1之间设置有填充有密封流体的通道，本实施例中密封流体优选为清洁水（类似于民用自来水一类的水）。固定密封件从下到上依次包括密封座213、密封盖212和端盖211，密封座213与顶盖3密封静连接，本实施例中密封静连接的方式优选为通过螺栓连接，并且在密封座213与顶盖3的结合面处设置有密封垫；密封座213的横截面呈开口朝下的矩形槽并罩设在主轴1与顶盖3之间的缝隙的上方；密封座213靠近主轴1的一侧与主轴1之间形成通道的导流段2221，密封座213的下侧与主轴1上的法兰部11形成通道的第二加压段。密封盖212通过螺栓与密封座213连接，并且在密封盖212与密封座213的结合面处设置有密封垫。端盖211通过螺栓与密封盖212连接，并且在端盖211与密封盖212的结合面处设置有密封垫。端盖211、密封盖212、密封座213的顶部和主轴1之间形成通道的第一加压段，密封盖212上密封连接有与第一加压段连通的供水管214。
活动密封件从上到下依次包括甩水环221、密封套222和密封环223。甩水环221位于密封座213上侧的第一加压段内并与主轴1同轴设置，使甩水环221、主轴1、端盖211和密封盖212围成第一加压段的储水腔B。
如图2、图3和图4所示，甩水环221包括同轴设置的内圆筒2215和外圆筒2214，内圆筒2215上沿周向均匀分布有四个螺栓，螺栓与内圆筒2215螺纹连接并与主轴1相抵，从而实现甩水环221与主轴1之间的相对固定；内圆筒2215与外圆筒2214之间焊接有连接筋，连接筋的下侧焊接有与主轴1径向面平行的呈圆环状的上横板2219，上横板2219的外侧边缘与外圆筒2214焊接固定，上横板2219的内侧边缘与内圆筒2215之间形成竖向的通孔2211；上横板2219的下方平行设置有圆环状的隔板2218，隔板2218的内侧与内圆筒2215焊接固定；隔板2218上设置有第一加压叶片部，具体为在隔板2218的上侧与上横板2219之间焊接有十六片沿隔板2218的轴线呈环形阵列分布的第一叶片2216，第一叶片2216沿隔板2218的板面螺旋延伸，从而使相邻第一叶片2216之间形成对密封流体进行加压的上加压流道2212；隔板2218的下侧焊接有十六片沿隔板2218的轴线呈环形阵列分布的第二叶片2217，第二叶片2217沿隔板2218的板面螺旋延伸，从而使相邻第二叶片2217之间形成对密封流体进行加压的下加压流道2213；并且第二叶片2217的螺旋旋向与第一叶片2216的螺旋旋向相反，从而使上加压流道2212与下加压流道2213对密封流体的加压方向相反。在隔板2218的外侧边缘与密封盖212之间设置有连通上加压流道2212与下加压流道2213的连通流道，从而使密封流体被第一叶片2216和第二叶片2217连续进行两次加压。
如图1所示，密封套222位于密封座213与主轴1之间的导流段2221处，密封套222密封固定套装在主轴1上，密封套222的外侧一体成型有防止密封流体往第一加压段流动的止回结构，本实施例中止回结构优选为梯形螺纹部。
如图5和图6所示，密封环223设置在主轴1的法兰部11上侧并位于通道的第二加压段内，密封环223包括与主轴1同轴设置的上环2233和下环2234，密封环223上设置有同时贯穿上环2233和下环2234上的连接孔2232，连接孔2232与法兰部11上的法兰孔一一对应设置，联轴螺栓4穿过连接孔2232和法兰孔将密封环223与法兰部11进行连接固定；上环2233与下环2234之间焊接有第二加压叶片部，第二加压叶片部沿上环2233的径向面呈螺旋延伸，从而使上环2233与下环2234之间位于相邻连接孔2232之间的位置形成沿径向并朝远离圆心一侧（如图5中箭头所示方向）加压的第二加压流道2231，即对密封流体进行第三次加压的第二加压流道2231。密封环223的外边缘、密封座213和顶盖3围成通道与缝隙相交的交汇区C。在密封环223的上部罩设有密封罩224，密封罩224通过螺栓与密封环223连接固定。密封罩224与密封座213之间形成循环流道2241，循环流道2241的两端分别与密封环223上的第二加压流道2231的两端连通。
具体实施过程如下：将水压力小于或等于水轮机坑内的压力的清洁水通过供水管注入到储水腔B内（如图1中实线箭头所示），并依次经过甩水环221的通孔2211、上加压流道2212、下加压流道2213、导流段2221，然后同时填充满循环流道2241和第二加压流道2231，并最终到达通道与缝隙交汇的交汇区C。水轮机工作时，主轴1带动甩水环221和密封环223同步转动，从而使甩水环221的上加压流道2212对清洁水进行第一次加压，然后第一次加压完的清洁水进入到下加压流道2213中进行第二次加压，再然后第二次加压完成的清洁水通过导流段2221进入到密封环223的第二加压流道2231中进行第三次加压，最终使交汇区C处清洁水的压力大于或等于缝隙处泥砂水（泥砂水的流动方向如图1中虚线箭头所示）的压力，从而阻止泥砂水进入到主轴1密封结构的通道内，实现对主轴1与顶盖3之间的缝隙进行密封的效果。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.带有主轴密封结构的水轮机，包括主轴、顶盖和位于主轴与顶盖之间的缝隙处的主轴密封结构，其特征在于：所述主轴密封结构包括用于填充密封流体的通道，所述通道的一端与所述缝隙连通，还包括用于对通道内的密封流体进行加压的活动密封件，所述活动密封件与主轴静连接。
2.根据权利要求1所述的带有主轴密封结构的水轮机，其特征在于：所述活动密封件包括甩水环和密封环，所述甩水环上固设有第一加压叶片部，所述密封环上固设有第二加压叶片部。
3.根据权利要求2所述的带有主轴密封结构的水轮机，其特征在于：所述第一加压叶片部包括与主轴径向面平行的隔板，隔板的一侧固设有沿隔板板面螺旋延伸的第一叶片，隔板的另一侧固设有沿隔板板面螺旋延伸的第二叶片，第一叶片和第二叶片的螺旋旋向相反。
4.根据权利要求2或3所述的带有主轴密封结构的水轮机，其特征在于：所述主轴密封结构还包括与顶盖可拆卸连接的固定密封件，所述固定密封件包括沿主轴轴向分布的密封盖和密封座，所述密封盖和密封座将所述通道分隔为第一加压段和第二加压段，所述甩水环位于第一加压段内，所述密封环位于第二加压段内。
5.根据权利要求4所述的带有主轴密封结构的水轮机，其特征在于：所述活动密封件包括密封套，密封套与主轴密封静连接，密封套与密封座之间形成连通第一加压段和第二加压段的导流段，所述密封套上设置有止回结构。
6.根据权利要求5所述的带有主轴密封结构的水轮机，其特征在于：所述止回结构为与密封套一体成型的螺纹部。
7.根据权利要求6所述的带有主轴密封结构的水轮机，其特征在于：所述密封环与密封座之间设置有与通道连通的循环流道。
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