CN113638837B - 一种水轮机蜗壳水推力补偿结构 - Google Patents

一种水轮机蜗壳水推力补偿结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水轮机蜗壳水推力补偿结构，包括沿水流方向依次连接的球阀下游延伸段、蜗壳法兰，还包括力平衡法兰，所述力平衡法兰与所述球阀下游延伸段可拆卸式连接，所述力平衡法兰与所述蜗壳法兰连接，所述力平衡法兰与所述球阀下游延伸段之间具有空腔，所述球阀下游延伸段上开设有进水孔，所述进水孔从所述球阀下游延伸段外表面延伸至空腔。本发明解决了现有技术存在的球阀上游压力管道系统与蜗壳断开式连接、蜗壳水推力不能传递到上游压力管道系统上，因此需要重复设置牢固的蜗壳基础等问题。

Description

一种水轮机蜗壳水推力补偿结构
技术领域
本发明涉及水轮机技术领域，具体是一种水轮机蜗壳水推力补偿结构。
背景技术
水轮机系统典型布置方式为：上游水库—压力管道系统—球阀—球阀下游延伸段—蜗壳。
球阀关闭时，球阀受到水推力并传递给上游压力管道系统。球阀开启时，水流通过，蜗壳受到水推力作用。蜗壳与球阀受到的水推力理论上是一致的。现有技术方案中，主要采用以下方式连接球阀下游延伸段与蜗壳。
方式1：蜗壳与球阀下游延伸段不设置连接法兰，在工地钢管直接焊接连接。为方便球阀拆卸以及允许球阀在水流方向自由移动，在球阀下游延伸段上靠近球阀侧单独设置松套法兰连接，以确保球阀基础101不承受水流方向的水推力载荷。
方式2：球阀下游延伸段与蜗壳直接采用松套法兰连接。球阀拆卸方便，并且可在水流方向自由移动，球阀基础101上无水推力作用。
以上方式球阀上游压力管道系统与蜗壳都是断开式连接，以保证球阀在温度变化以及拆装时的能够自由移动，这种连接方式蜗壳水推力不能传递到上游压力管道系统上，需要单独设置坚固的蜗壳基础，不能使用压力管道系统上已经设置的推力基础。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种水轮机蜗壳水推力补偿结构，解决现有技术存在的球阀上游压力管道系统与蜗壳断开式连接、蜗壳水推力不能传递到上游压力管道系统上，因此需要重复设置牢固的蜗壳基础等问题，同时不影响球阀沿水流方向的自由移动。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种水轮机蜗壳水推力补偿结构，包括沿水流方向依次连接的球阀下游延伸段、蜗壳法兰，还包括力平衡法兰，所述力平衡法兰与所述球阀下游延伸段可拆卸式连接，所述力平衡法兰与所述蜗壳法兰连接，所述力平衡法兰与所述球阀下游延伸段之间具有空腔，所述球阀下游延伸段上开设有进水孔，所述进水孔从所述球阀下游延伸段外表面延伸至空腔。
工作时，压力水通过进水孔进入空腔，空腔则具有压力，因此，力平衡法兰受到一个与水流方向相反的水压力。通过合理的结构和尺寸设置，只要确保力平衡法兰受到的与水流方向相反的水压力与蜗壳法兰受到的与水流方向相同的水压力大小相等。作用在蜗壳上的两个大小相等且方向相反的力互相抵消，蜗壳不再受到水流方向的作用力。由于空腔内有压力水具有压力，施加了一个水流方向相同的作用力在球阀下游延伸段上，因为球阀基础101不承担水流方向的载荷，所以此作用力经过球阀传递到上游压力管道系统上。
本发明通过力平衡法兰，在不改变压力管道系统、水轮机蜗壳和球阀结构设计，且不增加基础载荷和不影响检修的原则下，将蜗壳所承受的水推力，完全传递到给了压力管道系统。本发明提出一种水轮机蜗壳水推力补偿结构，通过将蜗壳水推力间接传递给球阀下游延伸段，最终由球阀上游压力管道系统承担蜗壳的水推力。
作为一种优选的技术方案，所述力平衡法兰的位置可自适应调整。
这更便于通过调整力平衡法兰的位置实现力平衡法兰受到的与水流方向相反的水压力与蜗壳法兰受到的与水流方向相同的水压力大小相等，调节方便，而且增加了本发明的可靠性。
作为一种优选的技术方案，所述力平衡法兰垂直水流方向的长度可调整，从而使所述力平衡法兰垂直水流方向的承压面积变化，控制传递水推力的大小。
这进一步便于通过调整力平衡法兰的位置实现力平衡法兰受到的与水流方向相反的水压力与蜗壳法兰受到的与水流方向相同的水压力大小相等，调节方便，而且进一步增加了本发明的可靠性。
作为一种优选的技术方案，其特征在于，所述力平衡法兰与所述蜗壳法兰刚性连接。
刚性连接进一步保证了力的传递，使本发明功能更加稳定，可靠性进一步提高。
作为一种优选的技术方案，还包括连接螺栓，所述力平衡法兰与所述蜗壳法兰通过连接螺栓连接。
螺栓连接调试便利，提高了本发明的可操作性。
作为一种优选的技术方案，还包括设于所述力平衡法兰与所述蜗壳法兰之间的定距隔套。
定距隔套又称定位隔套，有利于进一步保证所述力平衡法兰与所述蜗壳法兰的位置固定，使本发明结构牢固。
作为一种优选的技术方案，所述连接螺栓依次穿设所述力平衡法兰、所述定距隔套、所述蜗壳法兰。
有利于进一步保证所述力平衡法兰与所述蜗壳法兰的刚性连接，使本发明结构更加牢固。
作为一种优选的技术方案，还包括设于所述力平衡法兰与所述球阀下游延伸段接触处的第一密封件。
这便于防止压力水的泄漏，有利于提高力平衡的有效作用，而且便于提高本发明的使用寿命。
作为一种优选的技术方案，还包括设于所述球阀下游延伸段与所述蜗壳法兰接触处的第二密封件。
这有利于防止压力水通过所述球阀下游延伸段与所述蜗壳法兰接触处进入本发明所述水推力补偿结构内造成压力干扰，同时也防止压力水及水中的杂质影响本发明的使用寿命。
作为一种优选的技术方案，所述第一密封件与所述第二密封件均为可调压紧量的密封圈。
密封圈密封效果好，便于安装；而可调压紧量则便于减小磨损，提高所述第一密封件与所述第二密封件的使用寿命。
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明通过力平衡法兰，在不改变压力管道系统、水轮机蜗壳和球阀结构设计，且不增加基础载荷和不影响检修的原则下，将蜗壳所承受的水推力，完全传递到给了压力管道系统；本发明提出一种水轮机蜗壳水推力补偿结构，通过将蜗壳水推力间接传递给球阀下游延伸段，最终由球阀上游压力管道系统承担蜗壳的水推力；
(2)本发明更便于通过调整力平衡法兰的位置实现力平衡法兰受到的与水流方向相反的水压力与蜗壳法兰受到的与水流方向相同的水压力大小相等，调节方便，而且增加了本发明的可靠性；
(3)本发明所述力平衡法兰与所述蜗壳法兰刚性连接，进一步保证了力的传递，使本发明功能更加稳定，可靠性进一步提高；
(4)本发明所述力平衡法兰与所述蜗壳法兰通过连接螺栓连接，螺栓连接调试便利，提高了本发明的可操作性；
(5)本发明有利于进一步保证所述力平衡法兰与所述蜗壳法兰的位置固定，使本发明结构牢固；
(6)本发明有利于进一步保证所述力平衡法兰与所述蜗壳法兰的刚性连接，使本发明结构更加牢固；
(7)本发明便于防止压力水的泄漏，有利于提高力平衡的有效作用，而且便于提高本发明的使用寿命；
(8)本发明有利于防止压力水通过所述球阀下游延伸段与所述蜗壳法兰接触处进入本发明所述水推力补偿结构内造成压力干扰，同时也防止压力水及水中的杂质影响本发明的使用寿命；
(9)本发明密封圈密封效果好，便于安装；而可调压紧量则便于减小磨损，提高所述第一密封件与所述第二密封件的使用寿命。
附图说明
图1为水轮机系统的结构示意图；
图2为图1沿A-A面的剖视图；
图3为本发明的图1的S区域的局部放大图；
图4为现有技术之一的图1的S区域的局部放大图；
图5为现有技术之二的图1的S区域的局部放大图。
附图中标记及相应的零部件名称：1、蜗壳法兰，2、连接螺栓，3、定距隔套，4、力平衡法兰，5、底部密封件，6、球阀下游延伸段，7、顶部密封件，8、第二密封件，9、空腔，10、进水孔，12、固定螺母，13、滑动法兰板，14、不锈钢密封座，15、固定法兰板，57、第一密封件，100、球阀，101、球阀基础，102、球阀支腿，103、滑动润滑层。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
值得说明的是，本发明中部件固定螺母12、滑动法兰板13、不锈钢密封座14、固定法兰板15、第一密封件57、球阀100、球阀基础101、球阀支腿102、滑动润滑层103等或属于现有技术，或不属于本发明的关键创新点，主要是为了展示现有技术与本发明的区别，故未再对它们的结构及工作原理做进一步阐述。
实施例1
如图1至图5所示，一种水轮机蜗壳水推力补偿结构，包括沿水流方向依次连接的球阀下游延伸段6、蜗壳法兰1，还包括力平衡法兰4，所述力平衡法兰4与所述球阀下游延伸段6可拆卸式连接，所述力平衡法兰4 与所述蜗壳法兰1连接，所述力平衡法兰4与所述球阀下游延伸段6之间具有空腔9，所述球阀下游延伸段6上开设有进水孔10，所述进水孔10从所述球阀下游延伸段6外表面延伸至空腔9。
工作时，压力水通过进水孔10进入空腔9，空腔9则具有压力，因此，力平衡法兰4受到一个与水流方向相反(本实施例为向左)的水压力。通过合理的结构和尺寸设置，只要确保力平衡法兰4受到的与水流方向相反 (本实施例为向左)的水压力与蜗壳法兰1受到的与水流方向相同(本实施例为向右)的水压力大小相等。作用在蜗壳上的两个大小相等且方向相反的力互相抵消，蜗壳不再受到水流方向的作用力。由于空腔9内有压力水具有压力，施加了一个水流方向相同(本实施例为向右)的作用力在球阀下游延伸段6上，因为球阀基础101不承担水流方向的载荷，所以此作用力经过球阀传递到上游压力管道系统上。
本发明通过力平衡法兰4，在不改变压力管道系统、水轮机蜗壳和球阀结构设计，且不增加基础载荷和不影响检修的原则下，将蜗壳所承受的水推力，完全传递到给了压力管道系统。本发明提出一种水轮机蜗壳水推力补偿结构，通过将蜗壳水推力间接传递给球阀下游延伸段6，最终由球阀上游压力管道系统承担蜗壳的水推力。
作为一种优选的技术方案，所述力平衡法兰4的位置可自适应调整。
这更便于通过调整力平衡法兰4的位置实现力平衡法兰4受到的与水流方向相反(本实施例为向左)的水压力与蜗壳法兰1受到的与水流方向相同(本实施例为向右)的水压力大小相等，调节方便，而且增加了本发明的可靠性。
作为一种优选的技术方案，所述力平衡法兰4垂直水流方向的长度可调整，从而使所述力平衡法兰4垂直水流方向的承压面积变化，控制传递水推力的大小。
这进一步便于通过调整力平衡法兰4的位置实现力平衡法兰4受到的与水流方向相反(本实施例为向左)的水压力与蜗壳法兰1受到的与水流方向相同(本实施例为向右)的水压力大小相等，调节方便，而且进一步增加了本发明的可靠性。
实施例2
如图1至图5所示，作为实施例1的进一步优化，本实施例包含了实施例1的全部技术特征，除此之外，本实施例还包括以下技术特征：
作为一种优选的技术方案，其特征在于，所述力平衡法兰4与所述蜗壳法兰1刚性连接。
刚性连接进一步保证了力的传递，使本发明功能更加稳定，可靠性进一步提高。
作为一种优选的技术方案，还包括连接螺栓2，所述力平衡法兰4与所述蜗壳法兰1通过连接螺栓2连接。
螺栓连接调试便利，提高了本发明的可操作性。
作为一种优选的技术方案，还包括设于所述力平衡法兰4与所述蜗壳法兰1之间的定距隔套3。
定距隔套3又称定位隔套，有利于进一步保证所述力平衡法兰4与所述蜗壳法兰1的位置固定，使本发明结构牢固。
作为一种优选的技术方案，所述连接螺栓2依次穿设所述力平衡法兰4、所述定距隔套3、所述蜗壳法兰1。
有利于进一步保证所述力平衡法兰4与所述蜗壳法兰1的刚性连接，使本发明结构更加牢固。
作为一种优选的技术方案，还包括设于所述力平衡法兰4与所述球阀下游延伸段6接触处的第一密封件57。
这便于防止压力水的泄漏，有利于提高力平衡的有效作用，而且便于提高本发明的使用寿命。优选的，如附图3所示，第一密封件57包括分别设于空腔9底部的底部密封件5、设于空腔9顶部的顶部密封件7，进一步保证了密封效果。
作为一种优选的技术方案，还包括设于所述球阀下游延伸段6与所述蜗壳法兰1接触处的第二密封件8。
这有利于防止压力水通过所述球阀下游延伸段6与所述蜗壳法兰1接触处进入本发明所述水推力补偿结构内造成压力干扰，同时也防止压力水及水中的杂质影响本发明的使用寿命。
作为一种优选的技术方案，所述第一密封件57与所述第二密封件8均为可调压紧量的密封圈。
密封圈密封效果好，便于安装；而可调压紧量则便于减小磨损，提高所述第一密封件57与所述第二密封件8的使用寿命。
实施例3
如图1至图5所示，本实施例提供一种更细化的实施方式。
本发明提出一种水轮机蜗壳水推力补偿结构，通过将蜗壳水推力间接传递给球阀下游延伸段，最终由球阀上游压力管道系统(优选钢管构成的压力管道系统)承担蜗壳的水推力。
球阀下游延伸段6可以在力平衡法兰4内部自由滑动，因此球阀下游延伸段6和力平衡法兰4不会约束球阀的移动，球阀基础101不承担水流方向载荷，即新结构不会增加原设计的基础载荷。
球阀下游延伸段6上开孔(进水孔10)将压力水引入球阀下游延伸段 6与力平衡法兰4形成的高压腔(空腔9)，因此，力平衡法兰4受到一个向左的水压力。通过调整力平衡法兰4沿水流方向的承压投影面积，确保力平衡法兰4受到向左的水压力与蜗壳法兰1受到的向右水压力大小相等。蜗壳法兰1与力平衡法兰4通过连接螺栓2形成刚性连接，因此作用在蜗壳上的两个大小相等且方向相反的力互相抵消，蜗壳不再受到水流方向的作用力。同时球阀下游延伸段6与力平衡法兰4形成的高压腔，施加了一个向右的作用力在球阀下游延伸段6上，因为球阀基础101不承担水流方向的载荷，所以此作用力经过球阀传递到上游压力管道系统上。
自此，通过水推力补偿法兰，在不改变压力管道系统、水轮机蜗壳和球阀结构设计，不增加基础载荷和不影响检修的原则下，将蜗壳所承受的水推力，完全传递到给了压力管道系统。
本技术方案同样适合带金属蜗壳的离心单级和多级水泵。
本发明通过在球阀下游延伸段6上开孔，将压力水引入球阀下游延伸段6与力平衡法兰4形成的腔内，以平衡蜗壳法兰1受到的水推力，由此蜗壳不再承受水流方向的推力。
本发明所述第一密封件57与所述第二密封件8，不限于手动可调压紧量的密封圈结构，可以采用性能更优秀的组合密封结构，或设置可自动调整压紧量的密封结构。
本发明球阀下游延伸段6结构不限于附图中所示，可通过焊接方式将钢管与力平衡法兰4部分连接成一个整体，也可在钢管上加工出环形槽，并单独加工力平衡法兰4部分，通过在环形槽上安装金属键将力平衡法兰4 部分与钢管部分装配到一起。
本发明球阀下游延伸段6与蜗壳法兰1之间的密封不限于附图中所示密封结构，也可以在球阀下游延伸段6内侧过流面上加工凹槽，第二密封件8插入凹槽内部进行密封。
本发明具有以下优点：
本发明蜗壳不再承担水推力，因此蜗壳上无需再设置推力环，改善了蜗壳受力状况，且节省了制造成本。
本发明蜗壳无推力传递至混凝土，因此不再需要将蜗壳浇筑在混凝土中，大大节省了土建周期和土建成本。
本发明无混凝土设置，更方便蜗壳及其附属设备的检修及蜗壳运行状态的智能监测。
本发明采用此种结构,可大幅降低上游压力管道系统应力幅值，提高上游压力管道系统疲劳寿命及可靠性。
本发明增加了连接螺栓2的长度，连接螺栓2应力幅值更低，连接螺栓2抗疲劳性能更好。
如上所述，可较好地实现本发明。
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水轮机蜗壳水推力补偿结构，包括沿水流方向依次连接的球阀下游延伸段（6）、蜗壳法兰（1），其特征在于，还包括力平衡法兰（4），所述力平衡法兰（4）与所述球阀下游延伸段（6）可拆卸式连接，所述力平衡法兰（4）与所述蜗壳法兰（1）连接，所述力平衡法兰（4）与所述球阀下游延伸段（6）之间具有空腔（9），所述球阀下游延伸段（6）上开设有进水孔（10），所述进水孔（10）从所述球阀下游延伸段（6）外表面延伸至空腔（9），球阀下游延伸段（6）可以在力平衡法兰（4）内部自由滑动；球阀下游延伸段（6）结构为：在钢管上加工出环形槽，并单独加工力平衡法兰（4），通过在环形槽上安装金属键将力平衡法兰（4）与钢管部分装配到一起。
2.根据权利要求1所述的一种水轮机蜗壳水推力补偿结构，其特征在于，所述力平衡法兰（4）的位置可自适应调整。
3.根据权利要求2所述的一种水轮机蜗壳水推力补偿结构，其特征在于，所述力平衡法兰（4）垂直水流方向的长度可调整，从而使所述力平衡法兰（4）垂直水流方向的承压面积变化，控制传递水推力的大小。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种水轮机蜗壳水推力补偿结构，其特征在于，所述力平衡法兰（4）与所述蜗壳法兰（1）刚性连接。
5.根据权利要求4所述的一种水轮机蜗壳水推力补偿结构，其特征在于，还包括连接螺栓（2），所述力平衡法兰（4）与所述蜗壳法兰（1）通过连接螺栓（2）连接。
6.根据权利要求5所述的一种水轮机蜗壳水推力补偿结构，其特征在于，还包括设于所述力平衡法兰（4）与所述蜗壳法兰（1）之间的定距隔套（3）。
7.根据权利要求6所述的一种水轮机蜗壳水推力补偿结构，其特征在于，所述连接螺栓（2）依次穿设所述力平衡法兰（4）、所述定距隔套（3）、所述蜗壳法兰（1）。
8.根据权利要求7所述的一种水轮机蜗壳水推力补偿结构，其特征在于，还包括设于所述力平衡法兰（4）与所述球阀下游延伸段（6）接触处的第一密封件（57）。
9.根据权利要求8所述的一种水轮机蜗壳水推力补偿结构，其特征在于，还包括设于所述球阀下游延伸段（6）与所述蜗壳法兰（1）接触处的第二密封件（8）。
10.根据权利要求9所述的一种水轮机蜗壳水推力补偿结构，其特征在于，所述第一密封件（57）与所述第二密封件（8）均为可调压紧量的密封圈。
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