CN114856885B - 一种台阶式密封结构及水轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水轮机制造技术领域，尤其涉及一种台阶式密封结构及水轮机。主要包括第一部件水轮机上冠腔密封和第二部件水轮机下环腔密封，其中第一部件水轮机上冠腔密封位于转轮上冠与顶盖配合处，为转轮上冠与顶盖之间的间隙流道，与转轮上冠和顶盖接触；第二部件水轮机下环腔密封位于转轮下环与底环配合处，为转轮下环与底环之间的间隙流道，与转轮下环和底环接触。该台阶式密封结构主要包括的膨胀空腔和节流间隙。膨胀空腔和节流间隙呈第一预设角度，这样使得膨胀空腔和节流间隙能够形成台阶状的迷宫流道，进而能够实现增加密封流道内部流动阻力，进而提高水轮机的稳定性和可靠性，延长水轮机的使用寿命，节约成本。

Description

一种台阶式密封结构及水轮机

技术领域

本发明涉及水轮机制造技术领域，尤其涉及一种台阶式密封结构及水轮机。

背景技术

抽水蓄能电站运行中经常出现由于压力脉动过大导致的机组结构振动和噪声超标等问题，尤其是高水头大容量机组在设计工况运行时，更容易出现了压力脉动较大的情况；过大的压力脉动会导致顶盖等结构部件出现异常振动，并可能会引起顶盖螺栓应力超标、甚至导致螺栓疲劳断裂，严重威胁机组安全运行。因此，研究并提出能有效降低抽水蓄能机组过大的压力脉动的方法具有重要的工程价值。

机组压力脉动的产生与机组几何结构设计紧密相关，通过优化几何结构部件与造型来改善机组压力脉动是一种有效的技术方法。在现有技术中，对于改善水轮机密封的压力脉动存在两方面的不足：一是大部分的研究对象是转轮、无叶区、活动导叶等过流部件流道的压力脉动，此时，密封件直接与顶盖、座环等固定部件接触，目前对改善水轮机密封压力脉动的研究与发明很少，不足以指导现有水电站机组设计。二是现有改善机组压力脉动的技术多以调整导叶叶型、转轮叶型或数量、蜗壳鼻端开孔等为主，成本高，结构复杂。

因此，亟需设计一种台阶式密封结构及水轮机来解决现有技术中由于压力脉动过大导致的水轮机剧烈振动的技术问题。

发明内容

本发明的第一目的在于提出一种台阶式密封结构，该台阶式密封结构能够有效减小水轮机的剧烈振动，降低噪声分贝，进而提高水轮机的稳定性和可靠性。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种台阶式密封结构，包括第一部件水轮机上冠腔密封和第二部件水轮机下环腔密封，所述台阶式密封结构为迷宫间隙流道，内部承载水体；

所述水体从无叶区流域进入第一部件上游与第二部件，其中第一部件上游与转轮上冠和顶盖接触，第一部件膨胀空腔与第一部件节流间隙构成了台阶式迷宫结构，其中第一部件节流间隙结构截面极窄，以此造成所述水体流动阻力，所述水体流经所述第一部件上游与所述第二部件后，分别从所述第一部件下游流入平衡管，或从所述第二部件流入尾水管；

所述第一部件膨胀空腔和所述第一部件节流间隙呈第一预设角度。

作为一种台阶式密封结构的可选技术方案，沿Y轴方向，所述第一部件膨胀空腔的高度设置为10mm-20mm之间。

作为一种台阶式密封结构的可选技术方案，沿X轴方向，所述第一部件节流间隙的宽度设置为1.5mm-3.5mm之间。

作为一种台阶式密封结构的可选技术方案，所述第一部件膨胀空腔的数量等于所述第一部件节流间隙的数量，且所述第一部件膨胀空腔的数量和所述第一部件节流间隙的数量均设置为正整数N。

作为一种台阶式密封结构的可选技术方案，所述第一预设角度为90°-120°。

作为一种台阶式密封结构的可选技术方案，与所述第一部件上游接触的顶盖，以及与所述第二部件接触的底环均采用不锈钢材质制成。

本发明的第二目的在于提出一种水轮机，降低水轮机中的压力脉动，提高水轮机运行的可靠性，延长使用寿命。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种水轮机，所述水轮机包括上述任一项可选技术方案中所述的台阶式密封结构。

作为一种水轮机的可选技术方案，所述水轮机包括转轮、顶盖与底环，其中在所述转轮与所述顶盖、以及所述转轮与所述底环之间均存在所述台阶式密封结构。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种台阶式密封结构，通过在顶盖和转轮上冠之间增设台阶式密封结构，进而使得当水流流进该密封结构内部时，在膨胀空腔和节流间隙对水流的共同阻碍的作用下，使得水流流速变缓，压力降低，进而降低该台阶式密封结构内部的压力脉动，避免压力脉动过大而引起水轮机内零部件(如顶盖、螺栓)的振动，提高水轮机的稳定性和可靠性，节约成本。

本发明还提供一种水轮机，该水轮机采用台阶式密封结构能够提高降低水轮机中密封结构内部的压力脉动，降低噪音，减小顶盖以及顶盖上螺栓松动的风险，进而提高水轮机运行的可靠性，延长使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的台阶式密封结构的结构示意图；

图2为图1中沿A-A方向的剖视图；

图3为图2中B处的局部放大图。

附图标记

100、第一部件下游；200、第一部件上游；300、第一部件膨胀空腔；400、第一部件节流间隙；500、第二部件。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

如图1-图3所示，本实施例提供一种水轮机台阶式密封结构，台阶式密封通过复杂的迷宫密封结构增加水体流动阻力来达到密封效果。需要强调的是，图示结构(100-500)均为过水流道，内部为流体。第一部件上游200与顶盖(图中未示出)接触，第一部件下游100与转轮上冠(图中未示出)接触；第二部件500上侧与转轮下环接触，下侧与底环(图中未示出)接触。其中，第一部件水轮机上冠腔密封包括第一部件下游100、第一部件上200、第一部件膨胀空腔300、第一部件节流间隙400。水流首先从无叶区流域流入第一部上游件200，第一部件上游200的上面与顶盖接触，下面与转轮上冠接触；然后水流经第一部件膨胀空腔300与第一部件节流间隙400，第一部件膨胀空腔300与第一部件节流间隙400构成了台阶结构，通过第一部件节流间隙400在X方向上宽度极小的特点，增加水体流动阻力，达到减少流量形成密封的效果；此后水流流入第一部件上游100，在第一部件上游100的某一个位置接有平衡管，水流通过平衡管流入尾水管。第二部500与第一部件下游100以及第一部件上200组成类似，水从无叶区流体域流入下环腔台阶式密封流道，这个流道和第一部件膨胀空腔300和第一部件节流间隙400相似，具有台阶状过流结构，以此达到密封效果，最终水流流过台阶密封结构后进入尾水管。

可选地，如图3所示，在本实施例中，第一部件膨胀空腔300的数量等于第一部件节流间隙400的数量，且第一部件膨胀空腔300的数量和第一部件节流间隙400的数量均设置为正整数N，也就是说，正整数N可以为设置为1个、3个、5个、6个、8个等数值，作业人员可以根据实际情况来具体设定第一部件膨胀空腔300和第一部件节流间隙400的数量，本实施例对此不做限定。

与现有技术相比，本实施例通过设置台阶式密封结构，使得当水流流进该密封结构内部时，在第一部件膨胀空腔300和第一部件节流间隙400对水流的共同阻碍的作用下，使得水流流速变缓，压力降低，进而降低该台阶式密封结构内部的压力脉动，避免压力脉动过大而引起水轮机内零部件(如顶盖、螺栓)的振动，提高水轮机的稳定性和可靠性，节约成本。

如图2所示，在本实施例中，沿X轴方向，第一部件节流间隙400的宽度设置为1.5mm-3.5mm之间，例如作业人员可以根据实际作业情况，将第一部件节流间隙400的宽度设置为1.5mm、2.8mm、3.5mm等数值。沿Y轴方向，第一部件膨胀空腔300的高度设置为10mm-20mm之间，例如作业人员可以根据实际作业情况，将第一部件膨胀空腔300的高度设置为10mm、15mm或者20mm等数值，进而优化水流在台阶式密封结构的压力脉动，使得压力脉动降低至最优值。本实施对第一部件膨胀空腔300的高度和第一部件节流间隙400的宽度不做进一步地限定，只要确保该台阶式密封结构能够有效地降低其内部的压力脉动均属于本发明的保护范畴。

可选地，在本实施例中，第一预设角度为90°-120°，例如，可以设置为90°、100°、120°等等，即第一部件膨胀空腔300和第一部件节流间隙400可以设置为两者相互垂直，也可以设置为两者呈钝角的角度。作业人员能够根据实际情况选择最优的第一预设角度，进而有利于降低台阶式密封结构的压力脉动，提高水轮机的稳定性和可靠性。

可选地，在本实施例中，与第一部件上游200接触的顶盖，以及与第二部件500接触的底环均采用钢板焊接结构，这样部件能够提高顶盖和底环结构的强度，延长其使用寿命，同时，也能够提高台阶式密封的稳定性和可靠性，避免在水轮机正常工作时，发生水流外泄的风险。

可选地，在本实施例中，与第一部件上游200接触的顶盖、转轮，与第二部件500接触的底环采用不锈钢材质制成。不锈钢材质具有耐空气、蒸汽、水等腐蚀介质的特性，同时具有一定的强度，可提高其台阶式密封性能，延长水轮机的使用寿命。当然，作业人员还可以选取其他耐腐蚀、具有高强度的材料来加工顶盖、转轮、底环等结构，本实施例对此不做限定。

本实施例还提供一种水轮机，该水轮机包括上述实施例中的转轮、顶盖与底环，以及以上台阶式的密封结构。其中在转轮与顶盖、转轮与底环中存在流动间隙，其间隙结构如第一部件上游200、第一部件下游100以及第二部件500所展示，包含第一部件膨胀空腔300与第一部件节流间隙400所展示的台阶式结构。该水轮机采用台阶式密封结构能够提高降低水轮机中密封结构内部的压力脉动，降低噪音，减小顶盖以及顶盖上螺栓松动的风险，进而提高水轮机运行的可靠性，延长使用寿命。

显然，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

注意，在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”等的描述意指接合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式接合。

Claims (5)

1.一种台阶式密封结构，其特征在于，包括第一部件水轮机上冠腔密封和第二部件水轮机下环腔密封，所述台阶式密封结构为迷宫间隙流道，内部承载水体；

所述水体从无叶区流域进入第一部件上游(200)与第二部件(500)，其中所述第一部件上游(200)与转轮上冠和顶盖接触，第一部件膨胀空腔(300)与第一部件节流间隙(400)构成了台阶式迷宫结构，其中所述第一部件节流间隙(400)结构截面极窄，以此造成所述水体流动阻力，所述水体流经所述第一部件上游(200)与所述第二部件(500)后，分别从所述第一部件下游(100)流入平衡管，或从所述第二部件(500)流入尾水管，沿Y轴方向，所述第一部件膨胀空腔(300)的高度设置为10mm-20mm之间，沿X轴方向，所述第一部件节流间隙(400)的宽度设置为1.5mm-3.5mm之间；

所述第一部件膨胀空腔(300)和所述第一部件节流间隙(400)呈第一预设角度，所述第一预设角度为90°-120°。

2.根据权利要求1所述的台阶式密封结构，其特征在于，所述第一部件膨胀空腔(300)的数量等于所述第一部件节流间隙(400)的数量，且所述第一部件膨胀空腔(300)的数量和所述第一部件节流间隙(400)的数量均设置为正整数N。

3.根据权利要求1所述的台阶式密封结构，其特征在于，与所述第一部件上游(200)接触的顶盖，以及与所述第二部件(500)接触的底环均采用不锈钢材质制成。

4.一种水轮机，其特征在于，所述水轮机包括权利要求1-3中任一项所述的台阶式密封结构。

5.根据权利要求4所述的水轮机，其特征在于，所述水轮机包括转轮、顶盖与底环，其中在所述转轮与所述顶盖、以及所述转轮与所述底环之间均存在所述台阶式密封结构。