一种消减高水头水泵水轮机上冠间隙流道内腔不连续涡结构的密封环装置

本发明涉及流体机械及工程设备的，具体是一种消减高水头水泵水轮机上冠间隙流道内腔不连续涡结构的密封环装置。

背景技术：

1、以新能源为主体的新型电力系统需要增加更多的风电、光伏等清洁能源，但目前风能、太阳能等清洁能源的调节稳定性差。抽水蓄能电站具有容量大、工况多、速度快，与其配套，在系统中可承担调峰、调频、调相、储能、事故备用和黑启动等多种功能，是新型电力系统的“调节器”和“稳定器”。目前我国抽水蓄能向超高水头和超大容量发展，部分已达到700米以上的运行水头，过高的运行水头对机组运行安全稳定性提出要求，由于水泵水轮机运行工况繁多，且过渡过程频繁迅速，转轮流道内复杂的流态转捩极易引起顶盖的流激振动问题。水泵水轮机顶盖与导叶流道和上冠间隙流道直接接触，间隙流道内复杂的压力脉动是激发顶盖流激振动的直接原因。以往研究缺乏对间隙流道压力脉动的研究，间隙流道压力脉动来源与产生机理不清，流道内的压力脉动可能导致顶盖出现异常流激振动问题，极大限制了机组的安全稳定运行。

2、对于上冠间隙流道，其为转轮上冠与顶盖之间的薄层空腔，机组运行过程中由于上冠面的旋转带动作用，间隙内水体呈强旋转剪切流，为了减小旋转的转轮与静止的顶盖或底环之间的水体泄漏量，一般情况下在间隙流道上设置各种密封设置用以降低间隙泄漏量，提高机组的运行效率。对于高水头水泵水轮机，一般设置迷宫密封环进行止漏，即设置多级密封环，高水头机组密封环最小的密封尺寸约为(0.02～0.025)％d，d为转轮进口直径；现有迷宫密封环尺寸研究仅针对最小密封尺寸进行限制，且各级密封环密封尺寸设置相等，其他密封腔等尺寸仅根据经验确定。本实施例发明人通过对水泵水轮机全流道的三维cfd数值模拟发现在现有迷宫密封环尺寸下，上冠间隙流道内腔沿圆周方向产生不连续的涡结构，产生高频的压力脉动，是导致顶盖产生流激振动的原因之一。间隙内腔不连续涡结构产生机理为：现有迷宫密封环最后一级密封环出口的射流与间隙内腔强旋转流相互撞击，在间隙内腔形成不连续的涡结构，不连续的涡结构在内腔内旋转，并产生较大幅值的5.8倍转轮转频左右的压力脉动。此高频的压力脉动不断作用于顶盖，若水流脉动频率与顶盖固有频率接近，此脉动容易引起顶盖产生相应频率的流激振动，影响机组安全稳定运行。

3、现有技术方案对于消减顶盖振动的措施主要为限制机组的运行范围加以解决，效果不佳且影响了机组运行效率。若要大幅消减间隙内腔不连续产生的压力脉动，从而解决由于间隙内腔不连续涡结构产生的顶盖流激振动问题，必须从不连续涡结构的源头出发，设法消减内腔不连续涡结构的压力脉动。

技术实现思路

1、本发明针对现有迷宫密封环条件下，高水头水泵水轮机间隙内腔不连续涡结构导致的顶盖异常振动问题，提出一种消减高水头水泵水轮机上冠间隙流道内腔不连续涡结构的密封环装置，其可以从源头上消减间隙内腔产生的圆周向不连续涡结构，从而抑制其产生的顶盖流激振动问题，确保机组安全稳定运行。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种消减高水头水泵水轮机上冠间隙流道内腔不连续涡结构的密封环装置，包括：径向上与上冠间隙外腔和上冠间隙内腔连接的上冠间隙迷宫密封环，所述上冠间隙迷宫密封环为多级迷宫密封环，安装于转轮上冠与顶盖之间，所述上冠间隙迷宫密封环外侧连接上冠间隙流道外腔，内侧接上冠间隙内腔；所述上冠间隙迷宫密封环包括多级密封环、多级密封腔和多级密封齿，每级密封环为用于止漏设置的旋转部件与静止部件之间距离微小的环状部件，每级密封腔为相邻两级密封环之间的腔体，每级密封齿由泄漏水体运行方向相反的相邻两级密封环及其之间的密封腔组成。

4、进一步的，上冠间隙进口、上冠间隙外腔、上冠间隙迷宫密封环、上冠间隙内腔和上冠间隙出口依次连接构成上冠间隙流道，所述上冠间隙流道上部与顶盖连接，下部与转轮上冠连接，其中上冠间隙进口为连接于水泵水轮机主流道转轮进口上部的薄层圆环流道，所述上冠间隙进口末端与上冠间隙外腔连接，所述上冠间隙出口为连接上冠间隙内腔和内平压管的薄层圆环流道。

5、进一步的，所述密封环装置由7级密封环、6级密封腔和4级密封齿组成。

6、进一步的，1级密封齿外侧为1级密封环，内侧为2级密封环；2级密封齿外侧为3级密封环，内侧为4级密封环；3级密封齿外侧为4级密封环，内侧为5级密封环；4级密封齿外侧为6级密封环，内侧为7级密封环。

7、进一步的，每级密封齿18内外两侧的密封尺寸不同，较小尺寸一侧为最小密封尺寸s，较大尺寸一侧的径向尺寸为a，a＝3s，最后一级密封环的密封尺寸为b，b≥4s。

8、进一步的，各密封腔的尺寸相等。

9、进一步的，各密封腔的宽度为5cm，高度为4cm。

10、本发明针对高水头水泵水轮机现有迷宫密封环尺寸下，上冠间隙流道内腔出现的不连续的涡结构及其产生高频的压力脉动，通过合理布局迷宫密封环各局部尺寸，在不影响机组效率的前提下，降低了最后一级密封环出口射流与间隙内腔强旋转剪切流之间的相互作用，消减了间隙内腔不连续涡结构及其产生的高频压力脉动，从而抑制了由于间隙内腔不连续涡结构产生的顶盖流激振动问题。

技术特征：

1.一种消减高水头水泵水轮机上冠间隙流道内腔不连续涡结构的密封环装置，其特征在于，包括：径向上与上冠间隙外腔和上冠间隙内腔连接的上冠间隙迷宫密封环，所述上冠间隙迷宫密封环为多级迷宫密封环，安装于转轮上冠与顶盖之间，所述上冠间隙迷宫密封环外侧连接上冠间隙流道外腔，内侧接上冠间隙内腔；所述上冠间隙迷宫密封环包括多级密封环、多级密封腔和多级密封齿，每级密封环为用于止漏设置的旋转部件与静止部件之间距离微小的环状部件，每级密封腔为相邻两级密封环之间的腔体，每级密封齿由泄漏水体运行方向相反的相邻两级密封环及其之间的密封腔组成。

2.根据权利要求1所述的密封环装置，其特征在于，上冠间隙进口、上冠间隙外腔、上冠间隙迷宫密封环、上冠间隙内腔和上冠间隙出口依次连接构成上冠间隙流道，所述上冠间隙流道上部与顶盖连接，下部与转轮上冠连接，其中上冠间隙进口为连接于水泵水轮机主流道转轮进口上部的薄层圆环流道，所述上冠间隙进口末端与上冠间隙外腔连接，所述上冠间隙出口为连接上冠间隙内腔和内平压管的薄层圆环流道。

3.根据权利要求1所述的密封环装置，其特征在于，所述密封环装置由7级密封环、6级密封腔和4级密封齿组成。

4.根据权利要求3所述密封环装置，其特征在于，1级密封齿外侧为1级密封环，内侧为2级密封环；2级密封齿外侧为3级密封环，内侧为4级密封环；3级密封齿外侧为4级密封环，内侧为5级密封环；4级密封齿外侧为6级密封环，内侧为7级密封环。

5.根据权利要求1所述密封环装置，其特征在于，每级密封齿内外两侧的密封尺寸不同，较小尺寸一侧为最小密封尺寸s，较大尺寸一侧的径向尺寸为a，a＝3s，最后一级密封环的密封尺寸为b，b≥4s。

6.根据权利要求1或5所述密封环装置，其特征在于，各密封腔的尺寸相等。

7.根据权利要求6所述密封环装置，其特征在于，各密封腔的宽度为5cm，高度为4cm。

技术总结
本发明提供一种消减高水头水泵水轮机上冠间隙流道内腔不连续涡结构的密封环装置，包括：径向上与上冠间隙外腔和上冠间隙内腔连接的上冠间隙迷宫密封环，所述上冠间隙迷宫密封环为多级迷宫密封环，外侧连接上冠间隙流道外腔，内侧接上冠间隙内腔；所述上冠间隙迷宫密封环包括多级密封环、多级密封腔和多级密封齿。本发明是基于常规迷宫密封环结构，明确了各级密封环的尺寸和体型，并对最后一级密封环的密封尺寸提出约束条件，以此抑制最后一级密封环进入内腔的射流流速，从而消减了射流与内腔不连续涡结构的相互作用，抑制了间隙内腔不连续涡结构及其产生的压力脉动，消减了内腔不连续涡引起的流激振动隐患。

技术研发人员：后小霞
受保护的技术使用者：长江水利委员会长江科学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15