水泵水轮机转轮及其密封结构的优化与研究.docx

水泵水轮机转轮是水轮机的核心部件，其主要作用是将水流的能量转换为机械能。转轮由上冠、下环、叶片和泄水锥组成，并通过上冠与水轮机轴用螺栓连接。在主轴靠近转轮处装有水轮机导轴承，用于防止主轴的偏摆。为了减小转动部分与固定部分的间隙漏水，在转轮的下环和上冠处分别设有上转动止漏环和下转动止漏环，而在相对应的固定部分（顶盖、底环或基础环）则分别设有固定止漏环。此外，为了减少运行时机组的流量损失并提高效率，转轮上冠和下环还设有上、下转动迷宫环（止漏环）。在调相运行时，由于转轮室内充满空气，需额外提供冷却水来冷却转轮上、下迷宫环（止漏环）。

一、止漏环的结构形式与设计

止漏环的设计对于水轮机的运行效率和稳定性至关重要。止漏环的结构形式主要有塔式水平梳齿式、阶梯式、梳齿阶梯式三种。上止漏环的间隙一般在1.5mm左右，而下止漏环的间隙一般在1.7mm左右，略大于上止漏环间隙。这种设计主要是为了更好地适应水轮机运行时的水力特性。

不同制造商的止漏环设计略有差异。例如，法国ALSTHOM公司采用3塔水平梳齿式上止漏环和5级梳齿阶梯式下止漏环，设计单边间隙为1.5mm；德国Voith公司采用8级阶梯式止漏环，设计单边间隙在1.20~1.55mm之间；杭州东芝公司采用4级梳齿阶梯式上止漏环和6级梳齿阶梯式下止漏环，设计单边间隙分别为1.4mm和1.7mm。这些设计均根据不同的水轮机运行条件和水头高度进行了优化。

转轮上止漏环

转轮下止漏环

电站

制造厂

密封结构形式

设计单边间隙（mm）

密封结构形式

设计单边间隙（mm）

单机（MW）

A

?

法国

ALSTHOM

3塔水平梳齿式

1.5

5级梳齿阶梯式

1.5

300

B

德国

Vioth

8级阶梯式

1.20~1.35

8级阶梯式

1.40~1.55

300

C

法国

ALSTOM

3塔水平梳齿式

1.5

5级梳齿阶梯式

1.7

300

D

杭州

东芝

4级梳齿阶梯式

1.4

6级梳齿阶梯式

1.7

320

E

天津GE/

ALSTOM

3塔水平梳齿式

1.25→1.5

4级阶梯式

1.45→1.7

200

F

东方电机

3塔水平梳齿式

1.5

5级梳齿阶梯式

1.7

300

G

哈电

3塔水平梳齿式

1.4~1.6

6级阶梯式

1.7~1.9

400

H

东方电机

3塔水平梳齿式

1.5

6级梳齿阶梯式

1.8

300

I

Vioth

8级阶梯式

0.67

7级阶梯式

0.87

357

J

上海

Voith

8级阶梯式

0.8（0~+0.2）

8级阶梯式

1

（0~+0.2）

300

K

Voith

8级阶梯式

1.2

8级阶梯式

1.5

250

M

东芝

2塔水平梳齿式

1.4

4级阶梯式

1.6

300

N

东芝

2塔水平梳齿式

2（1.6~2.4）

5级阶梯式

2（1.6~2.4）

400

二、顶盖均压管的作用与影响

顶盖均压管在水泵水轮机中具有重要作用。它主要连接在上止漏环的顶盖和转轮之间的空腔到尾水管，与上止漏环的设计相对应。止漏环的型式包括缝隙式、迷宫式、梳齿式和台阶式，其中梳齿式和台阶式应用较为广泛。止漏环的设计与水头高度密切相关，水头越高，止漏环对机组的稳定运行影响越大。

当机组出现摆度时，转轮外缘圆周方向的间隙可能不均匀，这会导致转轮上冠与顶盖之间的水压波动，进而影响机组的水推力，增大机组负荷。此外，转轮安装中止漏环间隙不均匀也会导致机组振动。顶盖均压管可以有效平衡转轮上冠与顶盖空腔与尾水管之间的压力，降低转轮上腔内的水压力，从而降低水轮发电机组的水推力，减轻推力轴承的负荷。

然而，顶盖均压管的安装质量要求较高，因为其对机组的运行稳定性有直接影响。研究表明，转轮与顶盖之间的压力腔与尾水管之间的压力脉动可能通过均压管引起自激振动。转轮的转动以及均压管等综合因素会对转轮上腔中的水流产生压力扰动，伴随压力脉动的产生，从而影响机组的安全稳定运行。

顶盖均压管还与主轴密封有关。主轴密封的密封水实际上是顶盖与转轮上冠之间空腔通过间隙经过检修密封的水流。主轴密封的工作密封通过密封环压力腔高于被密封水压力来实现，起到密封尾水的作用。顶盖均压管平衡空腔内的水压力，使得主轴密封密封环压力腔水压高于被密封水压力，通常至少要高出0.05MPa。在机组运行中，密封环与抗磨板之间会形成一层厚度均匀的水膜，清洁水向两侧泄漏。

三、顶盖腔体压力脉动的影响因素

顶盖腔体压力脉动是一个复杂的系统，受到多种因素的影响。这些因素包括上流引水、尾水、上冠尺寸、止漏环尺寸、腔体高度等。这些因素之间可能相互作用，并且受到转轮旋转的影响。因此，转轮上腔体内部的水流状态十分复杂。

梁武科等对设置减压管的混流式水轮机进行了全流道的三维湍流数值模拟分析，研究了转轮上冠腔体内及上止漏环间隙中的压力分布和脉动的形成原因。