RU2447315C1 - Radial-axial hydraulic machine - Google Patents
Radial-axial hydraulic machine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2447315C1 RU2447315C1 RU2010144349/06A RU2010144349A RU2447315C1 RU 2447315 C1 RU2447315 C1 RU 2447315C1 RU 2010144349/06 A RU2010144349/06 A RU 2010144349/06A RU 2010144349 A RU2010144349 A RU 2010144349A RU 2447315 C1 RU2447315 C1 RU 2447315C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- impeller
- seal
- seals
- hydraulic machine
- ring
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/20—Hydro energy
Landscapes
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к конструкции радиально-осевых гидравлических машин, предназначенных преимущественно для работы на больших перепадах давления, т.е. на высоких напорах.The present invention relates to the field of power engineering, in particular to the design of radial-axial hydraulic machines designed primarily for operation at large pressure drops, i.e. at high pressures.
При работе радиально-осевых гидравлических машин имеют место существенные потери энергии на дисковое трение наружных поверхностей рабочего колеса о воду, что в значительной мере снижает КПД гидравлической машины. Наружные поверхности рабочего колеса - это поверхности дисков рабочего колеса, обращенные к статорным деталям гидравлической машины. Дисками принято называть верхний обод и нижний обод рабочего колеса.During the operation of radial-axial hydraulic machines, significant energy losses occur due to disk friction of the outer surfaces of the impeller against water, which significantly reduces the efficiency of the hydraulic machine. The outer surfaces of the impeller are the surfaces of the impeller disks facing the stator parts of the hydraulic machine. Disks are called the upper rim and the lower rim of the impeller.
О величинах потерь на дисковое трение можно судить из следующего.The values of losses due to disk friction can be judged from the following.
Согласно известным из теории гидравлических машин зависимостям для определения значения внутреннего механического КПД гидравлической машины, например, для машин низкой быстроходности, применяемых для напоров около 500 метров, величина механического КПД в насосном режиме составляет 93%. Это означает, что в данном случае величина потерь на дисковое трение составляет приблизительно 7% от полезной гидравлической энергии.According to the dependences known from the theory of hydraulic machines, for determining the value of the internal mechanical efficiency of a hydraulic machine, for example, for low-speed machines used for heads of about 500 meters, the value of mechanical efficiency in the pump mode is 93%. This means that in this case, the amount of losses due to disk friction is approximately 7% of the useful hydraulic energy.
В целом же расчетные данные и результаты испытаний показывают, что наибольшие потери на дисковое трение имеют место при работе высоконапорной гидравлической машины в насосном режиме - приблизительно 7%. При работе в турбинном режиме величина потерь на дисковое трение меньше и составляет приблизительно 5%.In general, the calculated data and test results show that the greatest losses due to disk friction occur during operation of a high-pressure hydraulic machine in the pump mode - approximately 7%. When operating in turbine mode, the amount of loss due to disk friction is less and is approximately 5%.
Из теории расчета гидравлических машин известно, что величина потерь мощности на дисковое трение определяется формулой ΔP=k·ρ·ω3·D5, где k - постоянный коэффициент, ρ - плотность среды, ω - частота вращения ротора гидравлической машины, D - диаметр несущего или покрывающего диска рабочего колеса.From the theory of calculation of hydraulic machines, it is known that the power loss on disk friction is determined by the formula ΔP = k · ρ · ω 3 · D 5 , where k is a constant coefficient, ρ is the density of the medium, ω is the rotational speed of the rotor of the hydraulic machine, D is the diameter bearing or covering disk of the impeller.
Приведенная выше зависимость показывает, что величина потерь мощности на дисковое трение ΔP прямо пропорциональна плотности среды ρ, из чего следует, что возможно добиться существенного снижения потерь на дисковое трение в случае исключения водной среды из пространства вокруг наружных поверхностей рабочего колеса и заполнения этого пространства сжатым воздухом (газом), так как плотность воздуха (газа) в сотни раз меньше плотности воды.The above dependence shows that the amount of power loss due to disk friction ΔP is directly proportional to the density of the medium ρ, which implies that it is possible to achieve a significant reduction in losses due to disk friction if water is excluded from the space around the outer surfaces of the impeller and this space is filled with compressed air (gas), since the density of air (gas) is hundreds of times lower than the density of water.
Проблема снижения потерь на дисковое трение особенно актуальна для высоконапорных реверсивных насос-турбин. К сожалению, в настоящее время пока не известно о применении эффективных решений, позволяющих существенным образом уменьшить потери на дисковое трение при работе гидравлической машины в турбинном или насосном режимах. Решение данной задачи позволило бы в целом существенно повысить КПД радиально-осевых гидравлических машин.The problem of reducing disk friction losses is especially relevant for high-pressure reversible pump-turbines. Unfortunately, at present, it is not yet known about the application of effective solutions that can significantly reduce disk friction losses during operation of a hydraulic machine in turbine or pump modes. The solution to this problem would allow, on the whole, to significantly increase the efficiency of radial-axial hydraulic machines.
Известно трубчато-лопастное рабочее колесо [Патент RU 2345243 С1, F03B 3/12, дата публикации - 27.01.2009 г.], решающее задачу увеличения КПД путем уменьшения потерь на трение за счет устранения контакта внешних поверхностей колеса с водой.Known tubular impeller [Patent RU 2345243 C1, F03B 3/12, publication date - 01/27/2009], which solves the problem of increasing efficiency by reducing friction losses by eliminating the contact of the outer surfaces of the wheel with water.
Известное трубчато-лопастное рабочее колесо содержит лопасти и вал, на который посажены верхний и нижний несущие диски. Между дисками установлены трубчатые лопасти, изогнутые в виде колен. Выходы трубчатых лопастей ориентированы горизонтально по касательным к окружности нижнего диска. Лопасти выполнены в виде отрезков труб, входные верхние участки которых расположены вертикально.Known tubular-impeller contains blades and a shaft on which the upper and lower bearing discs are mounted. Between the disks installed tubular blades curved in the form of knees. The outputs of the tubular blades are oriented horizontally tangentially to the circumference of the lower disk. The blades are made in the form of pipe segments, the input upper sections of which are located vertically.
В результате того что весь напорный поток проходит только внутри трубчатых лопастей, оставляя наружные поверхности лопастей и остальные поверхности деталей рабочего колеса сухими, исключается контакт внешних поверхностей колеса с водой, что согласно выводам автора снижает потери на трение.As a result of the fact that the entire pressure flow passes only inside the tubular blades, leaving the outer surfaces of the blades and other surfaces of the parts of the impeller dry, contact of the external surfaces of the wheel with water is excluded, which, according to the conclusions of the author, reduces friction losses.
Однако при исключении трения потока о внешние поверхности рабочего колеса в данном техническом решении имеют место потери на трение в каналах трубчатых лопастей, и, кроме того, известная конструкция рабочего колеса не может быть применена в мощных высоконапорных гидравлических машинах вследствие недостаточной пропускной способности и эффективности.However, with the exception of flow friction on the outer surfaces of the impeller, in this technical solution there are friction losses in the channels of the tubular blades, and, in addition, the known design of the impeller cannot be applied in powerful high-pressure hydraulic machines due to insufficient throughput and efficiency.
В качестве прототипа заявляемого технического решения предлагается выбрать радиально-осевую гидравлическую машину [«Гидравлические турбины», Отраслевой каталог НИИЭ Информэнергомаш, М., 1985 г., с.141, рис.54], которая содержит рабочее колесо с дисками, установленное на валу гидротурбины, направляющий аппарат, всасывающую трубу, а также статорные узлы гидромашины - крышку и фундаментное кольцо. В зоне вокруг рабочего колеса образованы две полости: одна - между рабочим колесом и крышкой гидравлической машины, другая - между рабочим колесом и фундаментным кольцом. В указанных полостях размещены уплотнения, которые при работе гидроагрегата ограничивают протечки воды во всасывающую трубу из пространства между рабочим колесом и направляющим аппаратом. В известной конструкции предусмотрена возможность подачи сжатого воздуха в проточную часть гидравлической машины, а именно в полость между рабочим колесом и крышкой, осуществляемой при работе гидромашины в режиме синхронного компенсатора (на рис.54 обозначено: «подача воздуха при работе в режиме СК»).As a prototype of the claimed technical solution, it is proposed to choose a radial-axial hydraulic machine ["Hydraulic turbines", Industry catalog NIIE Informenergomash, M., 1985, p.141, Fig. 54], which contains an impeller with disks mounted on a shaft hydraulic turbines, a guiding apparatus, a suction pipe, as well as stator units of a hydraulic machine - a cover and a foundation ring. Two cavities are formed in the area around the impeller: one between the impeller and the cover of the hydraulic machine, the other between the impeller and the foundation ring. In these cavities there are seals that, when the unit operates, limit water leakage into the suction pipe from the space between the impeller and the guide device. In the known design, it is possible to supply compressed air to the flowing part of the hydraulic machine, namely, to the cavity between the impeller and the cover, which is carried out during operation of the hydraulic machine in synchronous compensator mode (in Fig. 54 it is indicated: "air supply when operating in the SC mode").
Применение данного технического решения обеспечивает полное отжатие воды из области внутри и вокруг рабочего колеса при работе гидроагрегата в режиме синхронного компенсатора (СК) и позволяет резко снизить гидравлические, в том числе дисковые, потери при вращении рабочего колеса в режиме СК, так как плотность воздуха в сотни раз меньше плотности воды, а согласно известной зависимости величина потерь мощности на дисковое трение прямо пропорциональна плотности среды, в которой вращается диск.The application of this technical solution ensures the complete extraction of water from the area inside and around the impeller during operation of the hydraulic unit in synchronous compensator (SC) mode and can drastically reduce hydraulic, including disk, losses during the rotation of the impeller in SC mode, since the air density in hundreds of times less than the density of water, and according to the well-known dependence, the amount of power loss due to disk friction is directly proportional to the density of the medium in which the disk rotates.
Однако при работе гидравлической машины в турбинном или насосном режиме, когда рабочее колесо заполнено водой, известное техническое решение не позволяет при подаче сжатого воздуха в полость между рабочим колесом и крышкой гидромашины существенным образом уменьшить потери энергии на дисковое трение, так как доля снижения дисковых потерь от их исходной величины, когда гидроагрегат работает без подачи сжатого воздуха, примерно равна доле объема воздуха в общем объеме воздушно-водяной среды в пространстве между вращающимся рабочим колесом и обращенными к нему поверхностями статорных деталей гидромашины. При малых величинах расхода сжатого воздуха (до 0,1% в сжатом состоянии или до 1% в приведении к атмосферному давлению от величины расхода воды) воздух быстро проходит во всасывающую трубу, и доля газовой фазы при этом будет незначительной. Большой расход сжатого воздуха, который мог бы обеспечить существенную составляющую газовой фазы и тем самым в заметной мере снизить потери на дисковое трение, приводит к снижению гидравлического КПД и к большим затратам энергии на получение необходимых объемов сжатого воздуха, что делает применение известного решения для турбинного или насосного режима технически и экономически нецелесообразным.However, when the hydraulic machine is in turbine or pump mode, when the impeller is filled with water, the known technical solution does not allow, when supplying compressed air to the cavity between the impeller and the cover of the hydraulic machine, to significantly reduce energy loss due to disk friction, since the proportion of reduction of disk losses from their initial value, when the hydraulic unit works without supplying compressed air, is approximately equal to the fraction of the air volume in the total volume of the air-water medium in the space between the rotating impeller ohm and facing him to the surfaces of the stator parts of the hydraulic machine. At low values of the compressed air flow (up to 0.1% in the compressed state or up to 1% in terms of atmospheric pressure of the water flow), the air quickly passes into the suction pipe, and the fraction of the gas phase will be negligible. A large consumption of compressed air, which could provide a significant component of the gas phase and thereby significantly reduce disk friction losses, leads to a decrease in hydraulic efficiency and to large energy costs for obtaining the necessary volumes of compressed air, which makes the application of a known solution for turbine or pumping mode is technically and economically impractical.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое техническое решение, заключается в снижении потерь энергии на дисковое трение наружных поверхностей рабочего колеса при работе радиально-осевой гидравлической машины в турбинном или насосном режимах, что обеспечивает повышение КПД гидромашины.The technical result, which is achieved by the claimed technical solution, is to reduce energy losses due to disk friction of the outer surfaces of the impeller during operation of a radial-axial hydraulic machine in turbine or pump modes, which ensures increased efficiency of the hydraulic machine.
Для достижения указанного технического результата предлагается радиально-осевая гидравлическая машина, которая содержит вал гидротурбины с установленным на нем рабочим колесом с дисками, направляющий аппарат, всасывающую трубу, крышку гидромашины, фундаментное кольцо. Крышка и фундаментное кольцо являются статорными деталями гидравлической машины. В зоне вокруг рабочего колеса имеются полости, одна из которых образована между рабочим колесом и крышкой гидромашины, другая - между рабочим колесом и фундаментным кольцом. В указанных полостях размещены уплотнения, ограничивающие протечки во всасывающую трубу из пространства между рабочим колесом и направляющим аппаратом. Обычно в целях уменьшения величины протечек эти уплотнения располагаются по возможности ближе к оси вращения рабочего колеса. Могут быть применены разные конструкции уплотнений, например уплотнения могут быть выполнены в виде пары колец, создающих узкую щель. Из технологических соображений зазор между кольцами выбирают минимально возможным.To achieve the specified technical result, a radial-axial hydraulic machine is proposed, which contains a hydraulic turbine shaft with an impeller with disks mounted on it, a guide apparatus, a suction pipe, a cover of the hydraulic machine, a foundation ring. The cover and foundation ring are the stator parts of the hydraulic machine. In the area around the impeller there are cavities, one of which is formed between the impeller and the cover of the hydraulic machine, the other between the impeller and the foundation ring. In these cavities there are seals limiting leaks into the suction pipe from the space between the impeller and the guide vane. Typically, in order to reduce leakage, these seals are located as close as possible to the axis of rotation of the impeller. Different designs of seals can be applied, for example seals can be made in the form of a pair of rings, creating a narrow gap. For technological reasons, the gap between the rings is chosen as minimal as possible.
При этом согласно изобретению в каждой из указанных полостей, либо только в одной из них соосно рабочему колесу размещены бесконтактные разделительные кольцевые гидродинамические уплотнения - наружное и внутреннее.Moreover, according to the invention, in each of these cavities, or only in one of them coaxially with the impeller, non-contact dividing ring hydrodynamic seals are placed - external and internal.
Наружное разделительное уплотнение расположено в области периферийной зоны рабочего колеса и отделяет полость, в которой оно размещено, от пространства между рабочим колесом и направляющим аппаратом.An external separation seal is located in the peripheral region of the impeller and separates the cavity in which it is located from the space between the impeller and the guide vane.
Внутреннее разделительное уплотнение расположено между наружным разделительным уплотнением и уплотнением, ограничивающим протечки во всасывающую трубу. Внутреннее разделительное уплотнение содержит два кольца: одно - установленное на поверхности диска рабочего колеса, и другое - установленное на поверхности статорной детали (крышки гидромашины или фундаментного кольца), обращенной к рабочему колесу и ограничивающей данную полость с противоположной от рабочего колеса стороны. Каждое из колец внутреннего разделительного уплотнения в поперечном сечении имеет Z-образный или уголковый профиль. Сами кольца установлены таким образом, что свободные полки их поперечных сечений обращены навстречу друг другу и перекрывают друг друга. При этом свободная полка поперечного сечения кольца, установленного на поверхности диска рабочего колеса, расположена дальше от поверхности диска рабочего колеса, чем свободная полка поперечного сечения другого кольца. Полки расположены таким образом, что между ними имеется щелевой зазор.An internal separation seal is located between the external separation seal and the seal limiting leaks into the suction pipe. The internal separation seal contains two rings: one installed on the surface of the impeller disk, and the other installed on the surface of the stator part (cover of the hydraulic machine or foundation ring) facing the impeller and bounding this cavity from the side opposite to the impeller. Each of the rings of the internal separation seal in cross section has a Z-shaped or angled profile. The rings themselves are installed in such a way that the free shelves of their cross sections are facing towards each other and overlap each other. Moreover, the free shelf of the cross section of the ring mounted on the surface of the disk of the impeller is located further from the surface of the disk of the impeller than the free shelf of the cross section of the other ring. The shelves are located in such a way that there is a gap between them.
Каждая полость, в которой установлены внутреннее и наружное разделительные уплотнения, разделена указанными уплотнениями на две камеры - внутреннюю, заключенную между внутренним разделительным уплотнением и уплотнением, ограничивающим протечки во всасывающую трубу, и наружную, заключенную между наружным и внутренним разделительными уплотнениями. При этом и внутренняя и наружная камера соединены с пространством между рабочим колесом и направляющим аппаратом, а наружная камера снабжена подводом для подачи сжатого газа.Each cavity in which the internal and external separation seals are installed is divided by the indicated seals into two chambers - an internal, enclosed between the internal separation seal and a seal restricting leaks into the suction pipe, and an external, enclosed between the external and internal separation seals. In this case, both the inner and outer chambers are connected with the space between the impeller and the guide apparatus, and the outer chamber is provided with a supply for compressed gas.
Выполнение и размещение разделительных уплотнений в каждой или в одной из двух полостей, образованных между рабочим колесом и крышкой и между рабочим колесом и фундаментным кольцом, согласно тому, как описано выше, обеспечивающее разделение полости, в которой установлены указанные уплотнения, на две камеры - наружную и внутреннюю, соединение каждой камеры с пространством между рабочим колесом и направляющим аппаратом, а также выполнение наружной камеры с возможностью подвода сжатого газа (воздуха) от внешнего источника позволяют при работе гидравлической машины в турбинном или насосном режиме после подачи сжатого газа (воздуха) в наружную камеру обеспечить разделение водной и воздушной среды таким образом, что происходит отжатие воды с периферийной зоны рабочего колеса, и при этом наружная камера заполняется сжатым воздухом, а внутренняя камера заполняется водой.The implementation and placement of separation seals in each or in one of the two cavities formed between the impeller and the cover and between the impeller and the foundation ring, according to the procedure described above, which ensures the separation of the cavity in which these seals are installed into two chambers - the outer and internal, the connection of each chamber with the space between the impeller and the guide apparatus, as well as the implementation of the outer chamber with the possibility of supplying compressed gas (air) from an external source, allow after the supply of compressed gas (air) to the external chamber, ensure that the water and air are separated in such a way that water is extracted from the peripheral zone of the impeller, and the external chamber is filled with compressed air and the inner chamber is filled water.
В предлагаемом техническом решении поддержание наружной камеры, заполненной сжатым газом (воздухом) при работе гидравлической машины, обеспечивается благодаря нарастанию давления от внутренней (обращенной к оси вращения) к периферийной (наружной) стороне щели наружного и внутреннего разделительных уплотнений, возникающему вследствие действия центробежных сил во вращающейся жидкости.In the proposed technical solution, the maintenance of the outer chamber filled with compressed gas (air) during operation of the hydraulic machine is ensured by the increase in pressure from the inner (facing the rotation axis) to the peripheral (outer) side of the gap of the outer and inner separation seals arising from the action of centrifugal forces during rotating fluid.
В результате обеспечивается отжатие воды от наружных поверхностей рабочего колеса при работе гидравлической машины в турбинном или насосном режимах, что позволяет минимизировать потери на дисковое трение и тем самым повысить КПД гидравлической машины при работе в указанных режимах.The result is the extraction of water from the outer surfaces of the impeller during operation of the hydraulic machine in turbine or pump modes, which minimizes disk friction losses and thereby increase the efficiency of the hydraulic machine when operating in these modes.
Установка разделительных уплотнений в обеих полостях обеспечивает максимальное снижение потерь на дисковое трение при работе гидравлической машины. Установка разделительных уплотнений в силу особых требований заказчика может быть выполнена только в одной из полостей (либо только в полости между рабочим колесом и крышкой гидромашины, либо только в полости между рабочим колесом и фундаментным кольцом), что также обеспечит снижение потерь на дисковое трение, однако, в меньшей степени.The installation of separation seals in both cavities provides the maximum reduction in disc friction losses during operation of the hydraulic machine. Due to the special requirements of the customer, the installation of separating seals can be performed only in one of the cavities (either only in the cavity between the impeller and the cover of the hydraulic machine, or only in the cavity between the impeller and the foundation ring), which will also reduce the friction losses, however , less.
На фигуре представлен пример выполнения радиально-осевой гидравлической машины, которая содержит вал 1 гидротурбины, установленное на валу рабочее колесо 2 с верхним ободом и нижним ободом (дисками), направляющий аппарат 3, всасывающую трубу 4, крышку 5 гидравлической машины, фундаментное кольцо 6.The figure shows an example of a radial-axial hydraulic machine, which contains a turbine shaft 1, an impeller 2 mounted on the shaft with an upper rim and a lower rim (disks), a guiding apparatus 3, a suction pipe 4, a cover 5 of a hydraulic machine, a foundation ring 6.
Вокруг рабочего колеса имеются две полости: полость I - между рабочим колесом 2 и крышкой 5, полость II - между рабочим колесом 2 и фундаментным кольцом 6.There are two cavities around the impeller: cavity I - between the impeller 2 and the cover 5, cavity II - between the impeller 2 and the foundation ring 6.
В полостях I и II расположены уплотнения 7, предназначенные для ограничения протечек во всасывающую трубу 4 из пространства III между рабочим колесом 2 и направляющим аппаратом 3 при работе гидравлической машины. Величину зазора (щели) в уплотнении выбирают минимально возможной, при этом учитывают технологические факторы. Могут быть применены уплотнения разных типов, например щелевые, лабиринтные, елочные, гребенчатые. С целью обеспечения наибольшей эффективности уплотнения 7 устанавливают на минимально возможном удалении от оси вращения рабочего колеса.In the cavities I and II there are seals 7 designed to limit leaks into the suction pipe 4 from the space III between the impeller 2 and the guide apparatus 3 during operation of the hydraulic machine. The size of the gap (gap) in the seal is chosen as low as possible, while taking into account technological factors. Different types of seals can be used, for example, gap, labyrinth, Christmas-tree, and comb seals. In order to ensure the greatest efficiency, the seals 7 are installed at the minimum possible distance from the axis of rotation of the impeller.
В полостях I и II соосно рабочему колесу 2 установлены бесконтактные разделительные кольцевые гидродинамические уплотнения - наружное 8 и внутреннее 9, предназначенные для разделения водной и воздушной среды при работе гидромашины.In cavities I and II, coaxial to the impeller 2, non-contact dividing annular hydrodynamic seals are installed - outer 8 and inner 9, designed to separate the water and air environment during operation of the hydraulic machine.
Разделительные уплотнения 8, 9 могут быть установлены только в какой-либо одной из указанных полостей I, II. Однако в этом случае снижение потерь на дисковое трение будет достигнуто в меньшей степени, чем в случае установки указанных уплотнений одновременно в обеих полостях.Dividing seals 8, 9 can be installed only in any one of the indicated cavities I, II. However, in this case, the reduction of losses due to disk friction will be achieved to a lesser extent than if these seals are installed simultaneously in both cavities.
Наружное разделительное уплотнение 8 установлено в области периферийной (т.е. максимально удаленной от оси вращения колеса) зоны рабочего колеса 2 и отделяет полость, в которой размещены разделительные уплотнения, от пространства III между рабочим колесом 2 и направляющим аппаратом 3. В представленной на фигуре радиально-осевой гидравлической машине наружное разделительное уплотнение 8 имеет конструктивное исполнение, традиционное для подобного типа уплотнений: содержит два кольца, одно из которых установлено в периферийной зоне поверхности диска рабочего колеса, а другое - на поверхности статорной детали гидромашины (крышки 5 или фундаментного кольца 6). При этом между кольцами в осевом направлении имеется щелевой зазор, величина которого должна быть по возможности минимальной.The outer dividing seal 8 is installed in the peripheral region (i.e., as far as possible from the axis of rotation of the wheel) of the impeller 2 and separates the cavity in which the dividing seals are located from the space III between the impeller 2 and the guide apparatus 3. In the figure radial-axial hydraulic machine outer separation seal 8 has a design traditional for this type of seal: contains two rings, one of which is installed in the peripheral zone of the surface the impeller disk, and the other on the surface of the stator part of the hydraulic machine (cover 5 or foundation ring 6). Moreover, between the rings in the axial direction there is a gap gap, the value of which should be as small as possible.
Между наружным разделительным уплотнением 8 и уплотнением 7, ограничивающим протечки во всасывающую трубу, установлено внутреннее разделительное уплотнение 9, которое содержит кольцо 10, установленное на поверхности диска рабочего колеса 2, и кольцо 11, установленное на поверхности статорной детали (крышки 5 или фундаментного кольца 6), обращенной к рабочему колесу и ограничивающей данную полость с противоположной от рабочего колеса стороны. Поперечное сечение каждого кольца 10 или 11 внутреннего разделительного уплотнения 9 имеет Z-образный профиль.Between the outer separation seal 8 and the seal 7, which restricts leaks into the suction pipe, an internal separation seal 9 is installed, which comprises a ring 10 mounted on the surface of the impeller disk 2 and a ring 11 mounted on the surface of the stator part (cover 5 or base ring 6 ) facing the impeller and bounding the cavity from the side opposite to the impeller. The cross section of each ring 10 or 11 of the internal separation seal 9 has a Z-shaped profile.
Кольца 10, 11 также могут быть выполнены с поперечным сечением уголкового профиля, при этом каждое кольцо будет закрепляться на поверхности диска или статорной детали непосредственно своей вертикальной цилиндрической стенкой.The rings 10, 11 can also be made with a cross-section of the corner profile, with each ring will be fixed on the surface of the disk or stator parts directly with its vertical cylindrical wall.
Кольца 10 и 11 внутреннего разделительного уплотнения установлены в полости таким образом, что свободные полки их поперечных сечений обращены навстречу друг другу и перекрывают друг друга, при этом свободная полка поперечного сечения кольца 10, установленного на поверхности диска рабочего колеса, расположена дальше от поверхности диска рабочего колеса, чем свободная полка поперечного сечения ответного ему кольца 11. Между свободными полками в осевом направлении имеется щелевой зазор, величину которого целесообразно выбирать по возможности минимальной.The rings 10 and 11 of the internal separation seal are installed in the cavity so that the free shelves of their cross sections are facing each other and overlap each other, while the free shelf of the cross section of the ring 10 mounted on the surface of the impeller disk is located farther from the surface of the impeller disk wheels than a free shelf of the cross section of the ring mating to it 11. Between the free shelves in the axial direction there is a slotted gap, the size of which is advisable to choose as much as possible and minimal.
Согласно результатам расчетного анализа более эффективное отжатие воды с периферийной зоны рабочего колеса обеспечивается при условии, когда радиальная протяженность щелевого зазора внутреннего разделительного уплотнения больше радиальной протяженности щелевого зазора наружного разделительного уплотнения. Также с целью повышения эффективности целесообразно обеспечить размещение внутренних разделительных уплотнений по возможности максимально близко к оси вращения рабочего колеса.According to the results of the calculation analysis, more efficient water extraction from the peripheral zone of the impeller is provided provided that the radial length of the gap gap of the inner separation seal is greater than the radial length of the gap gap of the outer separation seal. Also, in order to increase efficiency, it is advisable to ensure the placement of internal separation seals as close as possible to the axis of rotation of the impeller.
Внутреннее разделительное уплотнение 9 делит полость, в которой оно установлено, на две камеры - внутреннюю 12 и наружную 14. Внутренняя камера 12 заключена между внутренним разделительным уплотнением 9 и уплотнением 7, ограничивающим протечки во всасывающую трубу, а наружная камера 14 заключена между наружным 8 и внутренним 9 разделительными уплотнениями. При этом каждая из камер (внутренняя 12 и наружная 14) соединена с пространством III между рабочим колесом и направляющим аппаратом соответственно с помощью каналов 15 и 16.The inner dividing seal 9 divides the cavity in which it is installed into two chambers - the inner 12 and the outer 14. The inner chamber 12 is enclosed between the inner dividing seal 9 and the seal 7, limiting leaks into the suction pipe, and the outer chamber 14 is enclosed between the outer 8 and 9 internal separation seals. Moreover, each of the chambers (inner 12 and outer 14) is connected with the space III between the impeller and the guide apparatus, respectively, using channels 15 and 16.
Каждая наружная камера 14 снабжена подводом 17 для подачи сжатого газа (воздуха), например, через воздушный трубопровод, соединенный с внешним устройством подачи сжатого газа (воздуха), которое после запуска гидравлической машины и выхода ее на установившийся режим работы (турбинный или насосный) обеспечивает возможность подачи сжатого газа (воздуха) для быстрого отжатия воды из камер 14 и последующего поддержания их заполненными сжатым газом (воздухом).Each outer chamber 14 is provided with an inlet 17 for supplying compressed gas (air), for example, through an air pipe connected to an external device for supplying compressed gas (air), which, after starting the hydraulic machine and entering its steady-state operating mode (turbine or pump) the ability to supply compressed gas (air) for the rapid extraction of water from the chambers 14 and then maintain them filled with compressed gas (air).
Радиально-осевая гидравлическая машина работает следующим образом.Radial-axial hydraulic machine operates as follows.
После запуска гидромашины и выхода ее на установившийся режим работы (турбинный или насосный) через подводы 17 осуществляется впуск сжатого газа (воздуха) в наружные камеры 14. Давление и расход сжатого воздуха, подаваемого в камеры 14 через подводы 17 и подключенные к ним трубопроводы, устанавливаются в соответствии с применяемыми методиками такими, чтобы обеспечить быстрое отжатие воды из наружных камер, для чего давление подаваемого воздуха должно быть больше максимального давления воды в пространстве между рабочим колесом и направляющим аппаратом.After starting the hydraulic machine and reaching its steady-state operating mode (turbine or pumping) through the inlets 17, the compressed gas (air) is introduced into the outer chambers 14. The pressure and flow rate of the compressed air supplied to the chambers 14 through the inlets 17 and the pipelines connected to them are installed in accordance with applicable methods, such as to ensure rapid extraction of water from the outer chambers, for which the pressure of the supplied air should be greater than the maximum water pressure in the space between the impeller and the guides apparatus.
Для фиксирования завершения процесса быстрого отжатия воды из наружных камер 14 могут быть использованы устройства автоматического контроля, либо предварительно может быть вычислен интервал времени, необходимый для этого процесса (в этом случае по истечении рассчитанного промежутка времени можно считать быстрое отжатие воды завершенным).To fix the completion of the process of rapid squeezing of water from the outer chambers 14, automatic control devices can be used, or the time interval necessary for this process can be preliminarily calculated (in this case, after the expiration of the calculated period of time, quick squeezing of water can be considered completed).
После завершения быстрого отжатия воды в камеры 14 дополнительно подается сжатый воздух с малым расходом. Уменьшение расхода воздуха, поступающего в каждую из наружных камер 14, и связанное с этим уменьшение давления в них приводит к тому, что вода, поступающая под давлением из пространства между рабочим колесом 2 и направляющим аппаратом 3 через каналы 16 к периферийной стороне наружного разделительного уплотнения 8 и через каналы 15 к периферийной стороне внутреннего разделительного уплотнения 9, начинает проникать в щелевые зазоры (щели) между кольцами разделительных уплотнений, двигаясь от периферии в сторону оси вращения гидротурбины. При этом вода в щелях разделительных уплотнений 8 и 9 приводится во вращение благодаря силам вязкого трения, возникающим на поверхностях дисков вращающихся колец, что, в свою очередь, вследствие центробежных сил создает перепад давления, противодействующий движению воды в сторону оси вращения.After completion of the rapid extraction of water in the chamber 14 is additionally supplied with compressed air at a low flow rate. The decrease in air flow entering each of the outer chambers 14, and the associated decrease in pressure in them, leads to the fact that the water flowing under pressure from the space between the impeller 2 and the guide apparatus 3 through the channels 16 to the peripheral side of the outer separation seal 8 and through the channels 15 to the peripheral side of the internal separation seal 9, begins to penetrate into the gap gaps (gaps) between the rings of the separation seals, moving from the periphery towards the axis of rotation of the turbine. In this case, the water in the slots of the separation seals 8 and 9 is brought into rotation due to the viscous friction forces arising on the surfaces of the disks of the rotating rings, which, in turn, due to centrifugal forces, creates a pressure drop that counteracts the movement of water in the direction of the axis of rotation.
Для создания устойчивого уплотнительного эффекта щелевые зазоры разделительных уплотнений 8 и 9 должны быть по возможности узкими, и величина просвета между вращающимися и неподвижными дисками колец 10 и 11 должна ограничиваться величиной относительных перемещений этих дисков при всех возможных режимах работы гидравлической машины.To create a stable sealing effect, the gap gaps of the separation seals 8 and 9 should be as narrow as possible, and the clearance between the rotating and fixed disks of the rings 10 and 11 should be limited by the relative displacements of these disks under all possible operating modes of the hydraulic machine.
Поскольку давление в потоке воды между рабочим колесом 2 и направляющим аппаратом 3 пульсирует при работе гидравлической машины, граница раздела между водой и воздухом в щели разделительного уплотнения перемещается в радиальном направлении с течением времени. По этой причине радиальная протяженность щели в разделительных уплотнениях должна быть такой, чтобы при минимальном расходе сжатого воздуха поверхность раздела вода-воздух находилась в пределах щели при встречающихся на работающей гидравлической машине пульсациях давления в потоке.Since the pressure in the water flow between the impeller 2 and the guide apparatus 3 pulsates during the operation of the hydraulic machine, the interface between water and air in the gap of the separation seal moves in the radial direction over time. For this reason, the radial length of the gap in the separation seals should be such that, with a minimum flow rate of compressed air, the water-air interface is within the gap when pressure pulsations occur in a flowing hydraulic machine.
При известном из опыта лабораторных исследований и натурных испытаний уровне пульсаций давления в реверсивных насос-турбинах радиальная протяженность щели внутреннего разделительного уплотнения 9, характеризуемая разницей между наружным и внутренним радиусом щели, должна больше радиальной протяженности щели наружного разделительного уплотнения 8.If the level of pressure pulsations in reversible pump turbines is known from laboratory tests and full-scale tests, the radial length of the gap of the inner separation seal 9, characterized by the difference between the outer and inner radius of the gap, should be greater than the radial length of the gap of the outer separation seal 8.
Расход сжатого воздуха, подаваемого в наружные камеры 14 после завершения быстрого отжатия воды, должен быть по возможности малым, чтобы избежать отрицательного влияния вытекающего в проточную часть воздуха на мощность, КПД и кавитационные характеристики гидравлической машины, и в то же время достаточным для поддержания наружных камер 14 свободными от воды.The flow rate of compressed air supplied to the external chambers 14 after completion of the rapid water extraction should be as low as possible in order to avoid the negative effect of the air flowing into the flow part on the power, efficiency and cavitation characteristics of the hydraulic machine, and at the same time sufficient to maintain the external chambers 14 free of water.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает снижение потерь энергии на дисковое трение наружных поверхностей рабочего колеса при работе гидромашины в турбинном или насосном режимах, а следовательно, и соответствующее повышение КПД.Thus, the proposed solution provides a reduction in energy loss due to disk friction of the outer surfaces of the impeller during operation of the hydraulic machine in turbine or pump modes, and, consequently, a corresponding increase in efficiency.
Из опыта работы гидротурбин и насос-турбин известно, что подача воздуха в проточную часть с приведенным к атмосферному давлению расходом до 0,5% от максимального рабочего расхода воды не оказывает отрицательного влияния на энергетические и кавитационные характеристики гидравлической машины. Более того, подача воздуха с указанным расходом оказывает положительное влияние на работу гидравлической машины, снижая пульсации давления в потоке и интенсивность кавитационной эрозии на лопастях рабочего колеса.It is known from the experience of hydraulic turbines and pump turbines that the air supply to the flowing part with a flow rate reduced to atmospheric pressure of up to 0.5% of the maximum working water flow rate does not negatively affect the energy and cavitation characteristics of the hydraulic machine. Moreover, the air supply with the indicated flow rate has a positive effect on the operation of the hydraulic machine, reducing the pressure pulsations in the flow and the intensity of cavitation erosion on the impeller blades.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010144349/06A RU2447315C1 (en) | 2010-10-26 | 2010-10-26 | Radial-axial hydraulic machine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010144349/06A RU2447315C1 (en) | 2010-10-26 | 2010-10-26 | Radial-axial hydraulic machine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2447315C1 true RU2447315C1 (en) | 2012-04-10 |
Family
ID=46031737
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010144349/06A RU2447315C1 (en) | 2010-10-26 | 2010-10-26 | Radial-axial hydraulic machine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2447315C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3245656A (en) * | 1964-04-06 | 1966-04-12 | Dominion Eng Works Ltd | Automatic supply of sealing fluid for rotary fluid machines |
| SU439623A1 (en) * | 1972-04-12 | 1974-08-15 | Предприятие П/Я В-2451 | Radial-axial hydroturbine |
| US5924844A (en) * | 1997-02-25 | 1999-07-20 | Voith Hydro, Inc. | Dissolved gas augmentation with mixing chambers |
| WO2009071838A1 (en) * | 2007-11-27 | 2009-06-11 | Alstom Hydro France | Hydraulic machine and energy conversion equipment including such machine |
-
2010
- 2010-10-26 RU RU2010144349/06A patent/RU2447315C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3245656A (en) * | 1964-04-06 | 1966-04-12 | Dominion Eng Works Ltd | Automatic supply of sealing fluid for rotary fluid machines |
| SU439623A1 (en) * | 1972-04-12 | 1974-08-15 | Предприятие П/Я В-2451 | Radial-axial hydroturbine |
| US5924844A (en) * | 1997-02-25 | 1999-07-20 | Voith Hydro, Inc. | Dissolved gas augmentation with mixing chambers |
| WO2009071838A1 (en) * | 2007-11-27 | 2009-06-11 | Alstom Hydro France | Hydraulic machine and energy conversion equipment including such machine |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Гидравлические турбины, Отраслевой каталог НИИЭ Информэнергомаш. - М., 1985, с.141, рис.54. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Agarwal | Review of pump as turbine (PAT) for micro-hydropower | |
| CN102410234A (en) | Hydraulic loss testing platform and testing method of canned motor rotor system | |
| Cao et al. | Effect of impeller reflux balance holes on pressure and axial force of centrifugal pump | |
| CN105003458A (en) | Impeller for a centrifugal pump, a centrifugal pump and a use thereof | |
| CN103225624A (en) | Double-casing symmetric type radial subdivision multiple-stage centrifugal pump | |
| CN104196751A (en) | Stator sealing and gas suction control corner area separation structure used for gas compressor/fan | |
| Zheng et al. | Investigation on characteristics of pressure fluctuation in a centrifugal pump with clearance flow | |
| RU2013157213A (en) | PUMP TURBINE INSTALLATION | |
| RU2656098C1 (en) | Groove seal of a pump impeller | |
| CN103075369B (en) | Combined vertical-type submerged long-shaft pump | |
| US3245656A (en) | Automatic supply of sealing fluid for rotary fluid machines | |
| RU2447315C1 (en) | Radial-axial hydraulic machine | |
| RU2511967C1 (en) | Turbo-pump unit, and cold, hot and industrial water pumping method | |
| Watanabe et al. | CFD analysis of axial thrust in three stages centrifugal pump at design and partload conditions | |
| CN107829941A (en) | A kind of low discharge ultrahigh pump lift axial subdivision half-opened impeller centrifugal multistage pump multiple centrifugal pump | |
| CN100398785C (en) | Miniature steam turbine combined with high-speed pump | |
| CN109281860A (en) | Balance device for water pump and balance method in high vanadium titanium steel production | |
| KR101636756B1 (en) | Turbomachinery for supercritical high density working fluid | |
| CN103227521A (en) | Hollow rotor motor and systems comprising the same | |
| RU193118U1 (en) | TURBO MACHINE | |
| CN208669358U (en) | Compact little volume flow high pressure ratio mixed-flow industrial turbine | |
| Szlaga | Balancing axial force in centrifugal pumps with pump out vanes | |
| Yao et al. | Numerical and experimental investigation on the radial force characteristic of a large double suction centrifugal pump in a real pumping station | |
| RU2249728C2 (en) | Centrifugal multistage pump | |
| CN205387960U (en) | Radial seal structure suitable for cantilever rotor |