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CN103080534A - 泵涡轮机设备 - Google Patents

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CN103080534A
CN103080534A CN2012800026975A CN201280002697A CN103080534A CN 103080534 A CN103080534 A CN 103080534A CN 2012800026975 A CN2012800026975 A CN 2012800026975A CN 201280002697 A CN201280002697 A CN 201280002697A CN 103080534 A CN103080534 A CN 103080534A
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CN
China
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pump
turbo machine
turbine equipment
labyrinth
spiral shaped
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CN2012800026975A
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Inventor
曼弗雷德·施图默尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Paper Patent GmbH
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Publication date
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Abstract

本发明涉及一种泵涡轮机设备，包括：具有涡轮机叶轮以及涡轮机螺旋形壳体的涡轮机；具有泵叶轮以及泵螺旋形壳体的泵；电机，该电机与轴传动连接或能进行该传动连接；在涡轮机和泵之间能产生液压短路。本发明的特征在于以下特征：涡轮机具有高于泵的额定功率；由液压机中的每个液压机的叶轮和壳体形成了各一个迷宫式密封件，在运行时，用于冷却和/或润滑迷宫式密封件的泄漏流穿过该迷宫式密封件流动；迷宫式密封件包括多个环形的腔以及将这些腔导通地彼此相连接的环形间隙形状的通道；有关的液压机的叶轮和壳体相对彼此在运行位置和非运行位置之间在泄漏流的方向上可移动地安装。

Description

泵涡轮机设备
技术领域
本发明涉及一种泵涡轮机设备，包括：具有涡轮机叶轮以及涡轮机螺旋形壳体的涡轮机；具有泵叶轮以及泵螺旋形壳体的泵。泵和涡轮机与电机传动连接或能进行该传动连接。
背景技术
在此，作为涡轮机考虑了混流式涡轮机或冲击式涡轮机。另外，泵和涡轮机均被设计为单级或多级的，从而可以考虑多级泵与单级涡轮机的组合，或单级泵或多级泵与多级涡轮机的组合。
泵蓄能发电站的泵涡轮机设备具有两种运行模式，即涡轮机运行和泵运行。在泵运行中，泵将水从下游水库抽吸到上游水库中并且为此被与泵传动连接的电机驱动。在此，该电机由公共电网供电，也就是说供给电功率。
与此相反，在涡轮机运行中，从上游水库中经过涡轮机流入到下游水库的水驱动了涡轮机，该涡轮机向电机传输相应的功率。电机将驱动功率转换成电功率并且将其馈送到电网中。由此，电机时而作为发电机，并且时而作为电动机进行工作。由此其也被称为电动机-发电机。
与以上符合类型的泵涡轮机设备相反，还已知有一种可逆的泵涡轮机设备，其中，涡轮机和泵由共同的叶轮构成，从而使得在涡轮机运行中，该共同的叶轮被加载了源于下游水库的水以便产生电功率，而在泵运行中则通过电机来驱动。
由于这种泵蓄能发电站被考虑用于对电网中的负荷峰值进行补偿，因此泵涡轮机必须尽可能快速地被调整为提供涡轮机功率的状态，以便对电网提供支持或迅速接收泵功率，从而被用于最初的电网调节。由此值得期望的是：泵蓄能发电站的泵涡轮机能够从涡轮机运行中尽可能快速地转换成泵运行，并且反之亦然。
在这种设备中经常会出现被输送给涡轮机的水的体积流量的变化。该体积流量可以具有极限值，该极限值可向上或向下浮动。涡轮机具有在接近体积流量的最大值的情况下所获得的、最理想的效率。在小的体积流量的情况下，涡轮机的效率相对较小。这尤其适用于极端的部分负荷。在部分负荷的情况下，不仅是效率更差，而且气蚀特性也更为恶化。
在将涡轮机运行转换到泵运行以及反向转换的过程中存在两个极端状态：其一是可能只有涡轮机运转，而泵进行随动。在此情况下，涡轮机充满了水，而泵充满了空气。此时提供百分之百的涡轮机功率。
在另一种情况下只有泵充满了水，而涡轮机充满了空气。在此提供百分之百的泵功率。
在这两个极端状态之间存在一个中间状态。
在所有这些情况下，对有关的液压机的叶轮和壳体之间的间隙的密封起到重要的作用。
DE1807443描述了用于运行泵涡轮机设备的方法和装置，该泵涡轮机设备暂时在没有工作介质、即水的情况下运行。为了密封在泵和涡轮机的叶轮和抽吸管之间的泄漏流而提出了分级的迷宫式密封件，反之，为了在叶轮和其余壳体之间实现密封而分别使用了平坦的迷宫式密封件。为了减少泵涡轮机设备的功率损耗，在仅运行泵的情况下要将泵的迷宫式密封件的间隙宽度最小化，而涡轮机的迷宫式密封件的间隙宽度要最大化。涡轮机的叶轮随后在空气中旋转。在涡轮机运行中，相反地要将涡轮机的迷宫式密封件的间隙宽度最小化，而泵的迷宫式密封件的间隙宽度要最大化，其中，泵叶轮随后也在空气中旋转。在从泵运行到涡轮机运行的过渡或相反地过渡时，共同的涡轮机轴为此与泵叶轮和涡轮机叶轮一同在轴向方向上移动。
发明内容
本发明的目的在于，这样设计泵涡轮机设备，使得避免了与部分负荷相关联的问题。由此，使得包括至少一个涡轮机和至少一个泵的机组的效率在更大的运行范围中与已知的机组相比更为优化。由此，在极端的部分负荷下效率仍是可以接受的。对气蚀特性进行了改进。同时应避免与转换相关联的问题。由此降低了功率损耗并且优化了参与的密封件的冷却。
该目的通过权利要求1所述的特征得以实现。
本发明的主要想法在于：涡轮机的设定功率设计为大于泵的设定功率。另外，在涡轮机和泵之间应该制造出液压短路。
本发明具有以下优点，即，即便是在输入的水的体积流量很小的情况下，涡轮机仍可以在优化的区域中运行。虽然这仅提供了很小的功率，但与在此情况下已知的设备相比，提供了明显更好的效率。
对于运行范围的所谓的扩展部分而言，也不需要额外的装置或措施，例如，通过输入稳定气体来稳定运转。但同样也可以使用这种额外的措施。
最好以如下方式选择涡轮机和泵的设定功率的区别，即，使得涡轮机的效率在特定的部分负荷和液压短路效率的情况下是最理想的。
涡轮机可以具有已设定的功率，该功率是已设定的泵功率的1至2倍，例如，1.1倍，1.2倍，1.3倍等，最大为2倍。
适宜的是，两个液压机、即涡轮机和泵分别配有可调节的导轮。该导轮能实现在涡轮机运行中液压短路运行的受调节的转换，并且反之亦然。
在涡轮机叶轮或泵叶轮或这两个叶轮之前可以分别接入一个关断机构(所谓的环形闸门或圆柱形保护装置)。关断机构可以位于叶轮和横向环(Traversenring)之间或位于叶轮和导向器之间。该关断机构最好直接设置在叶轮之前。
也可以在涡轮机叶轮或泵叶轮之后设置关断机构，最好是节流阀，并且虽然该关断机构位于抽吸管之前或之后，但在极端情况下也可以位于抽吸管内部。
本发明的另一个主要想法在于，固定的部件相对于旋转的部件在运行位置和非运行位置之间在泄漏流的方向上可移动地安装，用于在轴向方向上调节环形间隙形状的通道的间隙宽度。换言之，该固定的部件平行于液压机的旋转轴线，相对于旋转的部件移动。
当下面只涉及液压机时，那么其始终也指的是根据本发明的水轮机或泵涡轮机。
根据本发明，运行位置指的是面对旋转的部件的固定的部件的位置，在该位置中，在迷宫式密封件中流入了用于密封和冷却的泄漏流。在运行液压机时随后将出现以下情况，即，工作介质出现在其工作叶片上。非运行位置指的是在其中迷宫式密封件不对溢出的工作介质进行密封的那个位置。然后例如将出现以下情况，即液压机的工作介质被抽空或排空并且其叶轮由此在不同于工作介质的介质、尤其是空气中旋转。
此处的间隙宽度指的是迷宫式密封件、尤其是环形间隙形状的通道的、在运行位置中相对彼此设置的两个边界面之间出现的最小间距。换言之，该宽度就是相对彼此的边界面之间的间距，在轴向截面中能够通过液压机的旋转轴线，在轴向方向上与该旋转轴线垂直地测量到该间距(径向间隙)。与此相反地，间隙长度、同样在相同的轴向截面中观察，指的是相对彼此设置的环形间隙形状的通道(平行于液压机的旋转轴线)的部分的轴向延伸距离。
附图说明
根据附图详细地阐述本发明。在图中详细地示出以下内容：
图1示出了在轴向截面中的两个设计为混流式结构的液压机，其中一个液压机作为涡轮机，而其中另一个液压机作为泵；
图2在示意图中示出了根据第一个实施方式的、具有在垂直方向上延伸的轴的泵涡轮机设备；
图3在示意图中示出了根据另一个实施方式的、具有布置在水平方向上的轴的泵涡轮机设备；
图4在示意图中示出了第三个实施方式，其中，一个电机位于两个螺旋形壳体之间；
图5a和图5b示出了迷宫式密封件在静止部件的运行位置和非运行位置中的不同的实施方式。
具体实施方式
在图1中所示出的泵涡轮机设备的构造如下：涡轮机1包括涡轮机叶轮1.1，该涡轮机叶轮包括多个工作叶片。涡轮机叶轮1.1抗扭地具有轴3，且其旋转轴线7被设置成可旋转的。涡轮机叶轮1.1被涡轮机螺旋形壳体1.2包围。另外，在涡轮机叶轮1.1前面设置有导向叶片环。
涡轮机1具有涡轮机抽吸管1.5。该抽吸管设置在工作叶片之后并且包括入口扩散器，该入口扩散器具有在其上连接的弯头以及还在其上连接的管道，流体截面可以在水的流动方向上变宽。
当前，泵2直接面对涡轮机1。后者指的是，两个液压机轴向相邻地布置并且在它们之间不存在电动机-发电机。在此，泵2被布置在涡轮机1下面。该布置也可以被反过来，即，泵在上面而涡轮机在下面。
泵2包括与涡轮机1类似的构造：泵叶轮2.1同样抗扭地具有轴3并且包括多个工作叶片。泵2包括独立的、被涡轮机螺旋形壳体1.2液压分开的泵螺旋形壳体2.2，该壳体包围泵叶轮2.1。在泵叶轮之前也优选地设置有导向叶片环2.2.1。
泵2也具有泵抽吸管2.5，该泵抽吸管可以如涡轮机1的抽吸管那样设计。
涡轮机1这样设置，即，其额定功率NT大于泵2的额定功率NP。在当前的情况下，差值约为2.5。也就是说，涡轮机的额定功率是泵的额定功率的2.5倍。也可以考虑更大的差值，例如，3或4。实际上可以考虑每个值在1和…4或5之间。
在结构方面，通过泵和涡轮机的尺寸设计来决定额定功率的差别，并且具体而言是根据尺寸和所选择的强度值。附图仅仅示意性地示出了比例，而没有体现出额定功率的差别。
在当前的情况下，两个螺旋形壳体1.2和2.2直接彼此间隔上下重叠地设置。由它们构成的空隙5在此不受到电机的限制。空隙5在此受到彼此面对的螺旋形壳体1.2和2.2的限制。两个螺旋形壳体1.2和2.2可以通过支撑元件相互支撑。
支撑元件可以具有不同的构造。在当前的情况下，支撑元件设计为圆锥形壳层10.1。该圆锥形壳层一方面抵靠着涡轮机的横向环1.2.2，而另一方面抵靠着泵的横向环2.2.2。另一个支撑件10.2(同样是环形的)位于螺旋形壳体1.2和2.2之间。也可能想到的是，使得该支撑件位于其中一个机器的螺旋形壳体和其中另一个机器的横向环之间。
在涡轮机叶轮1.1之前设置有关断机构1.2.3，并且在泵叶轮2.1之后设置有关断机构2.2.3-分别是所谓的“环形闸门“或“圆柱形保护装置”-。由此，在两个液压机中，圆柱形保护装置被布置在叶轮和导轮之间。
设计为圆柱体的另一个支撑件10.3位于涡轮机盖和泵盖之间。支撑件10.3的优点在于，该支撑件在两个机器之间实现了力补偿。也可以考虑的是位于其中一个机器的横向环和其中另一个机器的盖之间的支撑件。
如可看到地那样，轴3安装在轴承9中。轴承9可以集成在支撑件10.1或10.3中。
下面的部件可以形成一个唯一的结构单元：涡轮机螺旋形壳体1.2、泵螺旋形壳体2.2、支撑件10.1，10.2，10.3、在可能的情况下还有横向环1.2.2和2.2.2以及轴承9。所述的三个支撑元件10.1，10.2，10.3都可以存在，或仅存在其中一个支撑元件，或存在其中的两个支撑元件。
图2示出了根据本发明的泵涡轮机设备的第一个实施方式。如可看到地那样，在涡轮机螺旋形壳体1.2上连接有压力管道1.3，而在泵螺旋形壳体2.2上连接有压力管道2.3。两个压力管道1.3，2.3通入到共同的压力管道6中，在其中存在有共同的关断机构6.1。
在压力管道6中的共同的关断机构6.1优选地始终保持敞开，并且只在紧急情况下或为了维修的目的时才关闭。这带来以下优点，即，两个螺旋形壳体1.1和2.2始终受到相同的压力，即在上游中产生的上游压力并且由此不会遭受频繁的负荷变化。
在两个抽吸管1.5和2.5上分别连接有相应的抽吸管1.4和2.4。在这两个抽吸管1.4和2.4中分别布置有独立的关断机构1.6和2.6。两个抽吸管1.4和2.4通入到共同的抽吸管8中。
在此，电机4与轴3传动连接，该电机设计为电动机-发电机。后者位于涡轮机1上并且由此被布置在空隙5之外，轴向地与涡轮机1相邻。由此可以在由两个螺旋形壳体1.2和2.2以及支撑元件10限定的空隙5中装入轴承9，该轴承例如用作为用于支撑轴3的导向轴承或组合的推力轴承和导向轴承。由此再次改进了轴3的运转平稳性。
图3示出了根据本发明的、基于图2的泵涡轮机设备的另一个实施方式，只是其布置方式向左旋转了90度，从而使得旋转轴线3在水平方向上延伸并且使得电机4在侧面布置在两个液压机1和2旁边。
图4示出了另一个实施方式，其中，电机4布置在两个螺旋形壳体1.2和2.2之间，并且更具体地是与这两个螺旋形壳体同轴的(proaxial)。两个螺旋形壳体1.2和2.2以及电机4的布置方式可以是严格对称的。
优选地，可以与轴3的位置无关联地完全用混凝土浇注加固两个螺旋形壳体1.2和2.2，但也可以独立地布置这两个螺旋形壳体。可以将空隙5设计得如此大，从而可以没有问题地实现用于维修或装配以及拆装两个液压机的检修口。
在以下结构的设备中也能够使用本发明：
-具有单级泵的单级涡轮机。
-具有多级泵的单级涡轮机。
-具有单级泵的多级涡轮机。
-具有多级泵的多级涡轮机。
图5a和图5b示出了根据本发明的迷宫式密封件的详细构造，该迷宫式密封件由液压机的固定的部件30以及该机器的旋转的部件40构成。在两个部件30和40中存在槽。限定面形成环形的腔20.1以及将这些腔导通地相互连接的环形间隙形状的通道20.2。
两个视图5a和5b示出了非常狭窄的间隙。在图5a和图5b中的每个图的右侧部分中，间隙明显更宽。该变化源自于两个部件30和40的轴向移动。
在阻断工作介质时，间隙宽度更大。流过的空气一方面被用于避免通风损失，而另一方面在此情况下仅通过以此种方式移动的空气来冷却迷宫式密封件。参考标号表
1       涡轮机
1.1     涡轮机叶轮
1.2     涡轮机螺旋形壳体
1.2.1   导向叶片
1.2.2   横向环
1.2.3   关断机构
1.2.4   涡轮机盖压力侧
1.2.5   涡轮机盖抽吸侧
1.3     压力管道
1.4     抽吸管道
1.5     涡轮机抽吸管
1.6     关断机构
2       泵
2.1     泵叶轮
2.2     泵螺旋形壳体
2.2.1   导向叶片
2.2.2   横向环
2.2.3   关断机构
2.2.4   泵盖抽吸侧
2.2.5   泵盖压力侧
2.3     压力管道
2.4     抽吸管道
2.5     泵抽吸管
2.6     关断机构
3       轴
4       电机
6       压力管道
6.1     关断机构
7       旋转轴线
8       抽吸管道
9       轴承
10.1    支撑元件
10.2    支撑元件
10.3    支撑元件
20      迷宫式密封件
20.1    腔
20.2    环形间隙形状的通道
30      固定的部件
40      旋转的部件

Claims (13)

1.一种泵涡轮机设备，包括：
1.1具有涡轮机叶轮(1.1)以及涡轮机螺旋形壳体(1.2)的涡轮机(1)；
1.2具有泵叶轮(2.1)以及泵螺旋形壳体(2.2)的泵(2)；
1.3电机(4)，所述电机与轴(3)传动连接或能进行所述传动连接；
1.4在所述涡轮机(1)和所述泵(2)之间能产生液压短路；
其特征在于以下特征：
1.5所述涡轮机(1)具有高于所述泵(2)的额定功率(NT)；
1.6由液压机(1；2)中的每个液压机的叶轮(1.1；1.2)和壳体(1.2；2.2)形成各一个迷宫式密封件(20)，在运行时，用于冷却和/或润滑所述迷宫式密封件(20)的泄漏流穿过所述迷宫式密封件流动；
1.7所述迷宫式密封件(20)包括多个环形的腔(21)以及将所述腔导通地彼此相连接的环形间隙形状的通道(22)；
1.8有关的所述液压机的叶轮(1.1；2.1)和壳体(1.2；2.2)相对彼此在运行位置和非运行位置之间在泄漏流的方向上可移动地安装；
1.9作为两个机器中的至少一个机器的所述涡轮机(1)或所述泵(2)具有可调节的导向器；
1.10所述涡轮机的所述额定功率NT一直达到所述泵的额定功率NP的5倍。
2.根据权利要求1所述的泵涡轮机设备，其特征在于以下特征：
2.1两个所述螺旋形壳体(1.2，2.2)彼此反向地布置；
2.2两个所述螺旋形壳体(1.2，2.2)的压力管道(1.3，2.3)通入共同的压力管道(6)中。
3.根据权利要求1或2所述的泵涡轮机设备，其特征在于，所述电机(4)位于两个所述螺旋形壳体(1.2，2.2)之间的空隙(5)中。
4.根据权利要求1所述的泵涡轮机设备，其特征在于，所述电机(4)位于两个所述螺旋形壳体(1.2，2.2)之间的空隙(5)之外。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的泵涡轮机设备，其特征在于，两个所述螺旋形壳体(1.2，2.2)借助支撑元件、尤其是圆柱形的支撑环或支撑锥体直接支撑。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的泵涡轮机设备，其特征在于，在所述压力管道(6)中布置有共同的关断机构(6.1)。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的泵涡轮机设备，其特征在于，两个所述螺旋形壳体的所述压力管道(1.3，2.3)通入一个唯一的、共同的压力管道中。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的泵涡轮机设备，其特征在于以下特征：
8.1在固定的部件(30)和旋转的部件(40)之间形成由两个所述部件构成的所述迷宫式密封件(20)，在运行时，用于冷却和/或润滑所述迷宫式密封件(20)的泄漏流穿过所述迷宫式密封件流动；
8.2所述迷宫式密封件(20)包括多个环形的腔(20.1)以及将所述腔导通地彼此相连接的环形间隙形状的通道(20.2)；
8.3所述固定的部件(30)相对于所述旋转的部件(40)在运行位置和非运行位置之间在泄漏流的方向上可移动地安装，用于在轴向方向上调节所述通道(20.2)的间隙宽度。
9.根据权利要求8所述的泵涡轮机设备，其特征在于，在所述固定的部件(30)的移动方向上，所述腔(20.1)的轴向延伸距离大于所述环形间隙形状的通道(20.2)的轴向延伸距离。
10.根据权利要求9所述的泵涡轮机设备，其特征在于，在相对的移动方向上，所述腔(21)的轴向延伸距离大于所述环形间隙形状的通道(22)的轴向延伸距离。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的泵涡轮机设备，其特征在于，彼此面对的、形成所述迷宫式密封件的限定面(1.1，2.1)处于圆柱形外周面或圆锥形外周面上，并且两个所述部件(30，40)彼此同心地布置。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的泵涡轮机设备，其特征在于，在所述涡轮机叶轮(1.1)和/或所述泵叶轮(2.1)之前或之后设置有关断机构。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的泵涡轮机设备，其特征在于，关断机构对应于涡轮机抽吸管(1.5)和/或泵抽吸管(2.5)。
CN2012800026975A 2011-07-01 2012-04-26 泵涡轮机设备 Pending CN103080534A (zh)

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PCT/EP2012/001781 WO2013004321A1 (de) 2011-07-01 2012-04-26 Pumpturbinenanlage

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