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本研究课题来自哈尔滨电机厂有限责任公司为目前国内自主设计制造的单机容量最大(677MW)的水轮发电机组——乌江构皮滩电站水电机组所做的水轮机设计预研.主轴密封是水轮机关键部件之一,其性能优劣,直接关系到机组的运行安全和检修周期,从而关系电站经济效益及制造厂质量信誉.轴向自平衡式静压密封是可用于大型水轮机组的新型主轴密封,具有密封性能好,使用寿命长,自调节能力强,补偿范围大等优点.近年,德国沃依特(VOITH)公司和法国阿尔斯通(ALSTOM)公司先后在其设计制造的五强溪机组和三峡机组上采用了该密封型式,引起国内水电行业对此新型主轴密封进行研究、应用的重视.设计、应用此密封的关键,是找到密封的结构参数、运行控制参数与性能参数之间的相互影响规律,能够对密封主要性能指标(如流量分配值、压力分布值、间隙变化值等)进行定量分析和控制,目前国内制造厂对这一点掌握不足,制约了其在自主设计的大型机组上的应用.本文应用流体力学中具有相对运动的平行平面窄间隙内粘性流动理论,研究了该密封型式的内部流动规律和特点,得出了密封间隙内流体压力和速度分布函数,进而得到密封副间流量分配和力特性的求解方法,即得到了密封工作过程中密封前后压力、控制水压力、密封间隙、各部分流量、装置受力等各参数之间的关系.实现了这一新型水轮机主轴密封设计的定量分析.理论分析同时,通过模拟真机实际运行工况的实验装置进行了实验研究,检验了理论计算的可行性,并以实验为基础确定了其它影响密封运行性能的主要参数的选择方法及其最佳取值范围.结合理论与实验研究的结果,进一步确定了保证密封性能合理所应遵循的主要设计原则如:密封水与压力水差值的选取范围、保证密封水与压力水差值恒定的结构原则、密封环截面尺寸的选取原则、密封间隙值的最优范围及最佳值、密封环特征圆上单位线流量值的控制范围、以及节流片和补偿弹簧的设计方法等.借鉴国外公司设计经验和国内三峡等大型机组的运行结果,在理论分析和实验研究基础上,完成了国内自主设计制造的首台600MW级大型水轮机——乌江构皮滩电站水轮机主轴密封的技术设计.为大型水电机组设计全面国产化增加了必要的技术储备.