水力機械的密封系統的製作方法

2023-09-17 14:57:45

專利名稱：水力機械的密封系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種水力機械的密封系統，這類機器包括轉子或葉輪，該轉子具有轂體和輪葉或葉片，葉片通過可旋轉的樞軸安裝在轂體上用油潤滑的軸承中，所述密封系統包括密封裝置，該密封元件位於所述軸承與周圍的水之間。
本發明已經開發出來並將為一種Kaplan透平所採用，特別適用於一種Kaplan透平，這種透平具有全新的潤滑系統，用於轉子葉片軸承的潤滑，但亦可為傳統的Kaplan透平所採用，也可用於如序言中提及的其它類型的機器，例如具有角度可調葉片的船用螺旋漿。
現有技術按常規，Kaplan透平的轂腔中是充油。充油的主要目的在於潤滑轉子葉片軸承。充油的其它重要功能是保證轂內適當防腐蝕和保證對進入轂中的水的檢測可能性。為防止水進入轂內，這作為一種風險就當今轂體設計而言不能完全置之度外，整個轂體內充以增壓油。然而導致油洩漏的風險。事實上，Kaplan透平產生的漏油如此頻繁的發生，以致成為一個嚴重的環境問題，這是由於漏油將汙染透平工作的江河。此外，當轂內完全沒有油時，事故會發生，這會引起江河中的較大損害。而對轂體內增壓並不是一種阻止油進入轂體的保證。
發明概述本發明的目的在於解決上述問題，並提供一種經改進的密封系統，該系統可使漏油的風險最小。本發明已開發出來並將為Kaplan透平所採用，該透平具有一種全新的潤滑系統，下面本文將給予說明，其特徵在於轂體內壓力不與周圍大氣壓力相同。本發明的密封系統特別對設有全新潤滑系統的液壓機器有效，但也可被傳統型式的液壓機器採用，這類機器的全部轂體內充了增壓油。
本發明的這些和其它目的的實現是基於在權利要求1的特徵部分所述的本發明的特徵。
本發明的進一步的特徵和本發明的各方面將在獨立權利要求和對下面的推薦實施例的說明中體現出來。
對附圖的簡要說明下面參照附圖對推薦實施例進行說明，其中

圖1為一Kaplan透平轉子的軸向剖面圖，該透平轉子具有已知的設計結構，其中採用了本發明，對其中具有本發明特徵的各部分均給予示意圖解說明；圖2為圖1中沿Ⅱ-Ⅱ剖切的轉子橫截面圖；圖3表示圖1中方框Ⅲ中詳圖的放大，圖解說明防止水進入轂體的系統；和圖4為圖1沿Ⅳ-Ⅳ的向視圖。
圖中僅表示了對了解本發明原理所必須的詳情，而其餘部分例如圖1中的轉子葉片，則已將其細節省略，以便使重要的部分更為清晰。
對本發明的詳細說明圖1中，轂體固定在透平軸法蘭13上，總體上用1表示轂體。本文中轂的內部是指轂體內的空腔、總體上用2表示，該空腔包括底部3，在透平頭部所處區域，本文中是指幹儲槽(dry-sump)。透平上設有若干轉子葉片4，如圖4所示，各葉片均有葉片法蘭5，該法蘭是用螺紋連接緊固在葉片樞軸6上。葉片樞軸以其軸頸分別裝在殼體1上的內、外兩滑動軸承7、8內。樞軸6、從而使葉片4，可以通過使樞軸在軸承7、8中轉動，以其自身已知的方式作角度調整，這種調整是用運動裝置來進行的，該運動裝置包括伺服馬達活塞9，可在轂體1中垂直運動的活塞杆10，十字頭11和總體標註為12的槓桿機構。液壓腔14和15是供活塞9運動而設置的。軸向孔16內設有管17，該孔延伸並穿過活塞9、活塞杆10和十字頭11。
迄今為止所談及的各元件屬現有技術，本文中不再詳細敘述，也不討論活塞9，該活塞是由油腔14和15中的壓力流體所操縱。
根據本發明，轂腔2是經孔16中的管與環境大氣壓力P3相連通。此外，根據本發明，在幹儲槽3內設有柱塞式液馬達18和由液馬達驅動的液壓泵19。液馬達是由圖中未示出的壓力源所驅動。該壓力源裝在裝置49內，經第一導管20、旋轉接頭21、再由經管17向下延伸至幹儲槽3的第二導管22、軟管23和連接導管24驅動馬達。導管25，軟管26和導管27從液馬達18延伸至十字頭11和活塞杆10內的導管28。導管28通向位於活塞杆10外表面與片樞軸6之間，在活塞杆外面的封閉環形空間31。導管30從環形空間31，經樞軸6繼續通往外軸承8。
轂腔2中裝有一定數量的油35，油量不得大於規定的數量，這些油在轉子旋轉時，將被壓向轂體1的內壁，並本質上填滿軸向截面圖1中具有碗狀形狀的如圖2中所示的各葉片樞軸6之間的空間。在重力的影響下，當透平軸是垂直安裝時，油量35的內表面36不是完全垂直的，而是略微向下向內傾斜，這樣內表面36A處的小體積的油35A仍延伸至幹儲槽。在後一區域內有吸管37，該吸管從小體積的油所處的35A處通往液壓泵19。導管38從泵19引出，經軟管的一部分39和回油導管41，引向旋轉接頭21，再經該處的回油管41通往一油槽(圖中未示出)或相應的裝置49。
在進油導管20上裝有電磁閥45，該電磁閥在透平轉子旋轉差不多達到公稱轉速(至少是公稱轉速的90％)之前不開啟，在導管20內有一恆流閥46。在回油導管42內還設有流量控制閥和油池48，用以檢測和/或分離並排出被汙染的油中的水。被淨化後的油可由分離器50循環返回油池48。裝置49包括壓力源和油槽等等。
所述系統按如下方式運行。啟動後，透平向轂腔2中充以一定數量的油，例如經油管17充入。油從裝置49中的壓力源(圖中未示出)，經導管20，旋轉接頭21，導管22,23和24至液馬達18，該液馬達驅動液壓泵19。從液馬達18，油經導管25、26和27送至導管28，再經活塞杆10上的開口進入空間31。油潤滑內樞軸軸承7，並通過該軸承；此後油向轂體室2的四周飛濺，在這裡，油可以在到達和潤滑外樞軸軸承之前潤滑轂內各部分。不過，槓桿機構12的軸承是適合於用自潤滑式的。此外，油從空間31經通道30引至外軸承8，以保證各樞軸外軸承也得到潤滑。通過轉子的旋轉，油由軸承7和8進一步在向閥體1內壁之四周以填滿所述的碗形空間。油體積35隻相當於轂內腔總體積的一小部分，例如小於10％。油量35在這裡保持為恆定，液壓泵19在這裡經過吸油導管37，從油量部分35A吸油，該部分35A是向下延伸至幹儲槽3內的；油進一步經過導管38、39、40、41和旋轉接頭21、和回油導管42。液壓泵19的工作容量大於液馬達的工作容量，這樣保證油麵36A和油量35維持恆定。油的流量用恆流閥46保持其恆定，並從流量控制閥47觀察，這樣工作過程中的擾動均指示出來並可以看管。儘可能地在油池48中將油中存在的水檢測出來，如果必要，可在油再返回油池48或直接進裝置49之前從分離器50中將水去除。如果水會進入系統，可在任何適宜的、預定的時間進行測試，以便防止水繼續進入，例如可以更換密封圈。在這方面還必須指出的是，水的檢測在本發明的系統中是方便的，這是因為潤滑油是在系統內同一循環通道中連續循環和在整個系統中潤滑油的總量比較小。此外，應當指出，可能經液壓腔14或15可能洩漏到轂體腔2中的壓力油，將維護系統並加入到循環油之中。
轉子的旋轉，油量35可產生20克的離心力，油被以一定的壓力壓向外葉片樞軸軸承8，然而在別的方面，轂腔2中的油未受到任何過壓。壓向油量35的油壓因此正常情況下低於環境水壓，這樣就大大減小了油向周圍水中洩漏的風險。
儘管油向環境水中洩漏的風險很小，由於在轂體腔中不經受任何過壓，這種洩漏的風險可藉助於在外葉片樞軸軸承8與周圍的水之間使用一種良好的密封，使之進一步減小。圖3示出了這種密封系統，該密封系統包括內密封圈61和外密封圈60，分別用橡膠或其它彈性材料製成，密封圈提供了一種角度間隙62，該間隙環繞葉片法蘭5。密封圈60、61由壓緊環63可靠地保持在空隙62中，該壓緊環63是用螺釘緊固在轂體1上。儘管轂體腔2未增壓，最大的漏油風險存在於透平的吸油側，即在轉子葉片的「下面」或「後面」，這裡的壓力很低。當運行時，這裡的壓力P2低於大氣壓力；圖3中，P3為轂體內部的壓力。另一方面轉子葉片壓力側的壓力P1，即在轉子葉片上面的壓力總是高於大氣壓力，這些情況均應用於本發明之密封圈布局上。從葉片法蘭5外，在轉子葉片壓力側的區域內，即從葉片法蘭上，在葉片4上方一點，延伸出一通道64，進入環形空間65，該空間在外密封和內密封圈60與61之間的空隙62之內。換句話說，兩密封圈之間的環形圓周空間65，在透平的壓力側，通過通道64將與外界的水相連通，這意味著空間65具有與水在壓力側壓力相同的壓力P1環繞葉片法蘭5的整個圓周。這於是意味著內密封圈61外側的壓力沿整個圓周高於密封圈61內側的壓力，就是說在葉片法蘭的真空面(suction side)的區域內，這裡水的壓力P2在外側是低於大氣壓的。圓周空間65的增壓起到了阻止漏油的作用。
此外，或作為一種替換方案，空間65可以通過其它某種高於四周水壓的壓力源將其增壓，推薦使用由透平軸箱(圖中未示出)的清潔水，經過通道68將其增壓，該通道經透平軸、透平軸法蘭13和轂體1通到空間65。還有其它的壓力源原則上可以使用，推薦用包含具有壓力的潔淨水作壓力源。這種替換方案對於這樣一些情況特別有用，在這些情況下轉子葉片或螺旋槳葉片的壓力側的壓力相對較低，例如，在低水頭水電站的Kaplan透平，由於在這種情況下對空間(65)增壓，將受具有比作用在轉子葉片/螺旋槳葉片較高壓力的壓力源的影響。這一替換方案可能是特別有利，如果轂體腔同時充以經受過壓的油。
從根本上講，本發明涉及防止油洩漏到環境環中水中的問題。根據本發明，這是這樣實現的，其中，本發明之特徵在於通過至少在所提出專利權利要求中指出的許多特徵，或者通過這些特徵的相互結合。在這些特徵之中，必須指出的是潤滑系統中的油的總量是小的，本質上小於轂體腔的總容積，轂體腔是從在大氣壓狀態，潤滑油是在一個迴路中循環，設有油流量控制裝置從而可以檢測到油的洩漏，並可以看管維護；設有有效的密封裝置，該裝置利於水的進入優先於油的洩漏。同時要求潤滑有效而不致被進入的水所削弱。在這方面必須考慮到水比油具有更高的粘度這一情況，這樣，由於離心力，就可以建立一種趨勢以從油中分離水和使水被收集在外軸承8處。為了防止這種趨勢，將油從腔31經導管30引向軸承8具有重要價值。這一功能可通過設置一種裝置進一步得到保證，例如各種縮頸塞物、又如內軸承7的有效密封，以便安全地引導油流至外軸承8。在軸承8中，可允許進入的油與可能進入的水相混合，其中水與油是在油量35中混合，最終經回油導管42將其引出、檢測和排出。
必須認識到本發明並不局限於具有在上述說明中已經予以闡述的設計的轉子，總的說也不局限於Kaplan透平轉子。例如，本發明可能會很適合併被採用於序言中所提及的那些類型的液壓機械，這些機械具有水平的轉軸。也是在這些機械中，轉子中較少量的油，在離心力的作用下，將被壓向外輪廓。在這種情況下所生成的油體積的形狀將與具有垂直軸的情況真的不同，更為特別的是將獲得一種圓柱形的內表面，不過這一事實可以在布置液壓泵19的吸油管37時考慮到。
還必須指出，泵19也與所圖解說明之實施例有聯繫，該泵的位置布局要考慮重力的影響，重力也對泵的吸油導管37起作用，從而使泵能通過吸油導管吸入油。
權利要求
1．水力機械的密封系統，該水力機械包括一個轉子或葉輪，該轉子具有轂體(1)和輪葉或葉片(4)，該葉片(4)經可旋轉的樞軸裝在轂體內用油潤滑的軸承(7,8)中，所述密封系統包括密封件，該密封件位於所述軸承和周圍的水之間，其特徵在於所述密封件包括環形的第一密封件(60)和在所述第一密封件內側的第二環形密封件(61)；環形空間(65)存在於所述第一密封件和第二密封件之間；且此環形空間通過通道(64)與水連通，這裡的水具有比所述軸承內油壓更高的壓力。
2．如權利要求1所述的密封系統，其特徵在於密封件位於空隙(62)處，空隙的一邊是包括轉子葉片樞軸(6)或相應的部件和轉子葉片法蘭(5)或相應的部件，空隙的另一邊是包括轂體的部件。
3．如權利要求2所述的密封系統，其特徵在於密封件位於轉子葉片法蘭與轂體之間的空隙(62)之內。
4．如權利要求1至3其中之一所述的密封系統，其特徵在於，環形空間(65)通過通道(64)與周圍處於轉子葉片或相應件的壓力側的水相連通，於是在環形槽中的流體將在本質上達到與壓力側水壓力相同的壓力。
5．如權利要求1至4其中之一所述的密封系統，其特徵在於環形空間(65)通過通道(68)與液壓機械結構內的壓力源相連通，推薦與機器軸的軸箱連通，該通道從壓力源經轂體延伸至環形空間。
6．如權利要求1至5其中之一所述的密封系統，其特徵在於密封件包括密封圈(60,61)，該密封圈帶有密封唇用以貼靠在空隙(62)的壁上；而密封圈的密封唇轉而壓向所述環形空間(65)。
全文摘要
一種水力機械的密封系統,該液壓機械包括一個轉子或葉輪,該轉子具有轂體(1)和葉片或輪葉(4),該葉片可旋轉地裝在轂體內用油潤滑的軸承(7,8)中,該密封系統包括密封件,該密封件設置在所述軸承與周圍的水之間,其配置是這樣的,所述密封件包括一環形的第一密封件(60)和位於第一密封件內側的第二環形密封件(61),在所述第一和第二密封件之間存在一環形空間,該環形空間經過通道(64)與具有比所述軸承中壓力更高的壓力的水相連通。
文檔編號F03B3/12GK1217045SQ9719418
公開日1999年5月19日 申請日期1997年4月25日 優先權日1996年4月29日
發明者康尼·蒂伯格 申請人:克瓦那渦輪機股份公司