CN1008392B - 水力机械的水润滑轴承装置 - Google Patents

Abstract

用于水力机械的水润滑轴承装置具有与轴承侧陶瓷滑板接触的旋转侧陶瓷滑板。旋转侧陶瓷滑板位于固定在主轴上的主轴套筒件的容纳槽内。主轴套筒件带有阻挡部分以防止旋转侧陶瓷滑板被离心力折断。这样，陶瓷材料即可用于旋转侧也可用于轴承侧，因而延长了轴承装置的使用寿命。

Description

本发明是关于水利机械的水润滑轴承装置的改进。

应用水力原理操纵的涡轮机，特别是大尺寸的涡轮机如水轮机和可逆式水泵-水轮机等，都绕转子有一组导流叶片，流入水轮机的水在其数量被控制的条件下被导向转子，从而转动和驱动转子。转子的转动通过一根主轴传递到发电机上，从而发出电力。主轴上带有一个导向轴承，其作用是在转子，发动机和主轴工作期间防止它们产生任何振动，这样可以使它们的转动很稳定。

传统导向轴承的结构将参照图1进行解释，图1示出了油润滑轴承的结构，它是一个典型的已知导向轴承，并应用在如Francis水轮机上。

一个导流叶片1位于上盖2和下盖3之间。转子4位于盖2和3限定的空间内并位于导向叶片1的下游。转子4包括一个邻近上盖2的一个转子上冠5，一个主动轮叶6和一个邻近下盖3的轮缘8。

转子4以下述方式安装在从转子4向上延伸的主轴9上。上冠5与加工在主轴9上的凸缘部分10接触，拧进螺钉11，从而将上冠5和凸缘部分10连接在一起，即将转子4安装在主轴9的顶部。安装了一个水密封件12，它从上盖2朝螺钉11延伸，并环绕主轴9，与主轴9之间有一间隙。主轴9在水密封件12上方的一部分加工有一个主轴裙板16，它所在位置部分地决定了悬臂尺寸H（后面描述）。主轴裙板16由一个油箱17封闭。

油箱17的一个边缘部分位于槽16A内，槽16A加工在主轴裙板16邻近水密封件12的一侧上，而油箱17的另一边缘部分则位于主轴9处于主轴裙板16 上方的一部分上。油箱17的这些部分由环绕主轴裙板16的中间体连接在一起，形成了油箱17。法兰部分17A加工在油箱17的外圆周。法兰部分17A与从上盖2向上延伸的支承部分2B的法兰部分2C接触，它们由一固紧件（未示出）固紧，这样油箱17的法兰部分17A就由上盖2的法兰部分2C支承。在油箱17内充有润滑油18，并在油箱17内有一个轴承装置20。

轴承装置20有一个支承部分20A，它安装在油箱17的内圆周上，其位置与法兰部分17A对应。支承部分20A与主轴裙板16对立并带有调节螺钉21（图中仅示出了其中一个）。调节螺钉压抵并支承一个轴瓦块轴承22，轴瓦块轴承22然后再抵压在主轴裙板16上。

当转子4和主轴9旋转时，主轴裙板16也旋转，它在轴瓦块轴承22上滑动。在滑动旋转期间产生的摩擦热被润滑油18冷却。部分被加热的油被冷却管23冷却。

悬臂尺寸H是一个必不可少的距离，其目的是为了能够维修位于轴承装置20和转子4之间的密封件12，保证为装配和拆卸提供足够的空间，在将冷却管23安装在油箱内时能应付各种尺寸限制，该冷却管是为冷却轴承装置20产生的热而必备的。

另一方面，从主轴9的振动观点来看，悬臂尺寸H应尽可能地小。而且，作为润滑剂而使用的油必需周期性地检查和替换，从维护来说这就是一个缺点。油的使用也要求装备冷却管，这就使总结构比较复杂。

为了克服这些问题，日本专利№.51-22954业已提出了一个方案。根据这一方案，该轴承装置是一个被供水的水润滑轴承装置。然而该装置遇到一些问题。举例来说，由于需要一个外部的净水源和一个供水装置，该轴承装置的结构就较为复杂。另外，如果使用自然水源，就有水润滑表面被磨损的危险，这是因为在一次洪水期间流入转子的水含有土和沙。为了避免这一危险，日本专利№.6088215公开了一种可在含有土和沙的水中工作的轴承，它无需任何从外部供应的净水。该轴承由近年来颇受重视的新型陶瓷材料制成，并且这种类型的轴承已被应用在处理含沙、土的水的泵中，如排水泵。

所提出的轴承有一个一体的轴颈轴承。用来加工轴颈轴承的材料是氮化硅，碳化硅等，在各类新型陶瓷材料中，它们产生相对较小的水中摩擦力并当暴露于沙和土中时承受相对较小的磨损，从抵抗沙、土磨损和易于安装的观点出发，用来加工穿过轴颈轴承的主轴的材料是很硬的合金，如碳化钨。

如果主轴在含沙、土的水中旋转，而由一个轴承支承，主轴就会被沙、土磨损，其寿命就会缩短。为了延长主轴寿命，本发明者进行了试验，将陶瓷材料应用到主轴上。结果，本发明者发现，如果简单地使用陶瓷材料，它就会断裂，证明这样使用陶瓷材料是不可能的。

本发明的一个目的就是为水力机械提供一种润滑轴承装置，它能防止位于旋转侧的陶瓷滑板断裂，并因此而显示出寿命长的优点。

根据本发明，用于水力机械的一种润滑轴承装置包括轴承陶瓷滑板，和与轴承陶瓷滑板接触的旋转侧陶瓷滑板。旋转侧陶瓷滑板位于固定在主轴上的主轴套筒件的容纳槽内。主轴套筒件带有阻挡部分用于防止旋转侧陶瓷滑板被离心力损坏。这样，就有可能将陶瓷材料用于旋转侧和轴承侧上，因而延长了轴承装置的使用寿命。

图1是带有传统轴承装置的水轮机的局部断面侧视图;

图2A是带有本发明轴承装置的水轮机的局部断面侧视图;

图2B是图2A所示装置基本部分的断面侧视图;

图3A到图4A示出了用于图2A和图2B所示轴承装置上的陶瓷轴瓦块轴承，其中图3A和图4A是陶瓷轴瓦块轴承的透视图，图3B和图4B是图3A和图4A所示陶瓷轴瓦块轴承的断面侧视图。

图5A到图5B示出了图2A和图2B所示轴承装置的陶瓷主轴，其中图5A是陶瓷主轴的平面视图，图5B和图5C分别是图5A所示陶瓷主轴的断面侧视图和分解断面侧视图，图5D是一说明图，示出了图5A所示主轴的工作。

下面参照附图2A到5D，描述本发明的最佳实施例。与图1对应的零件由对应的参考标号表示，并省略这些零件的描述。

一个轴承支承部分30以环绕主轴9外圆周的方式定位。螺钉31（仅示出了其中一个）将轴承支承 部分30的下端和上盖2的支承部分2A连接在一起，而螺钉32将轴承支承部分30的上端和水密封件12连接在一起。水密封件12环绕主轴9并与其隔开一间隙。水沿箭头所示的方向X₁穿过该间隙。一个轴承装置20位于水密封件12和轴承支承部分30内。

轴承装置20包括一个陶瓷轴瓦块轴承35和一个以可相对于陶瓷轴瓦块轴承35旋转的方式而置的陶瓷主轴36。陶瓷轴瓦块轴承35包括下述结构。

一组螺纹孔（仅示出了其中一个）沿圆周方向以预定间隔加工在轴承支承部分30上。调节螺钉21穿过每个螺纹孔，并当转动螺钉21时，它朝着或离远主轴9移动。调节螺钉21的尖端压抵在带轴承陶瓷滑板38的加强支承板37上，在它们两者之间有一加强体34，带轴承陶瓷滑板38的支承板37压抵在陶瓷主轴36上。

加强支承板37和轴承陶瓷滑板38的结构将参照图3A和图3B进行描述。每个加强支承板37都呈矩形，并带有绕其周边的凸缘37A。和在凸缘37A内的安装面37B。螺纹孔37C以预定间隔加工在安装面37B的邻近凸缘37A的部分上。每个轴承陶瓷滑板38通过粘接剂固定在安装面37B在螺纹孔37C向内的部分上。每个轴承陶瓷滑板38可以由一组分开的件38′组成，如图4A所示。氮化硅或碳化硅之类的陶瓷材料用来作为加工轴承陶瓷滑板38的材料。在每个滑板38的上表面和下表面加工有固定台阶部分38A。当一个在其内表面加工有保持台阶部分39A的保持件39装配入主要由固定台阶部分38A和凸缘37A限定的空间内时，保持台阶部分39A与固定台阶部分38A啮合。然后，当螺钉40穿过加工在保持件39上的螺纹孔39B，然后旋入螺纹孔37C时，轴承陶瓷滑板38就被固定在加强支承板37上，并且保持台阶部分39A与固定台阶部分38A啮合。一般来说，陶瓷材料有很强的抗压力，但它对弯曲力，张力或冲击力很敏感，所以如图4A和图4B所示，可以在轴承陶瓷滑板38和加强支承板37之间附加一个弹性体41，其安装方式可以用保持件39固定，也可以在弹性体41两面敷胶而将其固定在位。每个轴承陶瓷滑板38的滑动表面38D从保持件39向主轴9凸出，以便于与陶瓷主轴36的旋转侧陶瓷滑板42接触。

陶瓷主轴36包括一个环形主轴套筒件43，和一组固定在套筒件43上的陶瓷滑板42。主轴套筒件43被固定在主轴9上，其下边缘抵靠在法兰部分10上。这组旋转侧陶瓷滑板42环绕主轴套筒件43的圆周以等分该圆周的方式定位。每个旋转侧陶瓷滑板42的制造材料与每个轴承陶瓷滑板38的材料相同。主轴套筒件43和旋转侧陶瓷滑板42的详细结构将参照图5A到图5C解释。

主轴套筒件43分成主轴套筒块43A和43B。在套筒块43A或43B的一个边缘加工有垂直延伸的隆起部分43C，该边缘与另一套筒块的配合边缘贴靠。连接孔43D加工在每个隆起部分43D的上、下端，并穿过其中。主轴套筒块43A和43B的外圆周侧表面加工有容纳槽43E。每个容纳槽43E邻近外圆周的侧部带有阻挡部分43F₁和43E₂，每个阻挡部分从主轴套筒块43A或43B向槽43E的一部分伸出。第一台阶部分43J由套筒块43A或43B与容纳槽43E对应的内表面构成。

每个旋转侧陶瓷滑板42的外表面加工有第二台阶部分42A，它与第一台阶部分43J啮合。

每个旋转侧陶瓷滑板42都以下述方式装配入每个容纳槽43E。表面敷有粘结剂的陶瓷滑板42从带阻挡部分43F₁和43F₂的槽43E的侧面插入容纳槽。用这种方式，一个旋转侧陶瓷滑板42被插入一个容纳槽43E，而第一台阶部分43J和第二台阶部分42A进入相互啮合状态。然后，将带有旋转侧陶瓷滑板42的主轴套筒块43A和43B相互接触。螺栓45A插入连接孔43D，然后用螺母45B固紧，这样就装配好了环形主轴套筒件43′。

轴承装置的装置按下述方式进行。首先，将一体固定有旋转侧陶瓷滑板42的主轴套筒件43环绕主轴9放置。将螺栓45A插入连接孔43D，把螺母45B装在螺栓45A上然后固紧，从而将主轴套筒块43A和43B连接在一起。接着，一体固定有轴承陶瓷滑板38的加强支承板组37按环形放置。旋转调节螺钉21，使得轴承陶瓷滑板38和旋转侧陶瓷滑板42相互压靠，使得板38和板42之间的径向间隙尺寸是均匀的。拆卸装置时，上述程序以相反次序进行。

当导流叶片1打开时，水沿图2A中箭头所示方向流入转子4，并随着主轴9转动，旋转侧陶瓷滑板42就在轴承陶瓷滑板38上滑动。在旋转侧陶瓷滑板42运行期间，如图5D所示有一个离心力F₁。离心力F₁沿旋转侧陶瓷滑板42的圆周方向产生张力F₂。根据本发明，阻挡部分43F₁和43F₂的作用是减少离心力F₁的影响，因而可使张力F₂降低与之相应的数量。所以，可以防止旋转侧陶瓷滑板断裂或损坏。如 果没有阻挡部分，离心力F₁就会产生较大张力F₂。结果，旋转侧陶瓷滑板42就可能断裂或损坏，而不能使用。对比起来，根据本发明，由于阻挡部分43F₁和43F₂支承旋转侧陶瓷滑板42的上、下边缘，张力F₂就以很大程度降低，因而防止了旋转侧陶瓷滑板42的断裂或损坏。

因此，旋转侧陶瓷滑板42和轴承陶瓷滑板38允许用氮化硅或碳化硅之类的陶瓷材料制成，这种材料对土和沙不太敏感，因而有可能延长滑板42和38的寿命，即使用于含有土和沙的水中。阻挡部分也可以有另一种结构，其中阻挡部分与旋转侧陶瓷滑板42侧表面上的凹槽配合。

此处，根据本发明的旋转侧陶瓷滑板42的形状在周向尺寸上较长，所以在离心力作用下这种结构的旋转侧陶瓷滑板易于分离，另一方面，根据本发明，由于结构简单的旋转侧陶瓷滑板的啮合部分与阻挡部分43F₁，43F₂啮合，就可以防止每个旋转侧陶瓷滑板42在离心力F₁的作用下分裂。

另外，根据本实施例，由于水下轴承装置20位于转子4和主轴9的水密封件12之间，不需要供应作为润滑剂的水的装置。此外，转子4和轴承装置20的中心线之间的悬臂尺寸H比传统结构小的多。这种结构有可能防止转子4的外圆周与固定部分如盖2和3碰撞的危险，增加了主轴9的临界速度和强度，防止了轴承的一侧磨损，减小了上盖2的尺寸，减小了主轴9的直径，并减小了转子间隙，因而改善了转子效率。

如上所述，根据本发明，有可能防止旋转侧陶瓷滑板的任何断裂，使用陶瓷滑板作为旋转侧滑板和轴承滑板，因而使这些滑板有较长的寿命，即使它们用于含土和沙的水中。

Claims (6)

1、一种用于水利机械的水润滑轴承装置，包括一个安装在主轴顶端的转子，一个盖住所述转子的上盖，一个从所述上盖向上延伸并加工有螺纹孔的轴承支承板，穿过所述螺纹孔的调节螺钉，与所述调节螺钉接触而定位的加强支承板，安装在所述加强支承板上的轴承陶瓷滑板，与所述轴承陶瓷滑板接触而定位的至少一个旋转侧滑板，和一个安装在主轴上并固定有所述旋转侧滑板的主轴套筒件，所述调节螺钉可旋转，使所述轴承陶瓷滑板与所述旋转侧滑板保持压力接触，其特征在于所述轴承装置还包括由陶瓷材料制成的并由多个滑板组成的旋转侧陶瓷滑板，所述旋转侧陶瓷滑板包括啮合部分，其中部的高度比左边和右边部分的高度高，将主轴套筒件分成至少两部分的至少一对主轴套筒块，所述主轴套筒块包括一个加工在每个主轴套筒块外圆周表面上的容纳槽和从主轴套筒块上容纳槽侧边向容纳槽延伸的阻挡部分，每个主轴套筒块带有固紧装置，以将一对主轴套筒块连接在一起，主轴套筒块上的所述容纳槽内容纳了一组旋转侧陶瓷滑板，从而使得啮合部分和阻挡部分相互啮合。

2、根据权利要求1所述的用于水力机械的水润滑轴承装置，其特征为一组陶瓷材料制成的旋转侧陶瓷滑板，它们沿主轴的圆周方向定位。

3、根据权利要求1所述的用于水力机械的水润滑轴承装置，其特征为所述旋转侧陶瓷滑板的一个侧表面加工有台阶部分，每个台阶部分使得外侧上的直径小于内侧上的直径，所述台阶部分与所述阻挡部分啮合，阻挡部分从所述主轴套筒件上向与所述容纳槽对应的内表面延伸。

4、根据权利要求1所述的用于水力机械的水润滑轴承装置，其特征为所述主轴套筒件在其外圆周上有容纳槽。并包括至少一对通过将主轴套筒件分成至少两块而得到的主轴套筒块，在所述主轴套筒块的配合边缘上加工有隆起部分，通过所述隆起部分加工有孔，所述主轴套筒块在所述容纳槽内容纳了一组旋转侧陶瓷滑板，所述轴承装置还包括固紧装置，当所述主轴套筒块保持相互接触时该固紧装置穿过所述孔，所述固紧装置将所述主轴套筒块固紧在一起形成所述主轴套筒件。

5、根据权利要求1所述的用于水力机械的水润滑轴承装置，其特征为绕每个所述加强支承板的周边加工的凸缘部分，每个所述轴承陶瓷滑板都被固定在每个所述加强支承板的所述凸缘部分内;在每个所述轴承陶瓷滑板的侧面上加工的轴承侧台阶部分;位于所述轴承侧台阶部分和所述凸缘之间的保持件，每个保持件有与所述轴承侧台阶部分啮合的保持台阶部分;和将所述保持件与所述加强支承板固定在一起的固紧位置。

6、根据权利要求1或4所述的用于水力机械的水润滑轴承装置，其特征为位于所述加强支承板和所述轴承陶瓷润滑板之间的弹性件。

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