CN1075599C - 水力机械的密封系统 - Google Patents

Abstract

一种水力机械的密封系统，该液压机械包括一个转子或叶轮，该转子具有毂体(1)和叶片或轮叶(4)，该叶片可旋转地装在毂体内用油润滑的轴承(7，8)中，该密封系统包括密封件，该密封件设置在所述轴承与周围的水之间，其配置是这样的，所述密封件包括一环形的第一密封件(60)和位于第一密封件内侧的第二环形密封件(61)，在所述第一和第二密封件之间存在一环形空间，该环形空间经过通道(64)与具有比所述轴承中压力更高的压力的水相连通。

Description

水力机械的密封系统

技术领域

本发明涉及一种水力机械的密封系统，这类机器包括转子或叶轮，该转子具有毂体和轮叶或叶片，叶片通过可旋转的枢轴安装在毂体上用油润滑的轴承中，所述密封系统包括密封装置，该密封元件位于所述轴承与周围的水之间。

本发明已经开发出来并将为一种Kaplan透平所采用，特别适用于一种Kaplan透平，这种透平具有全新的润滑系统，用于转子叶片轴承的润滑，但亦可为传统的Kaplan透平所采用，也可用于如序言中提及的其它类型的机器，例如具有角度可调叶片的船用螺旋浆。

现有技术

按常规，Kaplan透平的毂腔中是充油。充油的主要目的在于润滑转子叶片轴承。充油的其它重要功能是保证毂内适当防腐蚀和保证对进入毂中的水的检测可能性。为防止水进入毂内，这作为一种风险就当今毂体设计而言不能完全置之度外，整个毂体内充以增压油。然而导致油泄漏的风险。事实上，Kaplan透平产生的漏油如此频繁的发生，以致成为一个严重的环境问题，这是由于漏油将污染透平工作的江河。此外，当毂内完全没有油时，事故会发生，这会引起江河中的较大损害。而对毂体内增压并不是一种阻止油进入毂体的保证。

发明概述

本发明的目的在于解决上述问题，并提供一种经改进的密封系统，该系统可使漏油的风险最小。本发明已开发出来并将为Kaplan透平所采用，该透平具有一种全新的润滑系统，下面本文将给予说明，其特征在于毂体内压力不与周围大气压力相同。本发明的密封系统特别对设有全新润滑系统的液压机器有效，但也可被传统型式的液压机器采用，这类机器的全部毂体内充了增压油。

本发明的这些和其它目的的实现是基于在权利要求1的特征部分所述的本发明的特征。

本发明的进一步的特征和本发明的各方面将在独立权利要求和对下面的推荐实施例的说明中体现出来。

对附图的简要说明

下面参照附图对推荐实施例进行说明，其中：

图1为一Kaplan透平转子的轴向剖面图，该透平转子具有已知的设计结构，其中采用了本发明，对其中具有本发明特征的各部分均给予示意图解说明；

图2为图1中沿Ⅱ-Ⅱ剖切的转子横截面图；

图3表示图1中方框Ⅲ中详图的放大，图解说明防止水进入毂体的系统；和

图4为图1沿Ⅳ-Ⅳ的向视图。

图中仅表示了对了解本发明原理所必须的详情，而其余部分例如图1中的转子叶片，则已将其细节省略，以便使重要的部分更为清晰。

对本发明的详细说明

图1中，毂体固定在透平轴法兰13上，总体上用1表示毂体。本文中毂的内部是指毂体内的空腔、总体上用2表示，该空腔包括底部3，在透平头部所处区域，本文中是指干储槽(dry-sump)。透平上设有若干转子叶片4，如图4所示，各叶片均有叶片法兰5，该法兰是用螺纹连接紧固在叶片枢轴6上。叶片枢轴以其轴颈分别装在壳体1上的内、外两滑动轴承7、8内。枢轴6、从而使叶片4，可以通过使枢轴在轴承7、8中转动，以其自身已知的方式作角度调整，这种调整是用运动装置来进行的，该运动装置包括伺服马达活塞9，可在毂体1中垂直运动的活塞杆10，十字头11和总体标注为12的杠杆机构。液压腔14和15是供活塞9运动而设置的。轴向孔16内设有管17，该孔延伸并穿过活塞9、活塞杆10和十字头11。

迄今为止所谈及的各元件属现有技术，本文中不再详细叙述，也不讨论活塞9，该活塞是由油腔14和15中的压力流体所操纵。

根据本发明，毂腔2是经孔16中的管与环境大气压力P3相连通。此外，根据本发明，在干储槽3内设有柱塞式液马达18和由液马达驱动的液压泵19。液马达是由图中未示出的压力源所驱动。该压力源装在装置49内，经第一导管20、旋转接头21、再由经管17向下延伸至干储槽3的第二导管22、软管23和连接导管24驱动马达。导管25，软管26和导管27从液马达18延伸至十字头11和活塞杆10内的导管28。导管28通向位于活塞杆10外表面与片枢轴6之间，在活塞杆外面的封闭环形空间31。导管30从环形空间31，经枢轴6继续通往外轴承8。

毂腔2中装有一定数量的油35，油量不得大于规定的数量，这些油在转子旋转时，将被压向毂体1的内壁，并本质上填满轴向截面图1中具有碗状形状的如图2中所示的各叶片枢轴6之间的空间。在重力的影响下，当透平轴是垂直安装时，油量35的内表面36不是完全垂直的，而是略微向下向内倾斜，这样内表面36A处的小体积的油35A仍延伸至干储槽。在后一区域内有吸管37，该吸管从小体积的油所处的35A处通往液压泵19。导管38从泵19引出，经软管的一部分39和回油导管41，引向旋转接头21，再经该处的回油管41通往一油槽(图中未示出)或相应的装置49。

在进油导管20上装有电磁阀45，该电磁阀在透平转子旋转差不多达到公称转速(至少是公称转速的90％)之前不开启，在导管20内有一恒流阀46。在回油导管42内还设有流量控制阀和油池48，用以检测和/或分离并排出被污染的油中的水。被净化后的油可由分离器50循环返回油池48。装置49包括压力源和油槽等等。

所述系统按如下方式运行。启动后，透平向毂腔2中充以一定数量的油，例如经油管17充入。油从装置49中的压力源(图中未示出)，经导管20，旋转接头21，导管22,23和24至液马达18，该液马达驱动液压泵19。从液马达18，油经导管25、26和27送至导管28，再经活塞杆10上的开口进入空间31。油润滑内枢轴轴承7，并通过该轴承；此后油向毂体室2的四周飞溅，在这里，油可以在到达和润滑外枢轴轴承之前润滑毂内各部分。不过，杠杆机构12的轴承是适合于用自润滑式的。此外，油从空间31经通道30引至外轴承8，以保证各枢轴外轴承也得到润滑。通过转子的旋转，油由轴承7和8进一步在向阀体1内壁之四周以填满所述的碗形空间。油体积35只相当于毂内腔总体积的一小部分，例如小于10％。油量35在这里保持为恒定，液压泵19在这里经过吸油导管37，从油量部分35A吸油，该部分35A是向下延伸至于储槽3内的；油进一步经过导管38、39、40、41和旋转接头21、和回油导管42。液压泵19的工作容量大于液马达的工作容量，这样保证油面36A和油量35维持恒定。油的流量用恒流阀46保持其恒定，并从流量控制阀47观察，这样工作过程中的扰动均指示出来并可以看管。尽可能地在油池48中将油中存在的水检测出来，如果必要，可在油再返回油池48或直接进装置49之前从分离器50中将水去除。如果水会进入系统，可在任何适宜的、预定的时间进行测试，以便防止水继续进入，例如可以更换密封圈。在这方面还必须指出的是，水的检测在本发明的系统中是方便的，这是因为润滑油是在系统内同一循环通道中连续循环和在整个系统中润滑油的总量比较小。此外，应当指出，可能经液压腔14或15可能泄漏到毂体腔2中的压力油，将维护系统并加入到循环油之中。

转子的旋转，油量35可产生20克的离心力，油被以一定的压力压向外叶片枢轴轴承8，然而在别的方面，毂腔2中的油未受到任何过压。压向油量35的油压因此正常情况下低于环境水压，这样就大大减小了油向周围水中泄漏的风险。

尽管油向环境水中泄漏的风险很小，由于在毂体腔中不经受任何过压，这种泄漏的风险可借助于在外叶片枢轴轴承8与周围的水之间使用一种良好的密封，使之进一步减小。图3示出了这种密封系统，该密封系统包括内密封圈61和外密封圈60，分别用橡胶或其它弹性材料制成，密封圈提供了一种角度间隙62，该间隙环绕叶片法兰5。密封圈60、61由压紧环63可靠地保持在空隙62中，该压紧环63是用螺钉紧固在毂体1上。尽管毂体腔2未增压，最大的漏油风险存在于透平的吸油侧，即在转子叶片的“下面”或“后面”，这里的压力很低。当运行时，这里的压力P2低于大气压力；图3中，P3为毂体内部的压力。另一方面转子叶片压力侧的压力P1，即在转子叶片上面的压力总是高于大气压力，这些情况均应用于本发明之密封圈布局上。从叶片法兰5外，在转子叶片压力侧的区域内，即从叶片法兰上，在叶片4上方一点，延伸出一通道64，进入环形空间65，该空间在外密封和内密封圈60与61之间的空隙62之内。换句话说，两密封圈之间的环形圆周空间65，在透平的压力侧，通过通道64将与外界的水相连通，这意味着空间65具有与水在压力侧压力相同的压力P1环绕叶片法兰5的整个圆周。这于是意味着内密封圈61外侧的压力沿整个圆周高于密封圈61内侧的压力，就是说在叶片法兰的真空面(suction side)的区域内，这里水的压力P2在外侧是低于大气压的。圆周空间65的增压起到了阻止漏油的作用。

此外，或作为一种替换方案，空间65可以通过其它某种高于四周水压的压力源将其增压，推荐使用由透平轴箱(图中未示出)的清洁水，经过通道68将其增压，该通道经透平轴、透平轴法兰13和毂体1通到空间65。还有其它的压力源原则上可以使用，推荐用包含具有压力的洁净水作压力源。这种替换方案对于这样一些情况特别有用，在这些情况下转子叶片或螺旋桨叶片的压力侧的压力相对较低，例如，在低水头水电站的Kaplan透平，由于在这种情况下对空间(65)增压，将受具有比作用在转子叶片/螺旋桨叶片较高压力的压力源的影响。这一替换方案可能是特别有利，如果毂体腔同时充以经受过压的油。

从根本上讲，本发明涉及防止油泄漏到环境环中水中的问题。根据本发明，这是这样实现的，其中，本发明之特征在于通过至少在所提出专利权利要求中指出的许多特征，或者通过这些特征的相互结合。在这些特征之中，必须指出的是：润滑系统中的油的总量是小的，本质上小于毂体腔的总容积，毂体腔是从在大气压状态，润滑油是在一个回路中循环，设有油流量控制装置从而可以检测到油的泄漏，并可以看管维护；设有有效的密封装置，该装置利于水的进入优先于油的泄漏。同时要求润滑有效而不致被进入的水所削弱。在这方面必须考虑到水比油具有更高的粘度这一情况，这样，由于离心力，就可以建立一种趋势以从油中分离水和使水被收集在外轴承8处。为了防止这种趋势，将油从腔31经导管30引向轴承8具有重要价值。这一功能可通过设置一种装置进一步得到保证，例如各种缩颈塞物、又如内轴承7的有效密封，以便安全地引导油流至外轴承8。在轴承8中，可允许进入的油与可能进入的水相混合，其中水与油是在油量35中混合，最终经回油导管42将其引出、检测和排出。

必须认识到本发明并不局限于具有在上述说明中已经予以阐述的设计的转子，总的说也不局限于Kaplan透平转子。例如，本发明可能会很适合并被采用于序言中所提及的那些类型的液压机械，这些机械具有水平的转轴。也是在这些机械中，转子中较少量的油，在离心力的作用下，将被压向外轮廓。在这种情况下所生成的油体积的形状将与具有垂直轴的情况真的不同，更为特别的是将获得一种圆柱形的内表面，不过这一事实可以在布置液压泵19的吸油管37时考虑到。

还必须指出，泵19也与所图解说明之实施例有联系，该泵的位置布局要考虑重力的影响，重力也对泵的吸油导管37起作用，从而使泵能通过吸油导管吸入油。

Claims (6)

1．水力机械的密封系统，该水力机械包括一个转子或叶轮，该转子具有毂体(1)和轮叶或叶片(4)，该叶片(4)经可旋转的枢轴装在毂体内用油润滑的轴承(7,8)中，所述密封系统包括密封件，该密封件位于所述轴承和周围的水之间，其特征在于：所述密封件包括环形的第一密封件(60)和在所述第一密封件内侧的第二环形密封件(61)；环形空间(65)存在于所述第一密封件和第二密封件之间；且此环形空间通过通道(64)与水连通，这里的水具有比所述轴承内油压更高的压力。

2．如权利要求1所述的密封系统，其特征在于：密封件位于空隙(62)处，空隙的一边是包括转子叶片枢轴(6)或相应的部件和转子叶片法兰(5)或相应的部件，空隙的另一边是包括毂体的部件。

3．如权利要求2所述的密封系统，其特征在于：密封件位于转子叶片法兰与毂体之间的空隙(62)之内。

4．如权利要求1至3其中之一所述的密封系统，其特征在于，环形空间(65)通过通道(64)与周围处于转子叶片或相应件的压力侧的水相连通，于是在环形槽中的流体将达到与压力侧水压力相同的压力。

5．如权利要求1所述的密封系统，其特征在于：环形空间(65)通过通道(68)与液压机械结构内的压力源相连通，与机器轴的轴箱连通，该通道从压力源经毂体延伸至环形空间。

6．如权利要求1所述的密封系统，其特征在于：密封件包括密封圈(60,61)，该密封圈带有密封唇用以贴靠在空隙(62)的壁上；而密封圈的密封唇转而压向所述环形空间(65)。

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