海洋能发电装置的密封系统
技术领域
本发明属于海洋能发电领域,尤其涉及一种适用于海洋能发电装置的密封系统。
背景技术
海洋能(包含潮汐能、波浪能、海流能等)是一种清洁无污染的可再生能源,其储量丰富,分布广泛,具有极好的开发前景和价值。海洋能的利用方式主要是发电,其工作原理与风力发电类似,即通过能量转换装置,将海水的机械能转换成电能。具体而言,首先海水冲击水轮机,水轮机捕获海水的动能,然后将海水的动能转换为旋转的机械能,经过机械传动系统带动发电机发电,最终转换成电能。
水轮机是能够捕获海水动能的关键部件,直接影响整个发电机组的发电效率。目前,世界上应用较多的海洋能水轮机主要分为垂直轴水轮机和水平轴水轮机。水平轴水轮机相比于垂直轴水轮机,装置结构更加简单,重量更轻,能量捕获效率高,渐渐成为海洋能发电机组的主流形式。
桨叶是水平轴水轮机捕获海洋能的核心部件。根据桨叶桨距角是否可调,分为定桨距和变桨距两大类。定桨距的优点是不用变桨,结构简单。但由于海洋能具有往复和流速变化的周期性特性,定桨距具有可控制性差、不能实现海洋能的高效转化率等缺点,最终导致海洋能资源的浪费和海洋能发电装置成本的攀升。
变桨距相比于定桨距,主要有两大优势:一是根据海洋能的往复特点,能够实时调节桨叶桨距角,使桨叶正对潮流的来向,以捕获最大动能,使水轮机更容易启动,降低启动流速,在涨潮和落潮时都能够高效运行;二是当潮流流速超过额定流速时,调节桨距角减小桨叶捕获的动能,以保证水轮机在额定功率下高效工作(不会超过负载)。综上所述,通过调桨距角可提高海洋能水轮机的启动特性和运行可靠性,在涨潮落潮均可发电,延长了在一个潮流周期中的工作时间,实现总获能效率和发电效率的提升。
因具有调节桨距角的需求,需要在轮毂处设置变桨系统。变桨系统是整个发电机组的核心部件。与之相配的控制系统、润滑系统等均需要定期的保养和维修。桨叶的密封件同样需要定期的更换,以保证发电装置的运行安全。变桨密封的作用是将轮毂所在舱内的变桨系统和外部的海水隔绝,保障机组在各工况下能够顺利的开桨和顺桨,实现机组安全稳定的运行。如果密封不良,包含泥沙、杂质的海水将渗漏进轮毂内部,导致变桨系统损坏,将危害整个水轮机的使用寿命和运行安全。
现有技术中,一部分海洋能发电装置不考虑这个问题,就直接运行,导致装置损坏和维修率大大提高。有的注意到了这个问题,会定期把发电机组整体吊出海面进行保养和维修,但是这种维修方式增加发电成本,减少发电时间,最终影响整个发电装置的商业化应用。
发明内容
本发明为了克服现有技术中的至少一个不足,提供一种海洋能发电装置的密封系统。
根据本发明的一方面,提供一种适用于海洋能发电装置的密封系统,海洋能发电装置具有至少两个可变桨桨叶,密封系统对应设置于每个桨叶的根部。密封系统包括至少一道第一密封件和漏水保护装置。漏水保护装置位于至少一道第一密封件远离海水的一侧,漏水保护装置包括密封的储水仓和排水管。密封的储水仓收集并储存从至少一道第一密封件处渗漏的海水。排水管的一端连通密封的储水仓,密封的储水仓储存的海水通过排水管排出。
根据本发明的一实施例,密封系统还包括至少一道第二密封件,位于至少一道第一密封件靠近海水的一侧,其中,至少一道第二密封件在海洋能发电装置正常工作时不进行密封,至少一道第一密封件在海洋能发电装置正常工作时发挥密封作用,当需要拆除或更换至少一道第一密封件时,至少一道第二密封件工作实现密封作用。
根据本发明的一实施例,密封系统还包括至少一道第三密封件,至少一道第三密封件位于至少一道第一密封件靠近海水的一侧以抵挡泥沙。
根据本发明的一实施例,密封系统还包括单向止水阀,位于排水管的管路中。
根据本发明的一实施例,储水仓的底部为倾斜设置,由靠近第一密封件向远离第一密封件的方向倾斜设置,排水管连通于储水舱底部的最低位置。
根据本发明的一实施例,海洋能发电装置包括轮毂、发电机、连接轮毂和发电机的主轴、第一密封舱和第二密封舱,轮毂位于第一密封舱内,发电机位于第一密封舱或第二密封舱内,第一密封舱随着轮毂转动,第二密封舱相对静止,排水管的另外一端穿过主轴的内部将储水仓储存的海水排出到第二密封舱内。
根据本发明的一实施例,密封系统还包括集水槽和水泵,集水槽位于第二密封舱内以收集排水管排出的海水,水泵将集水槽内的海水抽吸到水面以上排出。
根据本发明的一实施例,海洋能发电装置还包括外轴,外轴的一端连通第二密封舱,另一端位于水面以上,水泵将集水槽内的海水后通过外轴抽吸到水面以上排出。
根据本发明的一实施例,至少一道第一密封件和/或漏水保护装置为对半或多半结构。
根据本发明的另一方面,还提供一种适用于海洋能发电装置的密封系统,海洋能发电装置轮毂、发电机、连接轮毂和发电机的主轴,密封系统设置于主轴上。密封系统包括至少一道第一密封件和漏水保护装置。漏水保护装置位于至少一道第一密封件远离海水的一侧,漏水保护装置包括密封的储水仓和排水管。密封的储水仓收集并储存从至少一道第一密封件处渗漏的海水。排水管的一端连通密封的储水仓,密封的储水仓储存的海水通过排水管排出。
根据本发明另一方面的一实施例,密封系统还包括至少一道第二密封件,位于至少一道第一密封件靠近海水的一侧,其中,至少一道第二密封件在海洋能发电装置正常工作时不进行密封,至少一道第一密封件在海洋能发电装置正常工作时发挥密封作用,当需要拆除或更换至少一道第一密封件时,至少一道第二密封件工作实现密封作用。
根据本发明另一方面的一实施例,密封系统还包括至少一道第三密封件,至少一道第三密封件位于至少一道第一密封件靠近海水的一侧以抵挡泥沙。
根据本发明另一方面的一实施例,密封系统还包括单向止水阀,位于排水管的管路中。
根据本发明另一方面的一实施例,储水仓的底部为倾斜设置,由靠近第一密封件向远离第一密封件的方向倾斜设置,排水管连通于储水舱底部的最低位置。
根据本发明另一方面的一实施例,密封系统还包括集水槽和水泵,集水槽位于第二密封舱内以收集排水管排出的海水,水泵将集水槽内的海水抽吸到水面以上排出。
根据本发明另一方面的一实施例,海洋能发电装置还包括外轴,外轴的一端连通第二密封舱,另一端位于水面以上,水泵将集水槽内的海水后通过外轴抽吸到水面以上排出。
根据本发明另一方面的一实施例,至少一道第一密封件和/或漏水保护装置为对半或多半结构。
综上所述,本发明设置于桨叶根部的密封系统通过设置漏水保护装置,杜绝轮毂所在的密封舱会进水的可能,充分保护密封舱内的轮毂和电机。并且排水方便,只需利用发电装置本身不工作的时间即可自动进行排水,结构简单,在做到排水的同时也降低成本。本发明的密封系统还可以单独设置于主轴上,杜绝海水沿着主轴渗漏进密封舱的可能。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂,下文特举较佳实施例,并配合附图,作详细说明如下。
附图说明
图1所示为本发明第一实施例提供的海洋能发电装置的部分剖视图;
图2所示为本发明第一实施例提供的设置于桨叶根部的密封系统的局部放大剖视图;
图3是图2的局部放大示意图;
图4是本发明第二实施例提供的设置于主轴处的密封系统的局部放大剖视图。
具体实施方式
如图1所示,密封系统10适用于海洋能发电装置100中。于本实施例中,海洋能发电装置100包括轮毂1、至少两个可变桨桨叶2、发电机3、连接轮毂1和发电机3的主轴4、第一密封舱5和第二密封舱6。轮毂1设置于第一密封舱5内,可变桨桨叶2可旋转地连接于第一密封舱5,发电机3设置于第二密封舱6内,主轴4的一端位于第一密封舱5内,另一端位于第二密封舱6内。第一密封舱5随着轮毂1转动,第二密封舱6相对静止,然而,本发明对此不作限定。于其它实施例中,发电机3也可设置于第一密封舱5内。
于本实施例中,密封系统10设置于每个桨叶2的根部(图1中只画出了位于上部的密封系统10)。密封系统10包括至少一道第一密封件11和漏水保护装置12。漏水保护装置12相对于第一密封件11而言,位于至少一道第一密封件11远离海水的一侧。漏水保护装置12包括密封的储水仓121和排水管122。密封的储水仓121收集并储存从至少一道第一密封件11处渗漏的海水。排水管122的一端连通密封的储水仓121,密封的储水仓121储存的海水通过排水管122排出。
具体而言,本实施例的海洋能发电装置采用的是可变桨的桨叶2,因为需要配套设置可控制桨叶旋转的变桨系统,所以海水特别容易从桨叶2的根部渗漏到第一密封舱5的内部。如何解决变桨的桨叶和所在舱体之间连接处的密封问题,其难度远大于采用固定桨叶的海洋能发电装置。特别地,设置在桨叶根部的密封系统和设置在其他地方的密封系统的应用环境不一样。因为设置在主轴或者其他地方的密封系统,其应用环境是相对静止的。然而,设置在桨叶2根部的密封系统10,因为是设置在轮毂1所在的第一密封舱5内,所以是处于一直旋转的状态。在这种状态下,要保证不漏水的难度更大,更不用说实现密封件的水下更换。
优选地,第一密封件11可以设置为多道,当位于最靠近海水一侧(即最外侧)的第一密封件11由于长久使用老化松弛后,位于内侧的一道或多道第一密封件11可以继续发挥密封作用,确保密封性能。
由于海水冲击力巨大并且海水具有一定的腐蚀性,第一密封件11特别容易老化和松弛。即便本实施例的海洋能发电装置经过长时间的使用,第一密封件11的密封性能下降,有海水渗漏进来,但是由于设置了漏水保护装置12,所有渗漏进来的海水都被储水仓121收集,能够确保海水不会直接蔓延到位于第一密封舱5内的轮毂1,从而避免第一密封舱5内的电子元器件(譬如控制桨叶旋转的电机8、齿轮箱等)受损。
特别地,虽然本文所列举的实施例中,密封系统10是设置于可变桨桨叶的根部。然而,本领域技术人员可以毫无疑问地可知,密封系统10也可设置于固定桨叶的根部从而起到密封防漏作用。
于本实施例中,第一密封件11和/或漏水保护装置12可为对半或多半结构,方便进行拆除和安装。通过设置这种结构的密封件而非常规结构的密封件(常规的是完整的一个环形密封圈),更换时无需拆除非密封件以外的零部件,更换和安装密封件都非常便捷。解决了现有技术中,只能将大部分零部件拆卸之后才能更换或拆除密封件的弊端。然而,本发明对此不作任何限定。
于本实施例中,储水仓121和桨叶2根部的壁接触的地方还设置了第四密封件13。由于这个地方是静态密封,不会有外界压力,所以此处的第四密封件13不容易松弛,能够确保储水仓121在旋转的状态下也是密封的,不会漏水。
于本实施例中,密封系统10还包括单向止水阀15,位于排水管122的管路中。优选地,储水仓121的底部为倾斜设置,由靠近第一密封件11向远离第一密封件11的方向倾斜设置(从图中所示方向看去,为向下倾斜),排水管122连通于储水舱121底部的最低位置。倾斜结构是为了使渗漏进的海水积蓄在底部,使海水及时快速地从排水管122排干净。
于本实施例中,排水管122的另外一端通过主轴4的内部再将海水排出到第二密封舱6内。密封系统10还包括集水槽16和水泵17,集水槽16位于第二密封舱6内以收集排水管122排出的海水,水泵17将集水槽16内的海水抽吸到水面以上排出。海洋能发电装置还包括外轴7,外轴7的一端连通第二密封舱6,另一端位于水面P以上,水泵17将集水槽16内的海水通过水管,经过外轴7抽吸到水面以上排出。外轴7内也可以用于布设各种线缆(包括但不限于电线和水管)。
由于涨潮落潮本身具有一定的周期性(不同水域的涨潮周期会有差别),当本实施例的海洋能发电装置是利用潮流能进行发电时,海洋能发电装置会由于平潮或停潮周期性地停止工作。以六个小时一个涨潮周期或落潮周期为例,海洋能发电装置本身一天会由于平潮或停潮停机4次。此时,不需要采取额外的排水措施,本实施例的海洋能发电装置即可利用停机间隙进行排水。
六个小时从桨叶2的根部渗漏进来的海水量不大,储水仓121不需要特别大的体积就能够储存这个时间段内渗漏进的海水,从而确保第一密封舱5内的其它电气件,譬如轮毂1或者电机8(控制桨叶2变桨的电机8),绝对不会受到海水的侵蚀。当平潮或停潮时,第一密封舱5和轮毂1会几乎停止转动。此时,可以电气控制第一密封舱5缓慢转动,将每个需要排水的桨叶2旋转到最上面的位置,停一小段时间(优选地,此时可以通过电动制动系统控制第一密封舱5相对静止),即可实现储水仓121的排水。
具体而言,当桨叶2旋转到图1所示的最上方的位置时,水由于重力作用,会通过单向止水阀15排出。单向止水阀15允许储水仓121的水通过排水管122流出,但是无法逆流回到储水仓121。换言之,根本不需要特别复杂的操作或者复杂的保护结构,就可实现桨叶2根部的“防漏”和“排水”。大大降低了水平轴水轮机的检修频率,延长了水平轴水轮机的使用寿命。另外,为了双重保险,可额外设置液位传感器(图未示),检测储水仓121内的水位。当发现漏水量比预设的数值大时,可以及时发现老化松弛的密封件并进行更换。
优选地,本实施例的主轴4的内部可以允许检修人员通过,并且主轴4分别在第一密封舱5和第二密封舱6处开设有能够让检修人员进出的检修口41和42。此时,检修人员可以通过第二密封舱6,先经过检修口42,然后穿过主轴4,经过检修口41进入到第一密封舱5内。然而,本发明对此不作限定。于其它实施例中,主轴4可不允许检修人员通过,可以有其它方式使得检修人员可以从第二密封舱6进入到第一密封舱5。
于本实施例中,密封系统10还包括至少一道第二密封件14,位于至少一道第一密封件11靠近海水的一侧。其中,至少一道第二密封件14在海洋能发电装置正常工作时不进行密封,至少一道第一密封件11在海洋能发电装置正常工作时发挥密封作用,当需要拆除或更换至少一道第一密封件11时,至少一道第二密封件14工作实现密封作用。
正是因为第二密封件14在特定时候发挥密封作用,此时第一密封件11可以直接进行拆除或者更换。如果没有第二密封件14提供密封环境,直接拆除或更换第一密封件11将会导致装置漏水。如果第二密封件14一直发挥密封作用而不是特定时刻发挥密封作用,在长期工作一段时间后,第二密封件14必然发生老化和松弛,此时无法给更换第一密封件11时提供密封环境。
如果第一密封件11为多道,可以直接拆除最外侧的第一密封件11,然后将剩余的多道第一密封件11往外侧位移即可。此时,虽然最外侧的第一密封件11失效了,但是同时间初始安装的内侧的第一密封件11仍然可以有效地发挥密封作用,大大延长了第一密封件11的使用寿命,彻底避免现有技术中只要密封件松弛就需要更换整个密封件的问题。然而,本发明对此不作限定。于其它实施例中,第一密封件11可以仅为一道,若第一密封件11松弛,则需要更换第一密封件11。
现有技术中,如果需要更换密封件,必须将整个海洋能发电装置从海里吊出水面,并且要拆除部分装置才能进行密封件的更换,耗费大量的人力物力,使得维修成本居高不下。然而,本实施例的海洋能发电装置,检修人员可以通过第二密封舱6进入到第一密封舱5内,直接在第一密封舱5内实现第一密封件11的拆除和更换,使得水下拆除或者更换密封件成为可能,大大降低了维修成本,促进了海洋能发电装置的商业化发展。并且水下拆除或者更换密封件方便快捷,无需拆除整个装置。
于本实施例中,密封系统还包括至少一道第三密封件18,位于至少一道第一密封件11靠近海水的一侧以抵挡泥沙。本实施例的海洋能发电装置采用了三道不同的密封件18,14,11。具体而言,桨叶轴套21采用过盈连接方式固定于桨叶轴(即桨叶2的根部)上。桨叶轴套21为第三密封件18的安装提供沿桨叶轴向的轴肩定位,并与压板22形成密封凹槽,用于固定第三密封件18。为方便第三密封件18顺利地安装在密封凹槽中,压板22采用对半(half)或多半结构,与桨叶轴套21采用螺栓连接。
最靠近海水的第三密封件18可为J型唇形密封圈,通过自身的弹性张力与桨叶轴套21之间形成过盈量,径向压紧接触密封,有效地阻止了海水中泥沙、杂质的侵入。唇形密封圈具有较好的活动性和适应性,较其他密封件具有小的公差配合,同时由于是径向密封,可以弥补旋转的桨叶轴轴心偏差的问题。优选地,设置至少两道第三密封件18构成安全冗余。优选地,第三密封件18采用复合高分子材料制得。本发明对第三密封件18的具体结构和安装方式不作限定。
于本实施例中,第二密封件14可为空气围带式检修气密封。第二密封件14固定于密封座23与内盖板24形成的密封腔体内,内盖板24上装有一定长度的充气管接头25,内盖板24通过螺栓固定于密封座23上。当海洋能发电装置正常工作时,第二密封件14密封唇部位与桨叶轴表面保持一定的空隙。当需要更换第一密封件11,即第二密封件14需要进行密封时,可通过外接压力气管,保持一定压力的气体使得空气围带唇部凸出,与桨叶轴的表面形成抱紧接触密封,有效防止海水渗漏进第一密封舱5内。优选地,第二密封件14采用复合高分子材料制得。
本发明对第二密封件14的具体结构和安装方式不作限定。于其他实施例中,第二密封件14可为金属密封,金属密封件可附接一个接力器,提供动力,带动金属密封沿桨叶轴的径向运动。另外可设置有位移反馈,使接力器的形成保持在误差允许的范围内。
于本实施例中,第一密封件11可为V型密封,固定于内盖板24和压盖26形成的密封腔体内,第一密封件11的内外径与桨叶轴表面和内盖板24表面形成过盈的径向挤压接触密封,保证了海水的零渗漏。压盖26可为对半(half)或多半结构,通过螺栓合成一体并可拆卸地固定在内盖板24上。在更换第一密封件11时,可将压盖26分半拆卸后,破坏拆除原来的第一密封件11,然后安装新的第一密封件,压盖26重新装回原位。这样第一密封件11更换简单,可以在整个发电机组不吊出水面和不拆卸零部件的情况下,不需要占用大量的工期,无需拆下桨叶即可维修更换。优选地,第一密封件11采用复合高分子材料制得。本发明对第一密封件11的具体结构和安装方式不作限定。
采用复合高分子材料制得的密封件,耐水解和耐海水腐蚀,具有较低的磨损损耗和优异的耐老化性;抗挤出能力强,降低了泥沙、杂质侵入第一密封舱的风险。并且可安装型强,密封尺寸不受限制,可剖分安装或现场热熔粘接安装。
连接水平轴水轮机的轮毂1和发电机3的主轴4(即传动轴)因为分别穿设在两个密封舱内,所以设于主轴和第二密封舱6的连接处的密封系统也面临类似的问题。于第二实施例中,海洋能发电装置包括还包括设置于主轴4上的密封系统10’。换言之,本发明提供的密封系统,既可以设置在桨叶2的根部,又可以设置在连接轮毂1和发电机3的主轴4上。设置于主轴4上的密封系统10’与设置于桨叶2根部的密封系统10相似。所有运用于第一实施例中密封系统10’的结构或部件,均可应用于密封系统10’上。
如图1和图4所示,密封系统10’包括至少一道第一密封件11’和漏水保护装置12’。漏水保护装置12’位于至少一道第一密封件11’远离海水的一侧,漏水保护装置12’包括密封的储水仓121’和排水管122’。密封的储水仓121’收集并储存从至少一道第一密封件11’处渗漏的海水。排水管122’的一端连通密封的储水仓121’,密封的储水仓121’储存的海水通过排水管122’排出。
本发明申请各实施例中的相关特征可以根据实际需要进行自由排列组合,这些均在本发明要保护的范围内。譬如,第二实施例中的海洋能发电装置也可具有第一实施例中的第二密封件14’。第二密封件14’位于至少一道第一密封件11’靠近海水的一侧(即图示左侧)。当需要对第一密封件11’进行更换时,至少一道第二密封件14’在海洋能发电装置正常工作时不进行密封,至少一道第一密封件11’在海洋能发电装置正常工作时发挥密封作用,当需要拆除或更换至少一道第一密封件11’时,至少一道第二密封件14’工作实现密封作用。第一密封件11’和第二密封件14’的类型可如第一实施例所示。
如果第一密封件11’为多道,可以直接拆除最外侧的第一密封件11’,然后将剩余的多道第一密封件11’往外侧(图示左侧)位移即可。彻底避免现有技术中只要密封件松弛就需要更换整个密封件的问题。然而,本发明对此不作限定。于其它实施例中,第一密封件11’可以仅为一道,若第一密封件11’松弛,则需要更换第一密封件11’。特别地,检修人员可以通过第二密封舱6进入到第一密封舱5内,直接实现水下拆除或者更换密封件。
本发明的密封系统可以设置在海洋能发电装置任何需要密封的地方,这个均在本发明申请的保护范围内。如果仅仅在主轴4上设置密封系统10’而不在桨叶2的根部设置密封系统10,也在本发明申请所要保护的范围内。虽然图1中同时绘出了设置于桨叶2根部的密封系统10和设置在主轴4上的密封系统10’,但是这两个密封系统可以独立存在。即海洋能发电装置可仅具有设置于桨叶2根部的密封系统10或仅具有设置在主轴4上的密封系统10’。
综上所述,本发明实施例的密封系统10设置于桨叶2的根部,能够将轮毂1与外部海水形成隔绝,有效地阻止了含泥沙、杂质的海水渗漏进轮毂1内部,真正实现零渗漏,从而保障了发电机组在各工况下能够顺利地开桨和顺桨,实现机组安全稳定运行。同样地,本发明实施例的密封系统10’设置于主轴4上,能够将第二密封舱6内的电子元器件(例如发电机3)和海水形成隔绝,有效地阻止了含泥沙、杂质的海水渗漏进第二密封舱6的内部,实现零渗漏。
对于海洋能发电装置能否长时间稳定有效发电来说,密封问题是一个至关重要的问题,但又是很容易让本领域技术人员忽略的一个问题。由于现有技术中不会考虑到检修人员进入到水下直接进行检修,从来没考虑过在水下更换密封件的问题。特别地,现有的密封结构最多使用五年,换言之,五年是无论如何就必须将整个发电机组吊出海面进行更换密封件。更不用说实务中由于海洋复杂的环境,密封件根本用不到五年。现有技术中如果需要更换密封件,则需要先将整个海洋能发电装置吊出水面,然后对水平轴水轮机轮毂和桨叶部分进行大部分零部件的拆除,才能真正实现密封件的更换。于一实施例中,本发明可以在发电机组不吊出水面和不拆卸轮毂零部件的情况下,实现密封件的人工水下更换,维护较方便且省时,并延长了整个机组的使用寿命。
特别地,本发明可以将密封系统设置为多道密封,确保零渗漏。其次,即便外侧的第一密封件由于长久使用密封性下降或者失效,此时启动第二密封件(譬如充气密封),隔绝外部的海水,使得海洋能发电装置的密封件实现可以更换的可能。于一实施例中,检修人员可以进入第二密封舱并随后进入到第一密封舱内,对已经失效的第一密封件进行移除或更换。通过这种设置,使得直接更换密封件成为可能,也避免了现有技术中必须将整个海洋能发电装置吊出海面才能对密封件进行拆除或更换的弊端。直接在水下进行检修,海洋能发电装置可以长时间在水下运行,而不需要花费大量人力物力吊出海面进行检修。大大降低了现有检修方法的检修成本,提高了检修效率,使得海洋能发电装置能够真正得到商业化运用。并且检修人员全部在装置内部检修密封件,检修操作方便。
虽然本发明已由较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明,任何熟知此技艺者,在不脱离本发明的精神和范围内,可作些许的更动与润饰,因此本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。