水輪機及其水導軸承的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種水輪機的水導軸承，包括軸承本體；軸承本體的端部連接有磁流體密封裝置，磁流體密封裝置包括電磁裝置和套設(shè)于水輪機的大軸外且具有導磁性的襯套，電磁裝置包括套設(shè)于襯套外的磁環(huán)，磁環(huán)上繞有電磁線圈，磁環(huán)的兩端分別設(shè)置有環(huán)狀的磁極，磁極的內(nèi)端面與襯套間設(shè)置有間隙，間隙內(nèi)吸附有油基納米Fe3O4磁液。應用本實用新型提供的水輪機的水導軸承，實現(xiàn)了與大軸的接觸密封，進而無端部漏油、改善生態(tài)環(huán)境；減少油量損失，確保冷卻效果，穩(wěn)定瓦溫；阻止沿大軸爬水或來自主軸密封的刺水進入水導軸承，保證潤滑油質(zhì)量，降低運行成本，提高了發(fā)電量。本實用新型還公開了一種包括上述水導軸承的水輪機。
【專利說明】
水輪機及其水導軸承
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及水利發(fā)電設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種水輪機的水導軸承，還涉及一種包括上述水導軸承的水輪機。
【背景技術(shù)】
[0002 ]水輪機，即把水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能的動力機械。水導軸承是水輪機的重要組成部分，用于支撐高速旋轉(zhuǎn)的大軸，大軸與水導軸承間充滿不斷循環(huán)的稀油，以冷卻、潤滑大軸。
[0003]請參閱圖1，圖1為現(xiàn)有技術(shù)中常見的水導運行結(jié)構(gòu)示意圖。輪葉06在充滿水的水輪機流道OI中帶動大軸旋轉(zhuǎn)，水輪機主軸密封05的作用是防止流道中水流入密閉空間02，水輪機水導軸承03內(nèi)充滿著潤滑油，水輪機主軸密封05、水輪機水導軸承03均與大軸04之間存在轉(zhuǎn)動間隙。
[0004]在水輪機運行過程中，由于輪轂及輪葉的轉(zhuǎn)動慣量較大，水力激勵引起的振動較大，以及大軸04與水導軸承03等機械配合不好造成的振動等造成的大軸跳動或安裝不正造成間隙變化，都會引起水導軸承03漏油，而滲漏油通過與大軸的間隙流到滲漏集水井直接排到江河流域，會對水質(zhì)直接造成污染。且在大軸高速旋轉(zhuǎn)的同時，帶動空氣通過轉(zhuǎn)動間隙進入潤滑油中也做高速運動，并且形成油氣泡，從而，油隨氣就可能從油盆蓋與擋油環(huán)之間的間隙中甩出，同時水也極有可能沿大軸進入水導中，形成油混水現(xiàn)象。油隨水流通過電站排水系統(tǒng)排放到河流中，造成水污染，破壞生態(tài)環(huán)境;且油量減少，使軸瓦冷卻及潤滑效果減小，使得水導軸承的溫度升高而造成燒瓦事故;甩油或油混水會極大的消耗用油量，增加了運行成本。
[0005]同時，水輪機主軸密封05，一般采用斷面密封、徑向密封、混合密封，而在含沙水流/海水腐蝕運行時，主軸密封05磨損非常嚴重，故水輪機主軸密封漏水問題普遍存在，而受結(jié)構(gòu)限制，水導軸承03與水輪機主軸密封05之間距離非常近，大約1mm左右，水輪機主軸密封05漏水往往沿大軸4爬行或沖擊到水導軸承03，造成油系統(tǒng)污染，經(jīng)過循環(huán)運行，從低位油箱到高位油箱，到水導軸承整個油會乳化，造成水導冷卻潤滑失效而導致燒瓦，使系統(tǒng)大量的潤滑油廢棄。且需要停止機組運行進行處理，造成大量水資源的浪費，減少了發(fā)電量。
[0006]綜上所述，如何有效地解決水輪機水導軸承易產(chǎn)生甩油現(xiàn)象、易發(fā)生沿大軸爬水造成油系統(tǒng)污染及由此引起的環(huán)境污染、水資源浪費、發(fā)電量減少等問題，是目前本領(lǐng)域技術(shù)人員急需解決的問題。
【實用新型內(nèi)容】
[0007]有鑒于此，本實用新型的第一個目的在于提供一種水輪機的水導軸承，該水輪機的水導軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以有效地解決水輪機水導軸承易產(chǎn)生甩油現(xiàn)象、易發(fā)生沿大軸爬水造成油系統(tǒng)污染及由此引起的環(huán)境污染、水資源浪費、發(fā)電量減少的問題，本實用新型的第二個目的是提供一種包括上述水導軸承的水輪機。
[0008]為了達到上述第一個目的，本實用新型提供如下技術(shù)方案:
[0009]—種水輪機的水導軸承，包括軸承本體;所述軸承本體的端部連接有磁流體密封裝置，所述磁流體密封裝置包括電磁裝置和套設(shè)于水輪機的大軸外且具有導磁性的襯套，所述電磁裝置包括用于套設(shè)于所述襯套外的磁環(huán)，所述磁環(huán)上繞有電磁線圈，所述磁環(huán)的兩端分別設(shè)置有環(huán)狀的磁極，所述磁極的內(nèi)端面與所述襯套間設(shè)置有間隙，所述間隙內(nèi)吸附有油基納米Fe3O4磁液。
[0010]優(yōu)選地，上述水輪機的水導軸承中，所述磁極的內(nèi)端面呈齒狀。
[0011]優(yōu)選地，上述水輪機的水導軸承中，所述磁極的軸向截面上包括多個齒形，且多個所述齒形均為雙側(cè)斜角齒形。
[0012]優(yōu)選地，上述水輪機的水導軸承中，所述磁極的磁極高度范圍為I毫米-1.5毫米，磁極角范圍為40度-50度，磁極間隙范圍為0.05毫米-0.2毫米，磁極偏距范圍為0.04毫米-
0.05暈米。
[0013]優(yōu)選地，上述水輪機的水導軸承中，所述襯套在軸向上的截面呈梯形。
[0014]優(yōu)選地，上述水輪機的水導軸承中，還包括罩設(shè)于所述磁流體密封裝置外的支撐端蓋，所述支撐端蓋與所述軸承本體密封固定連接，且所述支撐端蓋為非導磁端蓋。
[0015]優(yōu)選地，上述水輪機的水導軸承中，所述支撐端蓋上設(shè)置有排氣孔。
[0016]本實用新型提供的水輪機的水導軸承包括軸承本體和磁流體密封裝置。其中，磁流體密封裝置包括電磁裝置和襯套，襯套套設(shè)于水輪機的大軸外且具有導磁性；電磁裝置包括磁環(huán)，磁環(huán)上繞有電磁線圈，進而在電磁線圈通電時產(chǎn)生磁場，磁環(huán)的兩端分別設(shè)置有磁極，磁極呈環(huán)狀且套設(shè)于襯套外，磁極的內(nèi)端面也就是中空部分的端面與襯套之間設(shè)置有間隙，間隙內(nèi)填充有油基納米Fe3O4磁液。
[0017]應用本實用新型提供的水輪機的水導軸承時，磁環(huán)、磁極和具有導磁性的襯套構(gòu)成閉合磁回路，利用電磁裝置的電磁線圈通電產(chǎn)生的磁能，在襯套與磁極之間的間隙內(nèi)產(chǎn)生強磁場，由于納米磁性微粒具有被磁控的特性，油基納米Fe3O4磁液被緊緊吸在密封間隙內(nèi)，形成磁性液體“O”型密封環(huán)，將間隙鎖住，從而達到密封效果，實現(xiàn)了與大軸的接觸密封，阻止了水導軸承的油外流，以及外面的水流入水導軸承。進而無端部漏油、改善了生態(tài)環(huán)境;減少了油量損失，確保冷卻效果，穩(wěn)定瓦溫;阻止沿大軸爬水或來自主軸密封的刺水進入水導軸承，保證了潤滑油質(zhì)量，降低了運行成本，提高了發(fā)電量。
[0018]同時，采用電磁裝置，通過改變電流大小以改變磁場強度，即實現(xiàn)磁力可調(diào)，增加了磁環(huán)的磁場強度，進而可以根據(jù)環(huán)境變化調(diào)節(jié)密封能力以達到最優(yōu)的密封效果。同時，該油基納米Fe3O4磁液是一種具有軟磁性固液相混的懸浮狀膠體，具有較大的磁化強度，可以實現(xiàn)無間隙、零泄漏密封，密封壓力可達0.35-0.27MPa，密封效果好。
[0019]在另一種優(yōu)選的實施方式中，本實用新型提供的水導軸承其磁極的內(nèi)端面呈齒狀，即為齒形磁極。磁極采用多級齒形結(jié)構(gòu)，能夠獲得較大耐壓能力，且實現(xiàn)多級密封，進一步提高密封效果。
[0020]為了達到上述第二個目的，本實用新型還提供了一種水輪機，該水輪機包括上述任一種水導軸承。由于上述水導軸承具有上述技術(shù)效果，具有該水導軸承的水輪機也應具有相應的技術(shù)效果。
【附圖說明】
[0021]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0022]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中常見的水導運行結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為本實用新型提供的水輪機的水導軸承一種【具體實施方式】的工作狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3為圖2中水導軸承的局部放大結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4為圖3中的多級齒形磁極結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]附圖中標記如下:
[0027]軸承本體I，襯套2，磁環(huán)3，電磁線圈4，磁極5，油基納米Fe3O4磁液6，支撐端蓋7，排氣孔8，大軸9，輪葉10，輪轂11，主軸密封12，水導軸承接油盒13，水導潤滑油排油管14，水導軸承供油管15，水導軸承內(nèi)部供油支管16，高位油箱17，油箱供油進口閥18，油箱供油管19，油箱供油出口閥20，油箱供油單向閥21，供油栗22，低位油箱23。
【具體實施方式】
[0028]本實用新型實施例公開了一種水輪機的水導軸承，以避免甩油、沿大軸爬水，及由此造成的油系統(tǒng)污染，進而減少環(huán)境污染，節(jié)約水資源、提高發(fā)電量。
[0029]下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0030]請參閱圖2-圖4，圖2為本實用新型提供的水輪機的水導軸承一種【具體實施方式】的工作狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2中水導軸承的局部放大結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖3中的多級齒形磁極結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]在一種【具體實施方式】中，本實用新型提供的水導軸承包括軸承本體I和磁流體密封裝置。
[0032]其中，軸承本體I的結(jié)構(gòu)可參考現(xiàn)有技術(shù)，此處不贅述。
[0033]磁流體密封裝置連接于軸承本體I的一端，水導軸承安裝狀態(tài)下磁流體密封裝置位于靠近水輪機的輪葉10的一端。磁流體密封裝置包括電磁裝置和襯套2。襯套2用于套設(shè)在水輪機的大軸9外，且襯套2具有導磁性，一般的襯套2與大軸9密封固定連接。當然在大軸9即為導磁性材料的情況下，也可以不額外設(shè)置襯套2，即襯套2為大軸9的組成部分。但為提高水導軸承的通用性，一般設(shè)置具有導磁性的襯套2。
[0034]電磁裝置用于提供磁場并與襯套2形成磁性回路，包括磁環(huán)3、磁極5和電磁線圈4。磁環(huán)3套設(shè)于襯套2外，一般與襯套2間設(shè)置有間隙。磁環(huán)3上繞有電磁線圈4，進而在電磁線圈4通電時產(chǎn)生磁場，電磁線圈4的繞法根據(jù)磁場方向需求進行設(shè)置，具體原理請參考現(xiàn)有技術(shù)。磁環(huán)3的兩端分別設(shè)置有磁極5，磁極5即具有導磁性的磁體，磁極5呈環(huán)狀且套設(shè)于襯套2外。電磁線圈4通電時產(chǎn)生磁場，并在磁環(huán)3、磁極5和襯套2間形成閉合磁回路，具體的磁性回路的方向需根據(jù)電流方向等確定。磁極5的內(nèi)端面也就是中空部分的端面與襯套2之間設(shè)置有間隙，間隙內(nèi)填充有油基納米Fe3O4磁液6。
[0035]采用上述水導軸承時，磁環(huán)3、磁極5和具有導磁性的襯套2構(gòu)成閉合磁回路，利用電磁裝置的電磁線圈4通電產(chǎn)生的磁能，在襯套2與磁極5之間的間隙內(nèi)產(chǎn)生強磁場，將油基納米Fe3O4磁液6緊緊吸在密封間隙內(nèi)，形成磁性液體“O”型密封環(huán)，將間隙鎖住，從而達到密封效果，實現(xiàn)了與大軸9的接觸密封，阻止了水導軸承的油外流，以及外面的水流入水導軸承。進而無端部漏油、改善了生態(tài)環(huán)境;減少了油量損失，確保冷卻效果，穩(wěn)定瓦溫;阻止沿大軸9爬水或來自主軸密封12的刺水進入水導軸承，保證了潤滑油質(zhì)量，降低了運行成本，提高了發(fā)電量。同時，采用電磁裝置，通過改變電流大小以改變磁場強度，即實現(xiàn)磁力可調(diào)，增加了磁環(huán)3的磁場強度，進而可以根據(jù)環(huán)境變化調(diào)節(jié)密封能力以達到最優(yōu)的密封效果。
[0036]進一步地，磁極5的內(nèi)端面呈齒狀。也就是磁極5與襯套2相對的端面呈齒狀。通過齒形的設(shè)置，使得油基納米Fe3O4磁液6聚集在齒形與襯套2之間，一方面相較于平面與平面間填充油基納米Fe3O4磁液6，通過齒形設(shè)置增大了油基納米Fe3O4磁液6與磁極5的接觸面積，提高密封效果，同時齒形的設(shè)置有效的提高了磁極5耐壓能力，進而提高了磁流體密封裝置的可靠性。
[0037]更進一步地，磁極5的軸向截面上包括多個齒形，且多個所述齒形均為雙側(cè)斜角齒形。請參閱圖4，圖4為圖3中的多級齒形磁極結(jié)構(gòu)示意圖。需要說明的是，此處的齒形指向外突出的一個結(jié)構(gòu)即為一個齒形，圖中磁極5具有四個齒形。齒形為雙側(cè)斜角齒形即一個齒形的兩邊均為斜邊，因而相鄰的兩個齒形間形成的V形空隙。磁極5采用多級齒形磁極，油基納米Fe3O4磁液6填充時能夠填充至齒形的空隙間，因而形成多級密封。如圖4所示可形成3級密封，密封效果更好。當然，根據(jù)需要齒形的個數(shù)可以根據(jù)具體需要進行設(shè)置，此處不做具體限定。磁極5—般采用鐵磁性材料，襯套2具體可以采用45鋼。
[0038]具體的，對于雙側(cè)斜角齒形而言，可以對其結(jié)構(gòu)進行進一步限定以獲得最優(yōu)的密封效果。齒形磁極5的磁極高度范圍可以為I毫米-1.5毫米，磁極角范圍可以為40度-50度，磁極間隙范圍可以為0.05毫米-0.2毫米，磁極偏距范圍可以為0.04毫米-0.05毫米。當然，對于確定的某一齒形而言，其上述各參數(shù)均為一確定的值，且該值在上述數(shù)值范圍內(nèi)。請參閱圖4，磁極高度指圖中h所示的齒形的高度，磁極角指圖中a所示的相臨的兩個齒形相對的兩個斜面間的夾角，磁極寬度指圖中w所示的連接齒形兩個斜面的端面的寬度，磁極間隙指圖中g(shù)所示的磁極5的內(nèi)端面與襯套2之間間隙的寬度，磁極偏距指圖中V所示的齒形的斜面在齒形的端面上投影的寬度。一般的，磁極5的外徑可以設(shè)置為48mm，當然，根據(jù)具體需要也可以對上述數(shù)值進行適當?shù)恼{(diào)整。
[0039]襯套2的形狀具體可以設(shè)置為在軸向上的截面呈梯形，也就是襯套2的與磁極5相對的表面其寬度小于襯套2的套設(shè)于大軸9的表面的寬度，即外表面寬度小于內(nèi)表面寬度。進而在水導軸承安裝于大軸9上時，一方面能夠與大軸9良好的配合，且端部的斜面對水流的沖擊有很好的緩沖作用，進一步提高密封效果。
[0040]在上述各實施例的基礎(chǔ)上，油基納米Fe3O4磁液6具體包括納米米Fe3O4磁性微粒、表面活性劑和油基的懸浮狀膠體。也就是由納米Fe3O4粒子、載液以及分散劑(表面活性劑)等主要成分組合而成納米Fe3O4磁液，利用Fe3O4納米微?？杀淮趴氐奶匦裕畬лS承磁部件利用環(huán)狀磁極5在大軸9產(chǎn)生環(huán)狀的磁場分布，從而可將納米Fe3O4液體約束在磁場之中而形成磁性液體的“O”形環(huán)。同時，膠狀油基納米Fe3O4磁液，使其能在磁部件裝置中固定，且抗壓性好、耐溫程度高，均能達到水輪機的要求。
[0041]在上述各實施例的基礎(chǔ)上，還包括罩設(shè)于磁流體密封裝置外的支撐端蓋7，支撐端蓋7與軸承本體I密封固定連接，且支撐端蓋7為非導磁端蓋。支撐端蓋7主要用于支撐電磁裝置等結(jié)構(gòu)，且便于電磁裝置與軸承本體I的連接。具體的支撐端蓋7可以為環(huán)狀的罩殼，罩殼的一端與軸承本體I連接，具體可以為可拆卸的固定連接，如螺栓連接等，以便于磁流體密封裝置與軸承本體I的拆裝，進而在磁流體密封裝置出現(xiàn)故障等情況下，能夠方便的將磁流體密封裝置拆卸進行維修或更換。罩殼的另一端卡設(shè)于磁極5外，對磁極5、磁環(huán)3及電磁線圈4等結(jié)構(gòu)起到保護作用。
[0042]進一步地，支撐端蓋7上設(shè)置有排氣孔8，以便于內(nèi)部氣體排出。排氣孔8的結(jié)構(gòu)及大小等可以不做具體限定，根據(jù)實際需要進行設(shè)置即可。應用該水導軸承，其端部連接有磁流體密封裝置，磁流體密封裝置通過油基納米Fe3O4磁液的密封作用，防止水導軸承油基納米Fe3O4磁液磁流體密封裝置支撐端蓋7漏油問題，解決了從內(nèi)向外漏油問題，同時，阻止水輪機磁流體密封裝置的水沿大軸9爬行到水導軸承油基納米Fe3O4磁液磁流體密封裝置支撐端蓋7內(nèi)部，解決了水從外向里噴射流入問題。
[0043]基于上述實施例中提供的水導軸承，本實用新型還提供了一種水輪機，該水輪機包括上述實施例中任意一種水導軸承。由于該水輪機采用了上述實施例中的水導軸承，所以該水輪機的有益效果請參考上述實施例。
[0044]水輪機的其他結(jié)構(gòu)主要包括水輪機輪轂11、輪葉10，大軸9在流道水流作用下旋轉(zhuǎn)，水輪機主軸密封12將流道及轉(zhuǎn)輪室中的水封住，防止水流進入封閉空間，但往往運行一段時間后會從間隙刺水。水輪機水導軸承主體部分為靜止部件，用于對大軸9起支撐作用，且通過磁流體密封裝置的設(shè)置能夠與大軸9接觸密封。為了防止干摩擦，導致軸承與大軸9碰摩，必須采用稀油潤滑的方式進行潤滑冷卻。潤滑油系統(tǒng)采用自循環(huán)方式，潤滑油自低位油箱23通過供油栗22，通過油箱供油單向閥21，油箱供油出口閥20，油箱供油管19，油箱供油進口閥18，供油至高位油箱17，潤滑油自高位油箱17，通過水導軸承供油管15、水導軸承內(nèi)部供油支管16為水導軸承供油，再通過水導軸承排油管，將油循環(huán)排至低位油箱23，另夕卜，從水導軸承接油盒13端的漏油，自水導軸承接油盒13通過水導潤滑油排油管14回收到低位油箱23。
[0045]本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。
[0046]對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本實用新型。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本實用新型的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本實用新型將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
【主權(quán)項】
1.一種水輪機的水導軸承，包括軸承本體(I);其特征在于，所述軸承本體(I)的端部連接有磁流體密封裝置，所述磁流體密封裝置包括電磁裝置和用于套設(shè)于水輪機的大軸(9)外且具有導磁性的襯套(2)，所述電磁裝置包括套設(shè)于所述襯套(2)外的磁環(huán)(3)，所述磁環(huán)(3)上繞有電磁線圈(4)，所述磁環(huán)(3)的兩端分別設(shè)置有環(huán)狀的磁極(5)，所述磁極(5)的內(nèi)端面與所述襯套⑵間設(shè)置有間隙，所述間隙內(nèi)吸附有油基納米Fe3O4磁液(6)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水輪機的水導軸承，其特征在于，所述磁極(5)的內(nèi)端面呈齒狀。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水輪機的水導軸承，其特征在于，所述磁極(5)的軸向截面上包括多個齒形，且多個所述齒形均為雙側(cè)斜角齒形。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水輪機的水導軸承，其特征在于，所述磁極(5)的磁極高度范圍為I毫米-1.5毫米，磁極角范圍為40度-50度，磁極間隙范圍為0.05毫米-0.2毫米，磁極偏距范圍為0.04毫米-0.05毫米。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的水輪機的水導軸承，其特征在于，還包括罩設(shè)于所述磁流體密封裝置外的支撐端蓋(7)，所述支撐端蓋(7)與所述軸承本體(I)密封固定連接，且所述支撐端蓋(7)為非導磁端蓋。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水輪機的水導軸承，其特征在于，所述支撐端蓋(7)上設(shè)置有排氣孔(8)。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水輪機的水導軸承，其特征在于，所述襯套(2)在軸向上的截面呈梯形。8.—種水輪機，其特征在于，包括如權(quán)利要求1-7任一項所述的水導軸承，所述水導軸承的襯套(2)套設(shè)于大軸(9)外且與所述大軸(9)密封固定連接。
【文檔編號】F03B11/06GK205423038SQ201620228898
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月23日
【發(fā)明人】李正貴, 劉小兵, 宋文武, 楊逢瑜, 伍迪, 文海罡, 呂文娟
【申請人】西華大學