УПЛОТНЯЮЩАЯ СИСТЕМА ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2002 года по МПК F03B3/06 F03B11/00 

Область изобретения
Изобретение относится к уплотняющей системе гидравлической машины, которая содержит рабочее колесо или ротор с корпусом ступицы, а также лопатки или лопасти, установленные в подшипниках, смазываемых маслом, установленных в корпусе ступицы с возможностью вращения, а именно к уплотняющей системе, содержащей уплотняющие средства, расположенные между подшипниками и окружающей водой.

Настоящее изобретение направлено на усовершенствование поворотно-лопастной гидротурбины, в особенности поворотно-лопастной гидротурбины, оснащенной совершенно новой системой смазки подшипников рабочего колеса, однако оно может быть использовано и в других гидравлических машинах вышеуказанного типа, например в корабельных гребных винтах с регулируемым углом поворота лопастей.

Уровень техники
Как правило, камера ступицы поворотно-лопастной турбины заполнена маслом. В первую очередь масло используют для смазки подшипников лопастей рабочего колеса. Кроме того, масло служит для надлежащей защиты от коррозии полости ступицы и обеспечения возможности обнаружения попадания воды в ступицу. Для предотвращения попадания воды в ступицу, которое не может быть полностью исключено в известных ступицах, корпус ступицы полностью заполнен маслом, находящимся под повышенным давлением. В этом случае, однако, возможна утечка масла. По сути дела, утечка масла из поворотно-лопастной турбины происходит настолько часто, что это создает значительные проблемы с точки зрения загрязнения окружающей среды вследствие того, что вытекающее масло загрязняет реку, на которой установлена турбина. Более того, может произойти авария, при которой все масло выйдет из ступицы, что может причинить сильный вред реке. В то же время создание повышенного давления в корпусе ступицы не является гарантией от поступления воды в ступицу.

Из монографии Ковалева Н.Н. (Гидротурбины, издание 2-е, "Машиностроение", Ленинград, 1971) известна уплотняющая система гидравлической машины, содержащей колесо или ротор с корпусом ступицы, а также лопатки или лопасти, установленные в подшипниках, смазываемых маслом, установленных в корпусе ступицы с возможностью вращения. Система содержит уплотняющие средства, расположенные между подшипниками и окружающей водой.

Из SU 817295 А, F 03 В 11/0 известна уплотняющая система лопасти рабочего колеса поворотно-лопастной гидромашины. Она содержит первый круговой уплотняющий элемент и второй круговой уплотняющий элемент, расположенный с внутренней стороны первого уплотняющего элемента. Между первым и вторым уплотняющими элементами имеется круговая полость, через канал сообщающаяся с уплотняющей средой, давление которой выше чем давление масла в подшипниках. Вышеуказанная уплотняющая система является ближайшим аналогом настоящего изобретения по совокупности существенных признаков. Однако, хотя она и решает задачу уплотнения лопасти рабочего колеса, но требует для этого специального источника уплотняющей среды.

Краткое описание изобретения
Задачей данного изобретения является создание усовершенствованной уплотняющей системы, сводящей к минимуму риск загрязнения окружающей среды. Отвечающая условиям поставленной задачи уплотняющая система гидравлической машины, содержащей рабочее колесо или ротор с корпусом ступицы, а также лопатки или лопасти, установленные в подшипниках, смазываемых маслом, установленных в корпусе ступицы с возможностью вращения, содержит уплотняющие средства, расположенные между подшипниками и окружающей водой. Уплотняющие средства содержат первый круговой уплотняющий элемент и второй круговой уплотняющий элемент, расположенный с внутренней стороны от первого уплотняющего элемента, а между первым и вторым уплотняющими элементами имеется круговая полость, в которую проходит канал. Существенным отличием данной уплотняющей системы является то, что через канал указанная круговая полость сообщается с окружающей водой на стороне высокого давления лопастей рабочего колеса или аналогичных частей, так что давление жидкости, находящейся в круговой полости, равно давлению воды на стороне высокого давления. При этом техническим результатом, получаемым при осуществлении данной системы, является предотвращение утечки масла из гидравлической машины без использования дополнительных средств для создания повышенного давления уплотняющей среды.

Изобретение направлено на усовершенствование поворотно-лопастной гидротурбины, оснащенной совершенно новой системой смазки, которая описана ниже и которая характеризуется тем, что давление в корпусе ступицы отличается от атмосферного давления. Предлагаемая уплотняющая система особенно эффективна в сочетании с гидравлическими машинами, оснащенными этой новой системой смазки, но она может быть также использована в обычных гидравлических машинах, в которых корпус ступицы полностью заполнен маслом, находящимся под повышенным давлением.

Эта и другие цели могут быть достигнуты благодаря отличительным признакам изобретения, изложенным в отличительной части первого пункта формулы изобретения.

Другие отличительные признаки и аспекты настоящего изобретения вытекают из независимых пунктов формулы изобретения и приведенного ниже описания предпочтительного варианта выполнения изобретения.

Краткое описание чертежей
Ниже приведено описание предпочтительного варианта выполнения настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает продольный разрез рабочего колеса поворотно-лопастной турбины, конструкция которой сама по себе известна и в которой использовано настоящее изобретение, причем отличительные части изобретения изображены схематично;
фиг. 2 изображает поперечное сечение рабочего колеса, выполненное по линии II-II на фиг.1;
фиг. 3 изображает в увеличенном масштабе частичный вид III, выделенный рамкой на фиг.1, иллюстрирующий систему для предотвращения поступления воды в ступицу; и
фиг.4 изображает вид вдоль линии IV-IV на фиг.1.

На чертежах показаны только те подробности конструкции, которые требуются для понимания сущности изобретения, в то время как остальные подробности опущены. Например, лопасти рабочего колеса на фиг.1 для наглядности не показаны.

Подробное описание изобретения
На фиг.1 изображен корпус 1 ступицы, прикрепленный к фланцу 13 вала турбины. Внутренняя полость ступицы, которая в настоящем описании названа камерой 2 корпуса ступицы, включает нижнюю часть 3, расположенную в носовой части турбины и названную в настоящем описании сухим отстойником. Турбина снабжена лопастями 4 рабочего колеса (см. фиг.4), каждая из которых имеет фланец 5, прикрепленный к цапфе 6 винтовыми соединениями. Цапфа лопасти установлена с возможностью поворота в корпусе 1 ступицы на внутреннем и внешнем подшипниках, соответственно 7 и 8. Цапфы 6 и, соответственно, лопасти 4 установлены с возможностью изменения угла их поворота посредством их вращения в подшипниках 7 и 8 способом, который сам по себе известен, посредством привода, содержащего поршень 9 сервомотора, шток 10 поршня, установленного с возможностью вертикального перемещения в корпусе 1 ступицы, крестовину 11 и рычажный механизм 12. Для перемещения поршня 9 имеются гидравлические камеры 14 и 15. Через поршень 9, шток 10 и крестовину 11 проходит осевой канал 16 с трубой 17.

Вышеописанные элементы относятся к известным техническим решениям и более подробно здесь не описаны. То же относится к поршню 9, перемещение которого осуществляется путем подачи гидравлических жидкостей в гидравлические камеры 14 и 15.

В соответствии с настоящим изобретением камера 2 ступицы через трубу 17 в канале 16 сообщается с атмосферой, имеющей давление Р3. Кроме того, имеются объемный гидравлический мотор 18 и объемный гидравлический насос 19, приводимый в действие этим гидравлическим мотором, расположенные в отстойнике 3. Мотор 18 приводится в действие от источника повышенного давления (не показан), являющегося частью блока 49, через первый трубопровод 20, шарнирное соединение 21, второй трубопровод 22, проходящий вниз через трубу 17 в отстойник 3, рукав 23 и присоединительный трубопровод 24. Трубопровод 25, рукав 26 и трубопровод 27 ведут от гидромотора 18 к трубопроводу 28 в крестовине 11 и штоке 10. Трубопровод 28 ведет в закрытую круговую полость 31 у внешней поверхности штока 10 поршня между цапфами 6 и штоком 10. Далее через каждую цапфу 6 лопасти от полости 32 до подшипника 8 проходит трубопровод 30.

Камера 2 содержит масло 35, количество которого не превышает того, что при вращении рабочего колеса прижато к стенке корпуса 1 ступицы и по существу заполняет объем, имеющий в осевом сечении форму чаши (см. фиг.1), между цапфами 6 лопастей (см. фиг.2). Когда вал турбины находится в вертикальном положении внутренняя поверхность 36 объема 35 масла под действием силы тяжести не является строго вертикальной, а слегка наклонена вниз и внутрь (см. фиг.1), так что небольшой объем 35А масла с внутренней поверхностью 36А простирается и в отстойник 3. В этой зоне расположен всасывающий трубопровод 37, ведущий от объема 35А к насосу 19. От насоса 19 отходит трубопровод 38, затем рукав 39 и возвратный трубопровод 41 ведут к шарнирному соединению 21, от которого возвратный трубопровод 42 ведет в маслосборное корыто (не показано) или к соответствующему блоку 49.

Электромагнитный клапан 45 в подающем трубопроводе 20 выполнен с предотвращением его открытия до достижения рабочим колесом турбины скорости вращения, близкой к номинальной (по меньшей мере 90% номинальной скорости вращения), причем в трубопроводе 20 установлен еще клапан 46, обеспечивающий постоянный расход. В трубопроводе 42 имеется регулятор 47 потока и бак 48 для обнаружения и/или отделения и выведения воды вместе с загрязненным маслом. Кроме того, для обработки воды, загрязненной маслом, возможно использование сепаратора 50. Очищенное масло из сепаратора 50 может быть возвращено в бак 48. Блок 49 содержит, кроме прочего, источник повышенного давления и маслосборное корыто.

Описанная система работает следующим образом. После пуска происходит заполнение турбины некоторым количеством масла, поступающим в камеру 2, например, по трубе 17. При нормальной работе масло поступает из источника повышенного давления (не показан) в блоке 49 по трубопроводу 20 через шарнирное соединение 21 и трубопроводы 22, 23 и 24 в гидромотор 18, приводящий в действие насос 19. Из гидромотора 18 масло поступает по трубопроводам 25, 26 и 27 в трубопровод 28 и через отверстие в штоке 10 поршня в полость 31. Масло смазывает подшипники 7 и проходит через них, после чего разбрызгивается в камере 2, где оно смазывает различные части ступицы, прежде чем достигает подшипников 8 и смазывает их.

В рычажном же механизме 12 целесообразно использовать самосмазывающиеся подшипники. Далее масло поступает из полости 31 по каналам 30 в подшипники 8 для того, чтобы обеспечить их смазку. Благодаря вращению рабочего колеса происходит выдавливание масла из подшипников 7 и 8 далее в направлении скругленной стенки корпуса 1 ступицы и заполнение этим маслом указанной чашеобразной области. Этот объем 35 масла соответствует только небольшой части общего объема камеры 2, например менее 10%. Объем 35 масла удерживают в камере 2 постоянным вследствие того, что из части 35А объема масла, простирающейся вниз в отстойник 3, происходит отсасывание масла насосом 19 по трубопроводу 37 и далее по трубопроводам 38, 39, 40, 41, через шарнирное соединение 21 и трубопровод 42. Производительность насоса 19 превышает производительность гидромотора 18, благодаря чему уровень 36А масла и объем 35 масла поддерживаются постоянными. Расход масла поддерживается постоянным посредством клапана 46 и отслеживается посредством регулятора 47, что обусловливает выявление неполадок в работе и возможность привлечения к ним внимания обслуживающего персонала.

Возможно обнаружение в баке 48 воды в масле, которая при необходимости может быть удалена в сепараторе 50 прежде, чем масло будет возвращено в бак 48 или непосредственно в блок 49. Если вода попадет в систему, то в любое удобное, заранее запланированное время могут быть приняты меры для предотвращения продолжения поступления воды, например замена уплотняющих колец. В этой связи следует также отметить, что обнаружение воды в предлагаемой системе облегчено тем, что происходит непрерывная циркуляция смазочного масла по замкнутому контуру внутри системы, а общее количество смазочного масла в системе сравнительно мало. Далее следует отметить, что масло, которое в случае утечки может попасть в камеру 2 корпуса ступицы из гидравлической камеры 14 или 15, будет использовано в системе и добавлено к циркулирующему маслу.

При вращении рабочего колеса, которое может вызывать появление центробежной силы, действующей на объем 35 масла с перегрузкой, например, 20 g, масло прижато с некоторой силой к подшипникам 8, но в других отношениях масло в камере 2 не подвержено действию какого-либо избыточного давления. Таким образом, давление, действующее на объем 35 масла, как правило, ниже, чем давление окружающей воды, что значительно снижает риск утечки масла в окружающую воду.

Несмотря на то, что риск утечки масла в окружающую воду весьма мал вследствие отсутствия избыточного давления, действующего на масло в камере корпуса ступицы, этот риск может быть еще уменьшен путем обеспечения качественного уплотнения между подшипником 8 и окружающей водой. На фиг.3 изображена такая уплотняющая система, содержащая внешнее и внутреннее уплотняющие кольца, соответственно 60 и 61, изготовленные из резины или другого эластомера, расположенные в угловом зазоре 62, окружающем фланец 5. Кольца 60, 61 закреплены в зазоре 62 с помощью прижимного кольца 63, прикрепленного винтами к корпусу 1 ступицы.

Наибольший риск утечки масла, несмотря на отсутствие повышенного давления в камере 2, существует на стороне низкого давления турбины, т.е. на нижней или задней поверхности лопастей рабочего колеса, где давление является весьма низким. Это давление Р2 при работе турбины ниже атмосферного давления Р3 (см. фиг.3), которое равно давлению в полости ступицы. С другой стороны, давление Р1, действующее на стороне высокого давления лопастей рабочего колеса, т. е. над лопастями 4, всегда выше атмосферного давления. Эти обстоятельства использованы в предлагаемом уплотняющем устройстве. С внешней стороны фланца 5 из зоны высокого давления рабочего колеса, иными словами из места на фланце 5, расположенного над лопастью 4, в круговую полость 65 в зазор 62 между уплотняющими кольцами 60 и 61 проходит канал 64. Другими словами, полость 65 между уплотняющими кольцами сообщается через канал 64 с окружающей водой со стороны высокого давления турбины, а следовательно, в полости 65 по всей окружности фланца 5 лопасти действует то же давление Р1, что и давление воды на стороне высокого давления. Отсюда в свою очередь следует, что давление, действующее с внешней стороны на внутреннее уплотняющее кольцо 61, по существу выше, чем давление с внутренней стороны этого кольца по всей его окружности, т.е. в зоне на стороны пониженного давления фланца лопасти, давление воды Р2 на внешнюю сторону которого ниже атмосферного. Таким образом, создание повышенного давления в полости 65 действует как затвор, препятствующий утечкам масла.

В дополнение к этому или вместо этого повышенное давление в полости 65 может быть также создано с использованием какого-либо другого источника, помимо наружной воды, предпочтительно с использованием чистой воды из осевой втулки (не показана) турбинного вала, подведенной по каналу 68, проходящему через вал турбины, фланец 13 турбинного вала и корпус 1 ступицы в полость 65. В принципе могут быть применены другие источники повышенного давления, предпочтительно такие, которые содержат чистую воду, находящуюся под повышенным давлением. Такое решение может быть особенно полезно, когда давление на стороне высокого давления лопастей рабочего колеса или винта сравнительно невелико, поворотно-лопастных турбинах гидроэлектростанций, имеющих сравнительно небольшой напор, ввиду того, что создание повышенного давления в полости 65 в этом случае может быть осуществлено от источника, имеющего более высокое давление, чем давление, создаваемое на стороне высокого давления лопастей ротора или гребного винта. Это решение может иметь особенные преимущества и в том случае, когда камера корпуса ступицы заполнена маслом, находящимся под повышенным давлением.

Настоящее изобретение относится главным образом к мерам по предотвращению утечки масла в окружающую воду. В соответствии с настоящим изобретением эта цель достигается по меньшей мере некоторым количеством отличительных признаков, указанных в прилагаемой формуле изобретения, или всеми этими признаками в сочетании друг с другом. Среди этих признаков следует указать, что общее количество масла в системе смазки невелико, существенно меньше общего объема камеры корпуса ступицы, смазочное масло циркулирует по замкнутому контуру, имеются средства регулирования потока масла, так что может быть выявлена возможная утечка масла, и к ней может быть привлечено внимание обслуживающего персонала, а также имеются эффективные уплотняющие средства, которые вероятнее допустят поступление воды в турбину, чем утечку масла. В то же время необходимо, чтобы смазка была эффективной и ее характеристики не были снижены поступлением воды. В этой связи должно быть учтено то, что плотность воды выше плотности масла, и под действием центробежной силы возможно отделение воды от масла и скопление ее в подшипниках 8. Для преодоления этой тенденции является существенным то, что масло к подшипникам 8 подается из полости 31 по трубопроводу 30.

В дополнение к этому возможно использование некоторых средств для безопасного направления потока масла к внешним подшипникам, например сужений различных видов, в частности эффективных уплотнений подшипников 7. В подшипниках 8 может быть допущено смешивание поступающего масла с водой, поступление которой не исключено, которая смешивается с маслом в объеме 35 и которая, в конечном счете, оказывается отведена по трубопроводу 42, выявлена и удалена.

Следует отметить, что настоящее изобретение ограничено не только рабочими колесами вышеописанной конструкции и даже не только рабочими колесами поворотно-лопастных турбин в целом. К примеру, настоящее изобретение может быть весьма успешно применено в тех гидравлических машинах, упомянутых во введении, которые имеют горизонтальную ось вращения. В таких машинах сравнительно небольшое количество масла, находящееся в рабочем колесе, также будет прижато к окружающей оболочке центробежной силой. И хотя форма, принятая в этом случае объемом масла, будет отличаться от той, какую масло принимает в машинах с вертикальными валами, более конкретно его внутренняя поверхность будет иметь цилиндрическую форму, это может быть учтено при размещении всасывающего трубопровода 37 насоса 19.

Следует также отметить, что насос 19 в варианте, представленном на чертежах, расположен с учетом силы тяжести, которая также действует в трубопроводе 37 всасывания насоса, так что насос способен осуществлять забор масла через всасывающий трубопровод.

Изобретение предназначено для усовершенствования поворотно-лопастной гидротурбины, оснащенной системой смазки. Гидравлическая машина содержит рабочее колесо или ротор с корпусом ступицы, а также лопатки или лопасти, установленные в подшипниках, смазываемых маслом, установленных в корпусе ступицы с возможностью вращения. Уплотняющие средства расположены между подшипниками и окружающей водой. Уплотняющие средства содержат первый круговой уплотняющий элемент и второй круговой уплотняющий элемент, расположенный с внутренней стороны от первого уплотняющего элемента, а между первым и вторым уплотняющими элементами имеется круговая полость, которая через канал сообщается с водой на стороне высокого давления лопастей рабочего колеса, так что давление в круговой полости равно давлению воды на стороне высокого давления. Конструкция позволяет свести к минимуму риск загрязнения окружающей среды. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Уплотняющая система гидравлической машины, содержащей рабочее колесо или ротор с корпусом (1) ступицы, а также лопатки или лопасти (4), установленные в подшипниках (7, 8), смазываемых маслом, установленных в корпусе ступицы с возможностью вращения, содержащая уплотняющие средства, расположенные между подшипниками и окружающей водой, при этом уплотняющие средства содержат первый круговой уплотняющий элемент (60) и второй круговой уплотняющий элемент (61), расположенный с внутренней стороны от первого уплотняющего элемента, а между первым и вторым уплотняющими элементами имеется круговая полость (65), в которую проходит канал (64), отличающаяся тем, что через канал (64) указанная круговая полость (65) сообщается с окружающей водой на стороне высокого давления лопастей рабочего колеса или аналогичных частей, так что давление жидкости, находящейся в круговой полости (65), равно давлению воды на стороне высокого давления. 2. Уплотняющая система по п. 1, отличающаяся тем, что уплотняющие элементы размещены в зазоре (62) между узлом, содержащим цапфу (6) лопасти рабочего колеса или аналогичную часть и фланец (5) лопасти рабочего колеса или аналогичную часть, с одной стороны и узлом, содержащим корпус ступицы, с другой стороны. 3. Уплотняющая система по п. 2, отличающаяся тем, что уплотняющие элементы размещены в зазоре (62) между фланцем лопасти ротора и корпусом ступицы. 4. Уплотняющая система по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что круговая полость (65) дополнительно сообщается с источником повышенного давления, находящимся внутри гидравлической машины, предпочтительно с осевой втулкой машинного вала, через канал (68), проходящий из источника повышенного давления через корпус ступицы в круговую полость (65). 5. Уплотняющая система по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что уплотняющие элементы состоят из уплотняющих колец (60, 61) с уплотняющими кромками, прижатыми к стенкам зазора (62) и обращенными к круговой полости (65).