水轮机及其水导轴承的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种水轮机的水导轴承，包括轴承本体；轴承本体的端部连接有磁流体密封装置，磁流体密封装置包括电磁装置和套设于水轮机的大轴外且具有导磁性的衬套，电磁装置包括套设于衬套外的磁环，磁环上绕有电磁线圈，磁环的两端分别设置有环状的磁极，磁极的内端面与衬套间设置有间隙，间隙内吸附有油基纳米Fe3O4磁液。应用本实用新型提供的水轮机的水导轴承，实现了与大轴的接触密封，进而无端部漏油、改善生态环境；减少油量损失，确保冷却效果，稳定瓦温；阻止沿大轴爬水或来自主轴密封的刺水进入水导轴承，保证润滑油质量，降低运行成本，提高了发电量。本实用新型还公开了一种包括上述水导轴承的水轮机。
【专利说明】
水轮机及其水导轴承
技术领域
[0001]本实用新型涉及水利发电设备技术领域，更具体地说，涉及一种水轮机的水导轴承，还涉及一种包括上述水导轴承的水轮机。
【背景技术】
[0002 ]水轮机，即把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械。水导轴承是水轮机的重要组成部分，用于支撑高速旋转的大轴，大轴与水导轴承间充满不断循环的稀油，以冷却、润滑大轴。
[0003]请参阅图1，图1为现有技术中常见的水导运行结构示意图。轮叶06在充满水的水轮机流道OI中带动大轴旋转，水轮机主轴密封05的作用是防止流道中水流入密闭空间02，水轮机水导轴承03内充满着润滑油，水轮机主轴密封05、水轮机水导轴承03均与大轴04之间存在转动间隙。
[0004]在水轮机运行过程中，由于轮毂及轮叶的转动惯量较大，水力激励引起的振动较大，以及大轴04与水导轴承03等机械配合不好造成的振动等造成的大轴跳动或安装不正造成间隙变化，都会引起水导轴承03漏油，而渗漏油通过与大轴的间隙流到渗漏集水井直接排到江河流域，会对水质直接造成污染。且在大轴高速旋转的同时，带动空气通过转动间隙进入润滑油中也做高速运动，并且形成油气泡，从而，油随气就可能从油盆盖与挡油环之间的间隙中甩出，同时水也极有可能沿大轴进入水导中，形成油混水现象。油随水流通过电站排水系统排放到河流中，造成水污染，破坏生态环境;且油量减少，使轴瓦冷却及润滑效果减小，使得水导轴承的温度升高而造成烧瓦事故;甩油或油混水会极大的消耗用油量，增加了运行成本。
[0005]同时，水轮机主轴密封05，一般采用断面密封、径向密封、混合密封，而在含沙水流/海水腐蚀运行时，主轴密封05磨损非常严重，故水轮机主轴密封漏水问题普遍存在，而受结构限制，水导轴承03与水轮机主轴密封05之间距离非常近，大约1mm左右，水轮机主轴密封05漏水往往沿大轴4爬行或冲击到水导轴承03，造成油系统污染，经过循环运行，从低位油箱到高位油箱，到水导轴承整个油会乳化，造成水导冷却润滑失效而导致烧瓦，使系统大量的润滑油废弃。且需要停止机组运行进行处理，造成大量水资源的浪费，减少了发电量。
[0006]综上所述，如何有效地解决水轮机水导轴承易产生甩油现象、易发生沿大轴爬水造成油系统污染及由此引起的环境污染、水资源浪费、发电量减少等问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
【实用新型内容】
[0007]有鉴于此，本实用新型的第一个目的在于提供一种水轮机的水导轴承，该水轮机的水导轴承的结构设计可以有效地解决水轮机水导轴承易产生甩油现象、易发生沿大轴爬水造成油系统污染及由此引起的环境污染、水资源浪费、发电量减少的问题，本实用新型的第二个目的是提供一种包括上述水导轴承的水轮机。
[0008]为了达到上述第一个目的，本实用新型提供如下技术方案:
[0009]—种水轮机的水导轴承，包括轴承本体;所述轴承本体的端部连接有磁流体密封装置，所述磁流体密封装置包括电磁装置和套设于水轮机的大轴外且具有导磁性的衬套，所述电磁装置包括用于套设于所述衬套外的磁环，所述磁环上绕有电磁线圈，所述磁环的两端分别设置有环状的磁极，所述磁极的内端面与所述衬套间设置有间隙，所述间隙内吸附有油基纳米Fe3O4磁液。
[0010]优选地，上述水轮机的水导轴承中，所述磁极的内端面呈齿状。
[0011]优选地，上述水轮机的水导轴承中，所述磁极的轴向截面上包括多个齿形，且多个所述齿形均为双侧斜角齿形。
[0012]优选地，上述水轮机的水导轴承中，所述磁极的磁极高度范围为I毫米-1.5毫米，磁极角范围为40度-50度，磁极间隙范围为0.05毫米-0.2毫米，磁极偏距范围为0.04毫米-
0.05晕米。
[0013]优选地，上述水轮机的水导轴承中，所述衬套在轴向上的截面呈梯形。
[0014]优选地，上述水轮机的水导轴承中，还包括罩设于所述磁流体密封装置外的支撑端盖，所述支撑端盖与所述轴承本体密封固定连接，且所述支撑端盖为非导磁端盖。
[0015]优选地，上述水轮机的水导轴承中，所述支撑端盖上设置有排气孔。
[0016]本实用新型提供的水轮机的水导轴承包括轴承本体和磁流体密封装置。其中，磁流体密封装置包括电磁装置和衬套，衬套套设于水轮机的大轴外且具有导磁性；电磁装置包括磁环，磁环上绕有电磁线圈，进而在电磁线圈通电时产生磁场，磁环的两端分别设置有磁极，磁极呈环状且套设于衬套外，磁极的内端面也就是中空部分的端面与衬套之间设置有间隙，间隙内填充有油基纳米Fe3O4磁液。
[0017]应用本实用新型提供的水轮机的水导轴承时，磁环、磁极和具有导磁性的衬套构成闭合磁回路，利用电磁装置的电磁线圈通电产生的磁能，在衬套与磁极之间的间隙内产生强磁场，由于纳米磁性微粒具有被磁控的特性，油基纳米Fe3O4磁液被紧紧吸在密封间隙内，形成磁性液体“O”型密封环，将间隙锁住，从而达到密封效果，实现了与大轴的接触密封，阻止了水导轴承的油外流，以及外面的水流入水导轴承。进而无端部漏油、改善了生态环境;减少了油量损失，确保冷却效果，稳定瓦温;阻止沿大轴爬水或来自主轴密封的刺水进入水导轴承，保证了润滑油质量，降低了运行成本，提高了发电量。
[0018]同时，采用电磁装置，通过改变电流大小以改变磁场强度，即实现磁力可调，增加了磁环的磁场强度，进而可以根据环境变化调节密封能力以达到最优的密封效果。同时，该油基纳米Fe3O4磁液是一种具有软磁性固液相混的悬浮状胶体，具有较大的磁化强度，可以实现无间隙、零泄漏密封，密封压力可达0.35-0.27MPa，密封效果好。
[0019]在另一种优选的实施方式中，本实用新型提供的水导轴承其磁极的内端面呈齿状，即为齿形磁极。磁极采用多级齿形结构，能够获得较大耐压能力，且实现多级密封，进一步提高密封效果。
[0020]为了达到上述第二个目的，本实用新型还提供了一种水轮机，该水轮机包括上述任一种水导轴承。由于上述水导轴承具有上述技术效果，具有该水导轴承的水轮机也应具有相应的技术效果。
【附图说明】
[0021]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]图1为现有技术中常见的水导运行结构示意图；
[0023]图2为本实用新型提供的水轮机的水导轴承一种【具体实施方式】的工作状态结构示意图；
[0024]图3为图2中水导轴承的局部放大结构示意图；
[0025]图4为图3中的多级齿形磁极结构示意图。
[0026]附图中标记如下:
[0027]轴承本体I，衬套2，磁环3，电磁线圈4，磁极5，油基纳米Fe3O4磁液6，支撑端盖7，排气孔8，大轴9，轮叶10，轮毂11，主轴密封12，水导轴承接油盒13，水导润滑油排油管14，水导轴承供油管15，水导轴承内部供油支管16，高位油箱17，油箱供油进口阀18，油箱供油管19，油箱供油出口阀20，油箱供油单向阀21，供油栗22，低位油箱23。
【具体实施方式】
[0028]本实用新型实施例公开了一种水轮机的水导轴承，以避免甩油、沿大轴爬水，及由此造成的油系统污染，进而减少环境污染，节约水资源、提高发电量。
[0029]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0030]请参阅图2-图4，图2为本实用新型提供的水轮机的水导轴承一种【具体实施方式】的工作状态结构示意图；图3为图2中水导轴承的局部放大结构示意图；图4为图3中的多级齿形磁极结构示意图。
[0031]在一种【具体实施方式】中，本实用新型提供的水导轴承包括轴承本体I和磁流体密封装置。
[0032]其中，轴承本体I的结构可参考现有技术，此处不赘述。
[0033]磁流体密封装置连接于轴承本体I的一端，水导轴承安装状态下磁流体密封装置位于靠近水轮机的轮叶10的一端。磁流体密封装置包括电磁装置和衬套2。衬套2用于套设在水轮机的大轴9外，且衬套2具有导磁性，一般的衬套2与大轴9密封固定连接。当然在大轴9即为导磁性材料的情况下，也可以不额外设置衬套2，即衬套2为大轴9的组成部分。但为提高水导轴承的通用性，一般设置具有导磁性的衬套2。
[0034]电磁装置用于提供磁场并与衬套2形成磁性回路，包括磁环3、磁极5和电磁线圈4。磁环3套设于衬套2外，一般与衬套2间设置有间隙。磁环3上绕有电磁线圈4，进而在电磁线圈4通电时产生磁场，电磁线圈4的绕法根据磁场方向需求进行设置，具体原理请参考现有技术。磁环3的两端分别设置有磁极5，磁极5即具有导磁性的磁体，磁极5呈环状且套设于衬套2外。电磁线圈4通电时产生磁场，并在磁环3、磁极5和衬套2间形成闭合磁回路，具体的磁性回路的方向需根据电流方向等确定。磁极5的内端面也就是中空部分的端面与衬套2之间设置有间隙，间隙内填充有油基纳米Fe3O4磁液6。
[0035]采用上述水导轴承时，磁环3、磁极5和具有导磁性的衬套2构成闭合磁回路，利用电磁装置的电磁线圈4通电产生的磁能，在衬套2与磁极5之间的间隙内产生强磁场，将油基纳米Fe3O4磁液6紧紧吸在密封间隙内，形成磁性液体“O”型密封环，将间隙锁住，从而达到密封效果，实现了与大轴9的接触密封，阻止了水导轴承的油外流，以及外面的水流入水导轴承。进而无端部漏油、改善了生态环境;减少了油量损失，确保冷却效果，稳定瓦温;阻止沿大轴9爬水或来自主轴密封12的刺水进入水导轴承，保证了润滑油质量，降低了运行成本，提高了发电量。同时，采用电磁装置，通过改变电流大小以改变磁场强度，即实现磁力可调，增加了磁环3的磁场强度，进而可以根据环境变化调节密封能力以达到最优的密封效果。
[0036]进一步地，磁极5的内端面呈齿状。也就是磁极5与衬套2相对的端面呈齿状。通过齿形的设置，使得油基纳米Fe3O4磁液6聚集在齿形与衬套2之间，一方面相较于平面与平面间填充油基纳米Fe3O4磁液6，通过齿形设置增大了油基纳米Fe3O4磁液6与磁极5的接触面积，提高密封效果，同时齿形的设置有效的提高了磁极5耐压能力，进而提高了磁流体密封装置的可靠性。
[0037]更进一步地，磁极5的轴向截面上包括多个齿形，且多个所述齿形均为双侧斜角齿形。请参阅图4，图4为图3中的多级齿形磁极结构示意图。需要说明的是，此处的齿形指向外突出的一个结构即为一个齿形，图中磁极5具有四个齿形。齿形为双侧斜角齿形即一个齿形的两边均为斜边，因而相邻的两个齿形间形成的V形空隙。磁极5采用多级齿形磁极，油基纳米Fe3O4磁液6填充时能够填充至齿形的空隙间，因而形成多级密封。如图4所示可形成3级密封，密封效果更好。当然，根据需要齿形的个数可以根据具体需要进行设置，此处不做具体限定。磁极5—般采用铁磁性材料，衬套2具体可以采用45钢。
[0038]具体的，对于双侧斜角齿形而言，可以对其结构进行进一步限定以获得最优的密封效果。齿形磁极5的磁极高度范围可以为I毫米-1.5毫米，磁极角范围可以为40度-50度，磁极间隙范围可以为0.05毫米-0.2毫米，磁极偏距范围可以为0.04毫米-0.05毫米。当然，对于确定的某一齿形而言，其上述各参数均为一确定的值，且该值在上述数值范围内。请参阅图4，磁极高度指图中h所示的齿形的高度，磁极角指图中a所示的相临的两个齿形相对的两个斜面间的夹角，磁极宽度指图中w所示的连接齿形两个斜面的端面的宽度，磁极间隙指图中g所示的磁极5的内端面与衬套2之间间隙的宽度，磁极偏距指图中V所示的齿形的斜面在齿形的端面上投影的宽度。一般的，磁极5的外径可以设置为48mm，当然，根据具体需要也可以对上述数值进行适当的调整。
[0039]衬套2的形状具体可以设置为在轴向上的截面呈梯形，也就是衬套2的与磁极5相对的表面其宽度小于衬套2的套设于大轴9的表面的宽度，即外表面宽度小于内表面宽度。进而在水导轴承安装于大轴9上时，一方面能够与大轴9良好的配合，且端部的斜面对水流的冲击有很好的缓冲作用，进一步提高密封效果。
[0040]在上述各实施例的基础上，油基纳米Fe3O4磁液6具体包括纳米米Fe3O4磁性微粒、表面活性剂和油基的悬浮状胶体。也就是由纳米Fe3O4粒子、载液以及分散剂(表面活性剂)等主要成分组合而成纳米Fe3O4磁液，利用Fe3O4纳米微粒可被磁控的特性，水导轴承磁部件利用环状磁极5在大轴9产生环状的磁场分布，从而可将纳米Fe3O4液体约束在磁场之中而形成磁性液体的“O”形环。同时，胶状油基纳米Fe3O4磁液，使其能在磁部件装置中固定，且抗压性好、耐温程度高，均能达到水轮机的要求。
[0041]在上述各实施例的基础上，还包括罩设于磁流体密封装置外的支撑端盖7，支撑端盖7与轴承本体I密封固定连接，且支撑端盖7为非导磁端盖。支撑端盖7主要用于支撑电磁装置等结构，且便于电磁装置与轴承本体I的连接。具体的支撑端盖7可以为环状的罩壳，罩壳的一端与轴承本体I连接，具体可以为可拆卸的固定连接，如螺栓连接等，以便于磁流体密封装置与轴承本体I的拆装，进而在磁流体密封装置出现故障等情况下，能够方便的将磁流体密封装置拆卸进行维修或更换。罩壳的另一端卡设于磁极5外，对磁极5、磁环3及电磁线圈4等结构起到保护作用。
[0042]进一步地，支撑端盖7上设置有排气孔8，以便于内部气体排出。排气孔8的结构及大小等可以不做具体限定，根据实际需要进行设置即可。应用该水导轴承，其端部连接有磁流体密封装置，磁流体密封装置通过油基纳米Fe3O4磁液的密封作用，防止水导轴承油基纳米Fe3O4磁液磁流体密封装置支撑端盖7漏油问题，解决了从内向外漏油问题，同时，阻止水轮机磁流体密封装置的水沿大轴9爬行到水导轴承油基纳米Fe3O4磁液磁流体密封装置支撑端盖7内部，解决了水从外向里喷射流入问题。
[0043]基于上述实施例中提供的水导轴承，本实用新型还提供了一种水轮机，该水轮机包括上述实施例中任意一种水导轴承。由于该水轮机采用了上述实施例中的水导轴承，所以该水轮机的有益效果请参考上述实施例。
[0044]水轮机的其他结构主要包括水轮机轮毂11、轮叶10，大轴9在流道水流作用下旋转，水轮机主轴密封12将流道及转轮室中的水封住，防止水流进入封闭空间，但往往运行一段时间后会从间隙刺水。水轮机水导轴承主体部分为静止部件，用于对大轴9起支撑作用，且通过磁流体密封装置的设置能够与大轴9接触密封。为了防止干摩擦，导致轴承与大轴9碰摩，必须采用稀油润滑的方式进行润滑冷却。润滑油系统采用自循环方式，润滑油自低位油箱23通过供油栗22，通过油箱供油单向阀21，油箱供油出口阀20，油箱供油管19，油箱供油进口阀18，供油至高位油箱17，润滑油自高位油箱17，通过水导轴承供油管15、水导轴承内部供油支管16为水导轴承供油，再通过水导轴承排油管，将油循环排至低位油箱23，另夕卜，从水导轴承接油盒13端的漏油，自水导轴承接油盒13通过水导润滑油排油管14回收到低位油箱23。
[0045]本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0046]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【主权项】
1.一种水轮机的水导轴承，包括轴承本体(I);其特征在于，所述轴承本体(I)的端部连接有磁流体密封装置，所述磁流体密封装置包括电磁装置和用于套设于水轮机的大轴(9)外且具有导磁性的衬套(2)，所述电磁装置包括套设于所述衬套(2)外的磁环(3)，所述磁环(3)上绕有电磁线圈(4)，所述磁环(3)的两端分别设置有环状的磁极(5)，所述磁极(5)的内端面与所述衬套⑵间设置有间隙，所述间隙内吸附有油基纳米Fe3O4磁液(6)。2.根据权利要求1所述的水轮机的水导轴承，其特征在于，所述磁极(5)的内端面呈齿状。3.根据权利要求2所述的水轮机的水导轴承，其特征在于，所述磁极(5)的轴向截面上包括多个齿形，且多个所述齿形均为双侧斜角齿形。4.根据权利要求3所述的水轮机的水导轴承，其特征在于，所述磁极(5)的磁极高度范围为I毫米-1.5毫米，磁极角范围为40度-50度，磁极间隙范围为0.05毫米-0.2毫米，磁极偏距范围为0.04毫米-0.05毫米。5.根据权利要求1-4任一项所述的水轮机的水导轴承，其特征在于，还包括罩设于所述磁流体密封装置外的支撑端盖(7)，所述支撑端盖(7)与所述轴承本体(I)密封固定连接，且所述支撑端盖(7)为非导磁端盖。6.根据权利要求5所述的水轮机的水导轴承，其特征在于，所述支撑端盖(7)上设置有排气孔(8)。7.根据权利要求5所述的水轮机的水导轴承，其特征在于，所述衬套(2)在轴向上的截面呈梯形。8.—种水轮机，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的水导轴承，所述水导轴承的衬套(2)套设于大轴(9)外且与所述大轴(9)密封固定连接。
【文档编号】F03B11/06GK205423038SQ201620228898
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】李正贵, 刘小兵, 宋文武, 杨逢瑜, 伍迪, 文海罡, 吕文娟
【申请人】西华大学