专利名称：液力机械以及具有这种机械的能量转换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及液力机械，其具有由轴体支承的叶轮，该叶轮和该轴体围绕一轴线转 动。这种机械的叶轮用于由强制流穿过，当机械作为涡轮机工作时，叶轮是主动的，当机械 作为泵工作时，叶轮是从动的。
背景技术：
在这种机械中，一径向流体静压轴承可围绕轴体布置，其具有承受该轴体的径 向力的作用。这种轴承可围绕轴体的上部、下部或中间部分布置。公知地，配有围堰式 (batardeau)密封垫的流体静压轴承，例如可膨胀式密封垫，其可保护轴承，当机械和轴承 的给水系统停机时，可防止被污染的水上升。这种可膨胀式密封垫在机械停机时膨胀，以使 轴承与其环境隔离。在正常工作中，输送到轴承的水流量由轴承的顶部和下部排出，从而可 同时确保轴承的承载力以及借助于连续水膜层的形成，排放流体摩擦所耗散的能量。在呈 膨胀结构的可膨胀式密封垫锁定的情况下，轴承的水不再从轴承向下排出，从而影响水的 流通和轴承运转。实际上，轴承的承载力减小，限定在轴承下部的水趋于受热，存在全部或 部分水膜层变成蒸汽以及轴体与轴承的固定轴瓦之间接触的危险。使用不配有可膨胀式密封垫的轴承，轴承的向上或向下的排水受到任何其它障碍 物阻塞，也可能存在上述问题。使用具有水平轴线的机械，其也可配有流体静力密封垫或流体动力密封垫，可能 存在类似的问题。此外，公知地，US-A-4071303提出在泵转子的外表面上布置轴承的供水槽。这些 槽通过排放可能进入槽中的固态物体的导道连接于转子的上边缘和下边缘。如果轴承在下 部或上部阻塞，则构成阻塞的水膜层不能排出，有被蒸发的危险，从而限制或去除轴承的承 载力。
发明内容
本发明尤其旨在弥补这些缺陷，提出一种液力机械，其配有运转安全可靠的径向 流体静压轴承。为此，本发明涉及液力机械，其具有由轴体支承的叶轮，所述叶轮和所述轴体围绕 一轴线转动，而径向的流体静压轴承或流体动压轴承形成于一方面轴体的径向圆周表面和 另一方面相对于所述轴线固定的一机件的内径向面之间，所述轴承延伸在两个边缘之间， 在所述轴承正常工作中，两个边缘构成轴承中形成的水膜层的排放区域。这种机械的特征 在于，至少一空腔布置在固定机件中，且在所述轴承的两个边缘中的第一边缘附近通到其 内径向面上；并且，所述固定机件包括流体连通装置，其使空腔与位于所述轴承外部的在两 个边缘中的第二边缘附近的空间进行流体连通，所述空腔和所述连通装置适于在所述第一 边缘处不能排放水膜层的情况下排放形成水膜层的水流的一部分水流。根据本发明，如果在第一边缘附近，上边缘、下边缘、前边缘或后边缘，取决于机械具有垂直轴线还是水平轴线，径向流体静压轴承或流体动压轴承的排水阻塞，那么，固定机 件上的空腔和连通装置可朝其另一边缘排放轴承的水，从而避免在轴承中形成死水区域。 因此，在轴承中可保持水的流通，包括轴承边缘之一处阻塞时在内，从而可保持轴承的承载 力。根据本发明的优选但非限制性的实施例，这种机械可具有以下一个或多个特征-围堰式密封垫布置在所述轴承的朝向所述叶轮的边缘附近。在这种情况下，当机 械具有垂直轴线时，空腔最好布置在围堰式密封垫之上，位于轴承的朝向叶轮的下边缘附 近，而连通装置使该空腔连接于机械的相对于轴承位于上边缘之上的空间。当机械是垂直 轴线时，空腔可布置在轴承的上边缘附近，而连通装置使空腔连接于轴承的下部，位于布置 在轴承的下边缘下面的围堰式密封垫之上。-空腔是布置在固定机件中的一环形槽部。在其它实施例中，空腔由多个空腔联合 而成，这些空腔互不拼接(jointives)，通到固定机件的内径向面上，每个空腔连接于连通 装置的固定机件的一管道。-连通装置具有减压装置。-连通装置具有至少一个使空腔与位于轴承的第二边缘附近的空间相连接的管 道。-水压测定装置布置在连通装置的一管道中。在这种情况下，这些压力测定装置最 好适于向机械的一控制单元提供表示前述管道中的水压的信号。-空腔距第一边缘以一定轴向距离延伸，所述轴向距离小于轴承的轴向尺寸的 10%，优选地，小于5%o-空腔的轴向尺寸是轴承的轴向尺寸的2.5至5%。-空腔的径向深度至少25倍地大于轴承的径向厚度，优选地，50倍地大于轴承的
径向厚度。本发明也涉及将液能转换为电能或机械能、或者反过来将电能或机械能转换为液 能的能量转换装置，其包括上述的液力机械。这种装置比现有技术的装置更为安全可靠，因 为其适于解决径向流体静压轴承在其上边缘或下边缘之一附近可能出现的阻塞问题。
下面，参照附图对仅仅作为例子给出的根据本发明的原理的机械和装置的两个实 施方式进行说明，据此，本发明将得到更好的理解，本发明的其它优越性将更清楚，附图如 下图1是本发明的第一实施方式中机械和装置的原理的轴向剖面图；图2是图1中细部II的放大图；图3是图1中细部III在装置的可膨胀式密封垫被锁定时的放大图；以及图4类似于图3，示出的机械具有根据本发明的第二实施方式的装置。
具体实施例方式图1所示的装置I包括法兰西斯水轮机1，其叶轮2从箱体3得到供给，强制管道 4通入所述箱体3。水轮机1也具有轴体5，其上安装叶轮2，且与之一起围绕一垂直轴线&转动，垂直轴线)(5也是轴体5的纵向轴线。轴体5驱动发电机6的转动部分转动。在箱体3和叶轮2之间布置一系列的前导流体71和导流体72，其作用是引导并调 节来自管道4和箱体3的水流E，水流E用于朝一吸取管道8的方向通过叶轮2。叶轮2具有叶片21，其延伸在一顶板22和一围板23之间。构件3和4以及承载水轮机1的土木工程结构属于固定结构9，固定结构9相对于 围绕轴线&转动的叶轮2的结构进行固定。叶轮2用螺栓10固定在轴体5的下端51上，轴体5的下端51通常称为“轴座”， 螺栓10用其轴线表示。轴座可与轴体的其余部分形成一个整体，或嵌装在其上。为了耐受轴座51承受的径向力，一流体静压轴承100布置在轴座51的外径向面 52和围绕轴座51的一环形轴瓦101的内径向面102之间。为使附图清楚起见，轴承100的 径向厚度e1(l(l在图2至4上经过放大。清澈的水流El借助于一管道103从强制管道4提供给轴承100，管道103与轴瓦 101上的孔104连通。为使附图清楚起见，管道4和103之间的连接在附图上未示出。孔 104配有一组孔板105，可限制下游水流E1的压力。孔104通到导道106，其向表面102上 的一槽沟107供水，且可分配水流Ep这样可强制水进入轴承100，以确保水膜层围绕表面 52的连续性。在本说明书中，用词“高”、“低”、“上”和“下”相应于装置I在工作结构上的布置，其 中，轴线)(5垂直，一部件的上部在图1上朝上，而一部件的下部在该图上朝下。形容词“上” 视为一部件朝上的部分，相反，则为其朝下的“下”部。接合凸缘110用固定螺栓111安装在轴瓦101的下部。该接合凸缘与轴瓦101 — 起限定接纳可膨胀式密封垫112的固定座，可膨胀式密封垫112可支靠在表面52上，取决 于是否供给压力流体，压力流体在此种特殊情况下是加压水。可膨胀式密封垫112是围堰 式密封垫，其可保护轴承100，防止水从叶轮2上升。本发明可使用其它类型的围堰式密封 垫，例如轴向密封垫。用121标示轴承100的上边缘，即表面52和102之间限定的具有小厚度e1(1(1的间 隙的上界限，水膜层在其中从水流E1形成。实际上，边缘121与表面102的上棱齐平。同 样，用122标示轴承100的下边缘，其由表面102的下棱缘限定，位于密封垫112的固定座 之上。一上槽池125安装在轴瓦101上，且在边缘121之上、径向围绕着表面52的不与 表面102面对的部分限定一环形空间％。槽池125具有两个密封垫126，其支靠在表面52 上，以防水向上漏泄。空间V1由未示出的一溢流管连接于装置I的排出井，即装置的在漏 泄的水向下游排放前将其收集在其中的部分。在轴承100正常工作中，即当轴体5围绕轴线\转动时，水流E1在轴承100内在 边缘121和122之间形成水膜层，然后，向上和向下排放，分别如图2中箭头F1和F2所示。 水流E1从轴承100的这种连续排放确保该轴承的承载力。在水轮机1停机的情况下，为了避免可能被污染的水上升到轴承100内，可膨胀式 密封垫112被加压，以致其朝轴线\的方向径向收缩，支靠在表面52上，从而形成密封屏障。当水轮机1重新起动时，在轴体5转动之前，密封垫112通常处于图2所示的结构，远离表面52。但是，该密封垫可能受到损坏，仍然在结构上支承在表面52上，而轴体5仍转 动，如图3所示。在这种情况下，水流E1的通常在下边缘122处从轴承100排放的部分，如 箭头F2所示，可能为轴承100所限定，从而不利于其运转，尤其是因为承载力减小，还因为 这会引起水膜层局部发热，甚至雾化。一环形槽部130布置在轴瓦101中，通到表面102上，完全围绕着轴线&。(I1标示 槽部130和边缘102之间的轴向距离。距离Cl1是槽部130的下边缘和边缘122之间的距 离。h1(KI标示轴承100的高度或轴向长度，该距离和该高度平行于轴线)(5。距离Cl1选择成 小于高度Hicici的10%，优选地，小于该高度的5%。1113(1标示槽部130的高度或轴向长度，平行于轴线&。高度h13(1大大小于高度h1QQ， 以致槽部130的存在在轴承100的位于槽部130上面的大部分上不影响厚度e1(1(1。例如，对 于高度Hicici为300毫米至400毫米的轴承100来说，槽部130的轴向高度h13(1为10毫米至 15毫米。实际上，轴向高度h13(1的数值为轴向高度h1(K1的2. 5%至5%。P13tlS示槽部130的径向深度，即轴瓦101在其中从表面102延伸的深度。该深度 至少25倍地大于厚度e1(1(1，优选地，50倍地大于该厚度。槽部130与四个管道131连通，其在图3上仅示出一个，且其在轴瓦101中围绕轴 线\勻称地分布。每个管道131沿着与轴线平行的一轴线延伸，且使槽部130连接 于一固定座132，其中布置多个孔板133，且其通到空间\。管道131由轴瓦101的材料根 据深度P13O的数值与轴承100隔开。这样，在呈膨胀结构的密封垫112锁定、以防止水流E1向下排放的情形下，水流E1 的相应部分氏可流入槽部130和管道131，然后，流经孔板133，再流入空间V1,由此可朝排 出井排放。因此，这样可确保水在轴承100中连续流通，直至其下部，这也将可膨胀式密封 垫112发生故障时包括在内。一部分水流E1继续在边缘121处从轴承100排出，如箭头F1所示。该部分与水流 E2在空间V1中汇合。孔板133确保固定座132处的压力损失，以致当可膨胀式密封垫112正确工作时， 流经部分130、131和132的总压力损失大于边缘122处的压力损失，以致优选地，水流沿图 2中箭头F2所示的方向流动。在停机时可膨胀式密封垫112无效的情况下，被污染的水流可能从叶轮2上升，构 件130至133也可使之直接向空间V1排放。实际上，该被污染的水可经槽部130、管道131 和固定座132排出，从而可防止轴承100被污染。与管道131之一连通的一孔134连接于一压力表135，从而可测定管道131中至少 之一内的水压。压力表135可向一控制单元200发出表示所述一个或多个管道131中的压 力的信号S135。该信号可使控制单元200检测故障，因为管道131之一中的压力变化相应于 边缘122处轴承100下部出口的阻塞，或者停机时相应于密封垫112的漏泄。因此，鉴于这 种故障原因，控制单元200可改变水轮机1的运行状态，例如，向导流体72发出旨在逐渐减 小流量E的信号&ω。根据信号S135，控制单元200也可启动有声或可视报警装置136。图1至3所示的实施方式考虑到轴承100下部的阻塞，不受使用可膨胀式密封垫 112的影响。实际上，如果轴承100在边缘122附近被密封垫112以外的东西堵塞，那么，水 流&可流经空间130至132。
7
在图4所示的本发明的第二实施方式中，与第一实施方式中类似的构件采用相同 的标号。径向流体静压轴承100限定在轴体5的轴座51的外径向面52和固定轴瓦101的 内径向面102之间。可膨胀式密封垫112用环形凸缘110嵌装在轴瓦101上。环形槽部130布置在轴承100的上边缘121附近，连接于四个管道131，每个管道 131平行于轴线)(131，轴线)(131平行于轴体5的旋转轴线X5。每个管道131与槽部130相对 地通到固定座132中，固定座132本身在轴承100的下边缘122之上通到表面102上。孔 板133布置在固定座132中，与第一实施方式中的孔板起相同的作用。分别用Cl1标示边缘121和槽部130之间的轴向距离，用h1(1(1标示轴承100的轴向 高度，用e1(K1标示其径向厚度，用1!13(1标示槽部130的轴向高度，用P13tl标示其径向深度。Cl1 小于h1QQ的10%，优选地，小于该高度的5%。h13Q为h1QQ的2. 5%至5%。p13Q大于25倍的 e:。。，优选地，大于50倍的e·。 在轴承100的上部例如被从空间V1排出的废物阻塞的情况下，供给轴承100的一 部分水流&流入槽部130和管道131，然后在轴承100的下部，即在其下边缘122附近经固 定座132排出。从轴承100的上部流经构件130至132的水可从那里向下，与直接来自轴 承100的下部的水一起，朝位于轴承下面的空间V2的方向排出，如图4中箭头F2所示。上述两个实施方式的技术特征可彼此结合。特别是，本发明的机械可同时在下部 具有由管道131连接于空间V1的一槽部130，在上部具有由管道131连接于轴承100的下 部的一槽部130。管道131的数量并非强制性地等于四个，可根据在轴承局部阻塞的情况下水流E2 和/或&的可预测的排放流量加以调整。尽管这有利于在圆周上分配水流E2和&，但是，并非必须使用一外周槽部130。实 际上，都在预定的角扇形上延伸的互不拼接的多个空腔可用于通到表面102，每个空腔连接 于上述管道131类型的一管道。最后，限定径向流体静压轴承的可转动表面可属于轴的一部分，与其主要部分形 成一个整体，如上所述，与其轴座51形成一个整体，或者属于该主要部分上的一镶嵌件。在上述两个实施方式中，槽部130和连通装置131、132和133仅仅在槽部130处 于其附近的轴承100的边缘122或121阻塞的情况下，对于排放水膜层的一部分是 有效的。实际上，在轴承100正常工作中，孔板133产生的压力损失是这样水膜层优先流 经边缘121和122。本发明已述及和示出静液型轴承100，即其承载力基本上取决于轴承的供水压力 的轴承。本发明也可使用流体动压轴承，其承载力由轴的转速获得。本发明已在上面参照 具有垂直轴线的机械加以述及和示出。但是，本发明适用于具有水平轴线的机械，甚至适用 于具有倾斜轴线的机械，其也可装有流体静压轴承或流体动压轴承。
权利要求
1.液力机械，其具有由轴体(5)支承的叶轮O)，所述叶轮和所述轴体围绕一轴线(X5) 转动活动，而径向的流体静压轴承或流体动压轴承(100)形成于一方面轴体的径向圆周表 面(52)和另一方面相对于所述轴线固定的一机件(101)的内径向面(102)之间，所述轴承 延伸在两个边缘(121，122)之间，在所述轴承(100)正常工作中，两个边缘(121，122)构成 轴承中形成的水膜层的排放区域(F1, F2),其特征在于，至少一空腔(130)布置在固定机件(101)中，且在所述轴承的两个边缘 (121，122)中的第一边缘(121，122)附近通到其内径向面(102)上；并且，所述固定机件包 括流体连通装置(131，132，133)，其使所述空腔与位于所述轴承(100)外部的、在两个边缘 中的第二边缘(122，121)附近的空间(V1,V2)进行流体连通，所述空腔(130)和所述连通装 置(131，132，13 适于在所述第一边缘处不能排放水膜层的情况下排放形成水膜层的水 流(E1)的一部分水流(E2，E3)。
2.根据权利要求1所述的液力机械，其特征在于，围堰式密封垫(11 布置在所述轴承 (100)的朝向所述叶轮(2)的边缘(122)附近。
3.根据权利要求2所述的液力机械，其特征在于，所述液力机械具有垂直轴线(X5)，所 述空腔(130)布置在所述围堰式密封垫之上，位于所述轴承(100)的朝向所述叶轮的下边 缘(122)附近；并且，所述连通装置(131-133)使所述空腔连接于所述液力机械的相对于所 述轴承位于上边缘(121)之上的空间(V1)。
4.根据权利要求2所述的液力机械，其特征在于，所述液力机械具有垂直轴线(X5)；所 述空腔(130)布置在所述轴承(100)的上边缘(121)附近，并且，所述连通装置(131-133) 使所述空腔连接于所述轴承的下部，位于所述围堰式密封垫的上方，所述围堰式密封垫布 置在所述轴承(100)的下边缘(122)的下方。
5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的液力机械，其特征在于，所述空腔是环形槽 部(130)，其布置在所述固定机件(101)中。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的液力机械，其特征在于，所述空腔(130)由多个 空腔联合而成，这些空腔互不拼接，通到所述固定机件(101)的内径向面(102)上，每个空 腔连接于一个布置在所述固定机件中的属于所述连通装置(131，132，13 的管道(131)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的液力机械，其特征在于，所述连通装置 (131-133)具有减压装置(133)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的液力机械，其特征在于，所述连通装置 (131-133)具有至少一个管道(131)，所述管道使所述空腔(130)连接于位于所述轴承 (100)的第二边缘(122，121)附近的空间(V1;V2)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的液力机械，其特征在于，其包括测定属于所述连 通装置(131-133)的一管道(131)中的水压的测定装置(134，135)。
10.根据权利要求9所述的液力机械，其特征在于，所述压力测定装置(134，135)适于 向所述液力机械的控制单元(200)提供表示所述管道(131)中水压的信号(S135)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的液力机械，其特征在于，所述空腔(130)距第一 边缘(122，121) —轴向距离(Cl1)延伸，所述轴向距离(Cl1)的数值小于所述轴承(100)的轴 向尺寸(h100)的10%，优选地，小于所述轴承(100)的轴向尺寸(h100)的5%。
12.根据前述权利要求中任一项所述的液力机械，其特征在于，所述空腔(130)的轴向尺寸(h13Q)的数值是在所述轴承(100)的轴向尺寸(h1QQ)的2. 5%至5%之间。
13.根据前述权利要求中任一项所述的液力机械，其特征在于，所述空腔(130)的径向 深度(P13tl)的数值至少25倍地大于所述轴承(100)的径向厚度(ei J，优选地，50倍地大于 所述轴承(100)的径向厚度(e100)。
14.将液能转换为电能或机械能、或者反过来将电能或机械能转换为液能的能量转换 装置(I)，其特征在于，它具有根据前述权利要求中任一项所述的液力机械(1)。
全文摘要
本发明涉及液力机械，其具有由一轴(5)支承的一叶轮，叶轮和轴围绕一垂直轴线(X5)转动，而一径向的流体静压轴承或流体动压轴承(100)形成于轴的径向圆周表面(52)和相对于垂直轴线固定的一机件(101)的内径向面(102)之间。轴承(100)延伸在两个边缘(121，122)之间，在正常工作中，两个边缘(121，122)构成轴承中形成的水膜层的排放区域。至少一空腔(130)布置在固定机件(101)中，且在轴承的第一边缘(122)附近通到其内径向面(102)上。机械具有流体连通装置(131，132，133)，其使空腔(130)与位于轴承外部的在轴承(100)的第二边缘(121)附近的空间(V1)进行流体连通。这样，在第一边缘(122)附近轴承阻塞的情况下，可朝第二边缘(121)排放轴承(100)的一部分水层(E2)。
文档编号F04D29/047GK102099568SQ200980127381
公开日2011年6月15日 申请日期2009年7月13日 优先权日2008年7月15日
发明者G·维耶尔德, J-F·贝尔泰亚 申请人:阿尔斯通水电设备法国公司