专利名称：非接触式静密封在模型水轮机静压轴承转动部件中的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种非接触式静密封的应用，更具体地说，本发明涉及一种非接触式 静密封结构在模型水轮机静压轴承转动部件中的应用。
背景技术：
近年来，根据市场的需求，水轮机水力开发的方向目前朝着高、低水头段拓展；同 时抽水蓄能机组市场需求日益旺盛，这些都对水力开发以及水力试验的测试手段提出了更 高要求。水轮机模型试验作为水轮机水力开发过程中不可或缺的技术手段，其重要意义在 于一方面，对水力开发成果进行验证并对进一步的水力开发提供设计依据；另一方面，从 事大、中型水电项目以及出口水电项目的商业验收试验。在市场竞争日益激烈的今天，依据 水轮机模型试验所得到的水轮机性能指标的细微差别已成为市场水电项目水力开发成功 与失败、得与失的关键因素。水头、流量、转速、转矩是决定模型水轮机能量指标的四个重要参数，依据高精度 的差压传感器、电磁流量计、编码器，可以直接对水头、流量、转速进行精确测量，但是对于 转矩而言，由于其传递过程复杂，影响因素众多，因此如何实现对它进行精确的在线实时测 量，一直是行业亟待解决的技术难题。此前，曾经使用过单套滚动轴承转动部件和双套滚动轴承转动部件，但由于其自 身结构特点所限，均不能在线实时测量出滚动轴承和密封与主轴间的机械摩擦损失。而静 压轴承转动部件，由于其采用独特的外静压、内滚动的双套轴承结构，实现了外套与摆动套 间的全液体接触，液体摩擦损失可忽略不计。因此，可在水轮机模型试验过程中在线实时测 出机械摩擦损失力矩，使其效率计算值全面客观地反映出模型转轮的能量特性，因而成为 国外同行业竞相采用的技术手段。但是，静压轴承转动部件研制的难点又在于油/水隔离的密封结构设计。转动部 件与模型机组装配关系为部件外套底座与顶盖上端面把合，摆动套下端部置于顶盖孔内。 在进行模型试验时顶盖内将充满试验用压力水，而对于转动部件而言，外套与摆动套下端 间为静压导轴瓦回油端。因此选择合理的密封结构，实现该处回油油路与压力水之间的隔 离，在保证压力水与回油之间不得串流的同时又要满足摩擦力矩的高精度测量要求，是该 部件研制的重点和难点。国外同行业，如阿尔斯通公司、瑞士洛桑工学院、伏依特公司等在行业内有影响力 的水轮机试验室均先后采用静压轴承技术研制模型了立式水轮机静压轴承转动部件。他们 的解决方案为
1、伏依特公司
上端采用静压油轴承，下端采用静压水轴承，该型转动部件的特点在于下端采用静压 水轴承，因此不存在油/水隔离问题，从而避开了密封结构难点，缺点是管路繁多，结构复 杂，静压水轴承对水质有很高的要求，需配置水处理装置等伺服系统。
2、阿尔斯通公司
采用全静压油轴承，油/水隔离采用薄膜密封结构。该密封结构的特点是通过在外套 与摆动套之间把合一层橡胶薄膜而实现密封目的的，因此外套不可避免地对摆动套构成了 约束，从而降低了静压轴承转动部件的灵敏度和标定精度。3、瑞士洛桑工学院同上。在此之间，国内同行业单位也先有采用薄膜密封结构的，但由于种种原因，均未取 得令人满意的结果。根据密封部位相联系的工作零件的状态可将密封分为动密封和静密封，工作零件 间无相对运动的称为静密封，工作零件间有相对运动的称为动密封。根据密封面间的间隙状态，可将密封分为接触式密封和非接触式密封。借助密封 力使两个密封面相互接触或嵌入密封材料以减少或消除密封间隙的各类密封称为接触式 密封；在两个所需要进行密封的零部件的密封面间预留固定的装配间隙，无需使用密封力 将密封面压紧的各类密封称为非接触式密封。现有技术中绝大多数的静密封都属于接触式密封，上面提到的薄膜密封就是一种 接触式静密封，动密封中既有接触式密封，也有非接触式密封。如果在立式模型水轮机静压轴承转动部件采用接触式静密封，则转动部件外套与 摆动套之间形成约束，利用摆动套测量主轴摩擦力矩的功能将不能实现；而采用传统的非 接触式动密封不能实现油/水隔离。
发明内容
本发明针对现有立式模型水轮机静压轴承转动部件中密封结构不能同时实现油/ 水隔离和利用摆动套测量主轴摩擦力矩的问题，或者无密封结构的缺陷，将非接触式静密 封结构应用于立式模型水轮机静压轴承转动部件中，从而提供一种能同时实现油/水隔离 和利用摆动套测量主轴摩擦力矩的静压轴承转动部件。非接触式静密封结构在模型水轮机静压轴承转动部件中的应用。所述的静压轴承转动部件包括主轴、下导轴瓦、外套以及摆动套；非接触式静密封 结构的非接触式静密封环设置在静压轴承转动部件的外套下方，套在静压轴承转动部件的 摆动套上，非接触式静密封环与摆动套之间的间隙为0. 03 0. 05mm。所述的非接触式静密封环上部开有回油槽；非接触式静密封环为逐级减压、节流， 逐级排放的密封结构，下部设置有逐级排水槽和逐级排漏接口，逐级排水槽和逐级排漏接 口由管道连通。所述的非接触式静密封环的环壁上部开有回油接口，一端与回油槽相连通，另一 端与由时间继电器控制的微型油泵连接。所述的逐级排水槽为3-7级排水槽。所述的非接触式静密封环的环壁中部开有检漏口与回油槽相连通。本发明带来的有益技术效果
一、非接触式间隙静密封的两个工作零件之间为非接触式，这样在结构上就避免了静 压轴承转动部件外套对摆动套构成约束，保持了相互间无约束的可灵活运动的工作状态， 满足了摆动套实现高灵敏度摆动的必要条件。
二、设置逐级排水槽和逐级排漏接口是为了将上一级间隙密封泄漏过来的压力水 进行减压、分流，以降低进入下一级密封的水的压力和流量。最后确定的排水槽合理级数即 满足了转动部件装配结构尺寸要求，又实现了油/水隔离的目的。三、设置检漏口是为了随时方便地检查密封效果，以确定密封处于良好的工作状 态。四、非接触式静密封环与转动部件摆动套之间的间隙尺寸过大，则间隙节流阻力 将降低，间隙节流、减压的效果大大减弱，只有通过增加间隙密封和排水槽的级数来实现同 样的密封效果，但是，这样的设计不能满足转动部件装配结构尺寸要求；而间隙尺寸过小， 则需提高工件的加工精度和装配精度，将增加加工和装配成本和难度系数。所以本发明最 后确定的间隙数值既能满足转动部件装配结构尺寸要求，达到节流、减压的效果，又不会增 加加工和装配的成本和难度系数。五、由于转动部件在使用时是装在水轮机模型机组顶盖上的，此时，回油管将高于 转动部件出油口，回油不能凭借其自身重力落差回到油箱，因此只能借助油泵将其抽回油 箱。鉴于油泵的流量大于回油流量，因此采用时间继电器控制油泵间隔启动运行。六、静压轴承转动部件上采用非接触式静密封结构的成功应用，大大提高了静压 轴承转动部件摩擦损失力矩的测量精度，并且它摒弃了复杂的伺服系统，使其整体结构大 为简化，安装、维护更为简便。
图1为本发明装配在立式模型水轮机静压轴承上的结构示意图； 图2、图3为本发明转动部件中非接触式间隙静密封环的结构示意图4为传感器输出电量与力矩的关系曲线图； 图5为各标定点的误差分布图6-8为某型轴流式水轮机在模型试验中不同转角下静压轴承转动部件与滚动轴承转动 部件所测得的主轴力矩值比较。图中1为主轴、2为下导轴瓦、3为外套、4为摆动套、5为非接触式间隙静密封环、6 为回油槽、7为回油接口、8为逐级排水槽、9为逐级排漏接口、10为检漏口。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进行进一步说明 实施例1
外套3下端设置有非接触式静密封环5，非接触式静密封环5套住摆动套4，非接触式 静密封环5与摆动套4之间的间隙为0. 03mm ；非接触式静密封环5顶部开有回油槽6 ；非接 触式静密封环5下部设置有逐级排水槽8和逐级排漏接口 9，逐级排水槽8和逐级排漏接口 9由管道连通。所述的非接触式静密封环5的环壁上部开有回油接口 7，一端与回油槽6相连通， 另一端与由时间继电器控制的微型油泵连接。所述的逐级排水槽8为3级排水槽。所述的非接触式静密封环5的环壁中部开有检漏口 10与回油槽6相连通。
本发明利用流体间隙阻力原理，即流体流经窄间隙后，会产生压降；再通过间隙密 封后的排水槽分流，这样，进入下一级间隙密封的水流的压力和流量将大大减小。依据这个 原理，通过设置多级间隙密封以及相应级数的排水槽和排水孔，将水流逐级减压、分流，使 密封效果最终达到设计及使用要求。对于回油槽内的回油，根据下导轴瓦的回油量和回油槽容积，可计算出溢流时间， 通过一台由时间继电器控制的微型油泵在回油槽溢流前定时将回油抽取回油箱，这样就避 免了回油槽内油液溢出进入水路，从而成功地实现了油/水隔离，满足了静压轴承转动部 件的使用要求。实施例2
外套3下端设置有非接触式静密封环5，非接触式静密封环5套住摆动套4，非接触式 静密封环5与摆动套4之间的间隙为0. 04mm ；非接触式静密封环5顶部开有回油槽6 ；非接 触式静密封环5下部设置有逐级排水槽8和逐级排漏接口 9，逐级排水槽8和逐级排漏接口 9由管道连通。所述的非接触式静密封环5的环壁上部开有回油接口 7，一端与回油槽6相连通， 另一端与由时间继电器控制的微型油泵连接。所述的逐级排水槽8为7级排水槽。所述的非接触式静密封环5的环壁中部开有检漏口 10与回油槽6相连通。本发明利用流体间隙阻力原理，即流体流经窄间隙后，会产生压降；再通过间隙密 封后的排水槽分流，这样，进入下一级间隙密封的水流的压力和流量将大大减小。依据这个 原理，通过设置多级间隙密封以及相应级数的排水槽和排水孔，将水流逐级减压、分流，使 密封效果最终达到设计及使用要求。对于回油槽内的回油，根据下导轴瓦的回油量和回油槽容积，可计算出溢流时间， 通过一台由时间继电器控制的微型油泵在回油槽溢流前定时将回油抽取回油箱，这样就避 免了回油槽内油液溢出进入水路，从而成功地实现了油/水隔离，满足了静压轴承转动部 件的使用要求。实施例3
外套3下端设置有非接触式静密封环5，非接触式静密封环5套住摆动套4，非接触式 静密封环5与摆动套4之间的间隙为0. 035mm ；非接触式静密封环5顶部开有回油槽6 ；非 接触式静密封环5下部设置有逐级排水槽8和逐级排漏接口 9，逐级排水槽8和逐级排漏接 口 9由管道连通。所述的非接触式静密封环5的环壁上部开有回油接口 7，一端与回油槽6相连通， 另一端与由时间继电器控制的微型油泵连接。所述的逐级排水槽8为3 7级排水槽。所述的非接触式静密封环5的环壁中部开有检漏口 10与回油槽6相连通。本发明利用流体间隙阻力原理，即流体流经窄间隙后，会产生压降；再通过间隙密 封后的排水槽分流，这样，进入下一级间隙密封的水流的压力和流量将大大减小。依据这个 原理，通过设置多级间隙密封以及相应级数的排水槽和排水孔，将水流逐级减压、分流，使 密封效果最终达到设计及使用要求。对于回油槽内的回油，根据下导轴瓦的回油量和回油槽容积，可计算出溢流时间，通过一台由时间继电器控制的微型油泵在回油槽溢流前定时将回油抽取回油箱，这样就避 免了回油槽内油液溢出进入水路，从而成功地实现了油/水隔离，满足了静压轴承转动部 件的使用要求。实施例4
外套3下端设置有非接触式静密封环5，非接触式静密封环5套住摆动套4，非接触式 静密封环5与摆动套4之间的间隙为0. 037mm ；非接触式静密封环5顶部开有回油槽6 ；非 接触式静密封环5下部设置有逐级排水槽8和逐级排漏接口 9，逐级排水槽8和逐级排漏接 口 9由管道连通。所述的非接触式静密封环5的环壁上部开有回油接口 7，一端与回油槽6相连通， 另一端与由时间继电器控制的微型油泵连接。所述的逐级排水槽8为3 7级排水槽。所述的非接触式静密封环5的环壁中部开有检漏口 10与回油槽6相连通。本发明利用流体阻力原理，即流体流经窄后，会产生压降；再通过密封后的排水槽 分流，这样，进入下一级密封的水流的压力和流量将大大减小。依据这个原理，通过设置多 级密封以及相应级数的排水槽和排水孔，将水流逐级减压、分流，使密封效果最终达到设计 及使用要求。对于回油槽内的回油，根据下导轴瓦的回油量和回油槽容积，可计算出溢流时间， 通过一台由时间继电器控制的微型油泵在回油槽溢流前定时将回油抽取回油箱，这样就避 免了回油槽内油液溢出进入水路，从而成功地实现了油/水隔离，满足了静压轴承转动部 件的使用要求。实施例5
非接触式静密封应用于立式模型水轮机中的静压轴承转动部件进行转矩测量 间隙静密封在立式模型水轮机静压轴承转动部件上的成功应用，极大地提高了该型转 动部件对摩擦力矩的测试精度，其摩擦力矩传感器原位标定精度可达到0. 1%以上。未使用 非接触式静密封的转动部件，其摩擦力矩传感器的原位标定精度只能达到1. 0% 5. 0%。比 较得知，使用非接触式静密封这种新型的密封结构将静压轴承转动部件摩擦力矩传感器原 位标定精度提高了一个数量级。图4、图5为使用非接触式静密封的静压轴承转动部件摩擦 力矩传感器原位标定曲线图，图4为传感器输出电量与力矩的关系曲线图，图5为各标定点 的误差分布图，其中最大误差为0. 078%。实施例6
某型轴流式水轮机在模型试验中不同转角下静压轴承转动部件与滚动轴承转动部件 所测得的主轴力矩值比较
由图6-8可以看出，模型水轮机输出转矩通过静压轴承转动部件计入摩擦力矩后，其 有效值显著提高；而且通过对试验结果的分析发现摩擦力矩与模型水轮机转速并不成线性 对应关系，由此说明在此前水轮机模型试验过程中采用滚动轴承转动部件的试验方法不能 测得模型水轮机的全部输出主转矩，由此计算所得的效率值未能全面客观地反映出模型转 轮的能量特性。
权利要求
1.非接触式静密封结构在模型水轮机静压轴承转动部件中的应用。
2.根据权利要求1所述的非接触式静密封结构在模型水轮机静压轴承转动部件中的 应用，其特征在于所述的静压轴承转动部件包括主轴(1)、下导轴瓦(2)、外套(3)以及摆 动套(4)；非接触式静密封结构的非接触式静密封环(5)设置在静压轴承转动部件的外套 (3)下方，套在静压轴承转动部件的摆动套(4)上，非接触式静密封环(5)与摆动套(4)之 间的间隙为0. 03 0. 04mm。
3.根据权利要求2所述的非接触式静密封结构在模型水轮机静压轴承转动部件中的 应用，其特征在于所述的非接触式静密封环(5)上部开有回油槽(6)；非接触式静密封环 (5)下部设置有逐级排水槽(8)和逐级排漏接口(9)，逐级排水槽(8)和逐级排漏接口(9) 由管道连通。
4.根据权利要求3所述的非接触式静密封结构在模型水轮机静压轴承转动部件中的 应用，其特征在于所述的非接触式静密封环(5)的环壁上部开有回油接口(7)，一端与回 油槽(6)相连通，另一端与由时间继电器控制的微型油泵连接。
5.根据权利要求3所述的非接触式静密封结构在模型水轮机静压轴承转动部件中的 应用，其特征在于所述的逐级排水槽(8)为3-7级排水槽。
6.根据权利要求3所述的非接触式静密封结构在模型水轮机静压轴承转动部件中的 应用，其特征在于所述的非接触式静密封环(5)的环壁中部开有检漏口(10)与回油槽(6) 相连通。
全文摘要
本发明涉及非接触式静密封在模型水轮机静压轴承转动部件中的应用。本发明针对现有立式模型水轮机静压轴承转动部件中密封结构的问题，或者无密封结构的缺陷，将新型非接触式间隙静密封应用于立式模型水轮机静压轴承转动部件中。所述转动部件外套下端设置有非接触式间隙静密封环，下部设置有逐级排水槽和逐级排漏接口。非接触式间隙静密封保持了静压轴承转动部件外套和摆动套相互间无约束的可灵活运动的工作状态，满足了摆动套实现高灵敏度摆动的条件；逐级排水槽既满足了转动部件装配结构尺寸要求，又实现了油/水隔离的目的，使静压轴承转动部件能防止压力水与回油之间串流的同时又满足摩擦力矩的高精度测量要求。
文档编号F16C33/74GK102072258SQ20101053476
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月8日 优先权日2010年11月8日
发明者万兵, 严肃, 李宁 申请人:东方电气集团东方电机有限公司