专利名称：具有自驱动轴承润滑剂循环、过滤、及冷却系统和自适应压力补偿系统的浸没式水电涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及水力发电机，并且具体地说，涉及用来利用在潜流中包含的动能的完全可浸没式水电涡轮机。
背景技术：
水力发电机由水的运动产生电力。现在对于这种形式的可再生能量有极大兴趣， 因为它在操作期间不会像碳氢化合物燃烧那样产生任何有害温室气体排放，也不会像核能那样引起其它的环境和健康的担忧。尽管已经在过去几十年对具有水坝的水力发电站有很大兴趣，但对于开发利用在河道水流、潮汐流或洋流中包含的动能的水下水电涡轮机也已经有某种兴趣。因为这些涡轮机的水下安装昂贵并且复杂，所以这些水下涡轮机具有非常苛刻的操作要求，特别是在可靠性(即，使用寿命)和能量转换效率方面。最近几年已经开发了多种不同的技术。一些例子包括US6，409，466 (Lamont)； US 4,274,009 (Parker) ；US 5, 100,290 (Berger) ；US 5,798,572 (Lehoczky) ；US 4,613,279 (Corren 等人)；US 5，440，176(Haining) ；US 4, 335, 319(Mettersheimer)； US 4,219,303 (Mouton) ；US 4,306,157 (Wracsaricht) ；US 6,648,589(Wi11iams)； US2002/0088222(Vauthier) ；US 7,471,009 (Davis 等人)；US 7, 378, 750 (Williams)； US 4，421，990(Heuss 等人)；US 2, 634, 375 (Guimbal) ；US 7, 279, 803 (Bosley) ；US 4，026，587 (Hultman等人)。尽管有这些各种不同的技术，但仍然有对更可靠和高效的水下涡轮机的需求。这样一种涡轮机在这里公开。
发明内容
广义地讲，本发明是一种新颖的浸没式、或可浸没的水电涡轮机，该水电涡轮机能够由潜流(例如由河道水流或潮汐流)产生电力。涡轮机具有新颖的自身独立且完备的 (self-contained)前端轴承单元和后端轴承单元(或轴承组件)，这些轴承单元包括它们自己的自驱动润滑剂循环、冷却及过滤系统和它们自己的自适应压力补偿系统。轴承单元的革新设计显著地延长涡轮机的水下使用寿命，因而使制造、操作及维护成本最低。自驱动、自启动润滑剂循环系统仅使用涡轮机的转动中心轴的机械动力的一部分，来使润滑剂循环过内部回路，以便润滑、清洁及冷却轴承。自适应压力补偿系统使用一个或多个平衡腔室，以使在润滑剂循环系统内的润滑剂压力与在轴承腔室外的周围水压力相平衡。通过保持几乎零压差，即使面对变化的环境水温，实际上也没有油(润滑剂)到涡轮机的润滑剂循环系统外的泄漏(或者，最多仅有很小量的泄漏)，或者没有相反地水到润滑剂循环系统内的泄漏。防止水渗入到润滑剂循环系统中对保证运动部件正在进行的适当润滑和因而保证延长的使用寿命是决定性的。防止润滑剂泄漏到周围水中对保证在循环系统内的润滑剂的足够量和压力也都是重要的，而且也由于环境原因，已经使用生物可降解润滑剂。因此，本发明的一个主要方面是提供一种水下水电涡轮机，该水下水电涡轮机具有涡轮机外壳，具有进口和出口 ；中心轴，在涡轮机外壳内轴向延伸；自身独立且完备的密封前部轴承单元，用来转动地支撑中心轴的前端；及自身独立且完备的密封后部轴承单元，用来转动地支撑中心轴的后端。前部轴承单元和后部轴承单元每个均包括自驱动润滑剂循环系统，该自驱动润滑剂循环系统从中心轴的转动中抽取机械动力的一部分，以使润滑剂循环过每个相应的轴承单元。在本发明的一组实施例中，循环系统包括穿过中心轴从中心轴的前端延伸到一对径向通道的中心轴向通道，这对径向通道设置成比在每个轴承单元内的轴承更靠近中心轴的几何中心，径向通道将润滑剂输送到环形通路，该环形通路使润滑剂能够流过轴承，以连续地进行润滑、清洁润滑剂(通过滤出金属颗粒)及冷却轴承。在本发明的另一组实施例中，润滑剂循环系统还包括过滤器，该过滤器用来在润滑剂进入中心轴向通道之前过滤润滑剂。在本发明的又一组实施例中，前部轴承单元相对于后部轴承单元是轴向可运动的，允许机械和/或热应力释放。本发明的另一个方面提供一种水下水电涡轮机，该水下水电涡轮机具有涡轮机外壳，具有进口和出口 ；中心轴，在涡轮机外壳内轴向延伸；自身独立且完备的密封前部轴承单元，用来转动地支撑中心轴的前端；自身独立且完备的密封后部轴承单元，用来转动地支撑中心轴的后端；及平衡腔室，用来自动地使在涡轮机的含润滑剂腔室内的润滑剂压力与在轴承腔室外的周围水压力相平衡。在本发明的一组实施例中，平衡腔室包括罐和气囊，该气囊位于所述罐内并具有弹性隔膜，气囊预填充有用于膨胀和收缩的加压惰性气体，以使在涡轮机的含润滑剂腔室内的压力变化与在轴承腔室外的周围水压力相平衡。在本发明的另一组实施例中，设有在中心轴周围依次设置的环形腔室。这三个腔室包括第一腔室，具有第一高机械性能密封件，以将第一腔室与周围水隔离；第二腔室， 与第一腔室相邻，并且具有第二机械密封件，以将第二腔室与第一腔室隔离；及第三腔室， 与第二腔室相邻，并且具有第三密封件，以将第三腔室与第二腔室隔离，并且反之亦然。在本发明的又一组实施例中，第一腔室包括第一平衡腔室，第二腔室包括第二平衡腔室，及第三腔室包括第三平衡腔室。这种新颖技术的其它方面、特征及优点通过参考如下描述和附图将变得显明。
本发明的进一步特征和优点由结合附图进行的如下详细描述将变得显明，在附图中图1是根据本发明实施例的水下水电涡轮机的前部轮毂组件的前视图；图2是穿过在图1中的截面A-A得到的前部轮毂组件的剖视图；图3是前部轮毂组件的前部轴承单元的剖视图，该前部轴承单元在图2中标识为细节B ；图4是在图1中描绘的前部轮毂组件的放大的后视图5是根据本发明实施例的后部轴承单元的等轴测图；图6是在图5中描绘的后部轴承单元的前视图；图7是穿过在图6中的截面A-A得到的后部轴承单元的剖视图；图8是用于根据本发明一个实施例的水下水电涡轮机的三腔室自适应压力补偿系统的示意性描绘的视图；图9是由与以上呈现的相似的前部轴承单元和后部轴承单元转动地支撑的普通中心轴的剖视图；及图10是在图9中描绘的前部轴承单元的放大的剖视图。要注意，贯穿附图，类似特征由类似附图标记标识。此外应该注意，附图不必按比例。
具体实施例方式总体而言并通过概述的方式，本发明提供一种革新的水下水电涡轮机。这种涡轮机具有革新的自身独立且完备的前部轴承单元和自身独立且完备的后部轴承单元，该前部轴承单元和后部轴承单元转动地支撑涡轮机的中心轴。这些轴承单元在延长涡轮机的使用寿命、提高能量回收效率及使环境影响最小化方面起关键作用。轴承单元有两个主要新颖方面。首先，轴承单元包括自驱动、自启动循环系统，该循环系统利用转动的中心轴的动力，以使润滑剂循环。自驱动润滑剂循环系统润滑、清洁并冷却轴承。此外，通过使这种轴承润滑流体循环到在鼻部中的热交换区中并循环过过滤器，润滑流体既被冷却，又被滤除掉(清除)金属颗粒。第二，轴承单元包括自适应压力补偿系统。可以预填充有惰性加压气体的平衡腔室用来使润滑剂压力与周围水压力相平衡，以防止或至少大大地阻止润滑剂从润滑剂循环系统中泄漏出，并且也防止或至少大大地阻止水渗入到润滑剂循环系统中。轴承单元的第一和第二新颖方面优选地一起用在相同涡轮机设计中以提供最佳性能，尽管它们也可以独立地使用。也应该理解，相同的技术用在涡轮机的前部轴承单元和后部轴承单元两者中，但在一种变型中可以例外地仅用在两个轴承单元之一中。现在参照附图在下文描述本发明的主要说明性实施例。图1描绘前部轮毂组件，该前部轮毂组件包括涡轮机的前部轴承单元。如在这张说明性的附图中表示的那样，涡轮机具有从涡轮机外壳到轴向设置的中心轴径向延伸的多个仿形导流叶片。在这个具体实施例中，有五个仿形导流叶片，尽管将认识到，叶片的数量可以改变。这些导流叶片既支撑中心轴(在轴承上，如下面将详细描述的那样)，又使水预涡旋成流入涡轮机的进口中，以便提高效率。流入进口中的水使转子(或动轮)与中心轴一起转动。中心轴在前部轴承单元和后部轴承单元上转动，该前部轴承单元和后部轴承单元由相应的前部叶片组和后部叶片组支撑。在转子的末端中的磁体相对于固定在定子中的固定绕组转动(该定子设置在涡轮机的外壳内)，以在外部电路内感应出电压和电流，由此产生电力。这种电力由可浸没电缆运送到岸上，在该处电力可以在本地消耗，并且/或者馈给到电网。图2是在图1中表示的这个前部轮毂组件的剖视图。图2是穿过图1的截面A-A
6得到的剖视图。相应地，图2表示从涡轮机外壳到前部轴承单元径向延伸的导流叶片，该前部轴承单元支撑可转动中心轴的前端。涡轮机的寿命(使用寿命)取决于前部轴承单元和后部轴承单元。这里公开的新颖轴承设计期望涡轮机能够无维护地操作近似100，000小时。鉴于为了修理和维护而接近水下涡轮机所产生的费用和困难，涡轮机的寿命和可靠性是最重要的。图3是前部轮毂组件的前部轴承单元的剖视图。在图3中描绘的前部轴承单元在图2中标识为细节B。这个前部轴承单元的新颖设计像下面要描述的后部轴承单元的新颖设计那样，具有两个主要革新方面(1)轴承单元具有自驱动、自启动润滑剂循环系统，该润滑剂循环系统使用中心轴的转动动力的一部分来驱动叶轮，该叶轮使润滑剂循环过循环系统；和(2)轴承单元具有自适应压力补偿系统，该自适应压力补偿系统使用一个或多个平衡腔室，以便使润滑剂压力与周围水压力相平衡。这些特征可以一起或独立地使用，以提供优越的涡轮机轴承性能。除这些新颖方面之外，前部轴承单元像后部轴承单元那样，具有球面滚子轴承以适当转动地平衡并支撑中心轴，并且也包括多个密封件，以将轴承和其润滑剂与周围(环境)水隔离。在图1-4中描绘的实施例中，球面滚子轴承设置在前部轴承单元中(如它相对于后部轴承单元那样)。要认识到，在其它变型中，可以具有多于一个这样的轴承，可以具有不同类型的轴承，或者可以具有不同类型的轴承、轴颈或套筒的组合。如在图3中描绘的那样，润滑剂循环系统使润滑剂连续地循环过轴承(只要中心轴正在转动)，由此润滑、冷却、并清洁轴承润滑剂，因此保护轴承。轴承的连续润滑延长轴承的寿命。轴承的冷却也很重要，以便消散由轴承的正常操作产生的热量。轴承在操作期间产生热量和正常的磨损。这种热量通过润滑剂的流动消散，该润滑剂带走热量。热量通过外壳的壁借助于周围(较冷的)水传递。清洁也是重要的。随着时间的推移，轴承滚道可能磨损，并且小金属颗粒或金属微粒可能脱离，这可加速轴承的磨损。润滑剂也从轴承中清除这些或任何其它颗粒，并且将它们运送到在轴向中心轴的每个端部处安装的过滤介质。叶轮连接至轴向中心轴。该叶轮具有叶轮叶片，这些叶轮叶片使润滑剂循环。轴向中心轴在其中具有轴向润滑剂通道(或轴向润滑剂通路)，该轴向润滑剂通道从轴的前端向轴的内部(即，向轴的几何中心)延伸。径向润滑剂通道(径向润滑剂通路)从轴向通道的内部延伸到环形通路。球面滚子轴承定位在这个环形通路内。在操作中，中心轴的转动使叶轮与轴一致地转动。叶轮的叶轮叶片推进润滑剂，使得润滑剂循环过循环系统的回路。润滑剂进入轴向通道，向内行进到径向通道，然后径向向外行进，直到它到达环形通路。然后润滑剂穿过球面滚子轴承并通过叶轮叶片流回到后部轴承单元外壳的鼻部，在该处它通过轴承单元外壳的薄钢壁与较冷的周围水交换热量，该较冷的周围水流过这个外壳的外侧。然后被冷却的润滑剂重新进入轴向通道，以便进一步循环过径向通道、环形通路、寸寸。这种自身独立且完备的、自驱动润滑系统具有提供比例润滑的固有优点。换句话说，中心轴旋转得越快，产生的热量越多，并且轴承磨损越大。然而，中心轴旋转得越快，润滑剂循环得越快(因为这与叶轮的角速度成正比)。因此，轴转动得越快，冷却和润滑越强。 因此这种设计提供一种革新的方式，以便提供成比例的、自驱动的冷却、润滑及清洁功能。 此外，润滑系统是自启动的。不需要外部泵和过滤系统来循环和清洁在润滑系统中的润滑剂，也不启动泵。这降低了成本、简化了复杂性、减小了尺寸，并且改进了使用寿命。期望的是，新颖设计将使涡轮机轴承系统无维护地工作100，000小时(S卩，超过10年)。因为降低的维护成本，所以与其它可再生能量生产选项相比，能量提取成本变得非常有竞争力。如在图3中示出的具体实施例中进一步描绘的那样，高性能过滤介质设置在通向轴向润滑剂通道的进口处，以过滤润滑剂并捕获颗粒、金属或其它物质，这些物质在轴承腔室中产生，或者进入轴承腔室中。如在图3的实施例中进一步描绘的那样，设有磁棒，以磁性地吸引并捕获金属颗粒。磁棒和过滤介质从润滑剂中除去金属和其它有害颗粒，以保证只有清洁的润滑剂流过轴承。这种磁性清洁和过滤进一步延长轴承寿命。如在图3中进一步描绘的那样，自适应压力补偿系统具有一个或多个平衡腔室， 以自动地使润滑剂压力与周围水压力相平衡。周围水压力是深度(一旦涡轮机被安装，深度就保持恒定)、流量(它随水流变快或变慢而改变)及温度(它也可随天气和季节变化) 的函数。水温也具有改变涡轮机元件的温度和在涡轮机内的一种或多种润滑剂的温度的效果。因为这些温度效果，在涡轮机内的润滑剂与涡轮机外的周围水之间有产生压差的可能性。这种潜在的压差是成问题的，因为它可以引起润滑剂泄漏到涡轮机外进入周围水中，或要不然引起水渗透进入涡轮机的密封腔室中。在前一种情况下，润滑油到水中的泄漏潜在地对于环境不利，尽管对于这种具体涡轮机，已经小心地使用是生物可降解的和环境友好的油。关于油泄漏的另一个问题是，随着时间的推移，涡轮机将损失润滑剂的量和压力，因而最终使性能退化。水进入涡轮机的密封腔室中的渗透也是非常成问题的，因为这稀释润滑剂，改变其成分和效力。因此，非常希望的是，如果不是彻底地消除的话，也使在涡轮机的内部腔室与周围水之间的任何压差最小。本发明提供自适应压力补偿系统，该自适应压力补偿系统对于外部水的周围压力的变化作出反应，以改变(调整)在涡轮机的腔室内的压力以便与周围水压力相匹配，从而迅速消除任何产生的压差。通过恢复压力平衡，消除(或至少大大地减小)到涡轮机的含油腔室中的泄漏或到其外的渗透的可能性。自适应压力补偿系统利用一个或多个平衡腔室来使含油腔室的内外压力平衡。每个腔室设有其自己的平衡腔室，所述平衡腔室自动地补偿压力变化。每个平衡腔室包括罐和气囊，该气囊位于所述罐内并具有弹性隔膜。气囊预填充有加压惰性气体(例如像队或(X)2之类的气体)。这种气体膨胀和收缩，以使在涡轮机的含润滑剂腔室内的压力与在涡轮机外的周围水压力相平衡。气体预填充到基于工作深度 (即，基于在该深度处的水柱)的压力，从而为涡轮机的可能的操作状态提供一定范围的压力补偿。在图3中描绘的具体实施例中，一个这样的平衡腔室定位在前部轴承单元的外壳的鼻部内。在下面呈现的实施例中，为每个轴承单元提供三个平衡腔室(对于三个不同的腔室的每一个设置一个平衡腔室)。这将在下面更详细地描述。这种涡轮机的另一个特征是，前部轴承单元相对于后部轴承单元是轴向可运动的。轴向运动的这种可能性适应在涡轮机中的热膨胀或其它应变，因此减轻超过设计应力的任何应力。前部轴承单元相对于后部轴承单元的这种轴向运动凭借前部轴承单元是可能的，该前部轴承单元包括在轴承外壳内滑动以实现前部轴承单元相对于后部轴承单元的轴向位移的轴承。换句话说，轴承的内部套筒紧密地配合到中心轴的外侧，而外部套筒在其相应的外壳内滑动。这能够实现某种程度的轴向位移，以适应热膨胀或其它机械诱导的应变。
图4是在图1中描绘的前部轮毂组件的放大后视图。图4示出了在这个具体实施例中双轴向加速度仪161的位置，该双轴向加速度仪161设计成测量轴向和径向振动。可以设有监视系统，以从加速度仪接收信号，并且当振动超过预定阈值时提供警报。也可以设有控制系统，以便如果振动超过预定阈值则控制中心轴的角速度，以避免对涡轮机的损坏。在图1-4中作为例子描绘的具体实施例中，前部轮毂组件具有前部轮毂101，如图 3所示，该前部轮毂组件带有Varilip 密封支撑件102和螺纹紧固件103。球面滚子轴承 104配合在轮毂与中心轴(或主轴)162之间。前部轴承套筒105和螺母106将轴承的内部套筒保持到位。也可见的是泵送盖107、过滤垫片108、过滤薄片109、垫圈110及紧固件 111和0形圈112。在顶部侧上是导流叶片进口 113和导流叶片键114。在前部轴承单元的后部处可见的是密封衬套115。密封垫片116沿轴设置，如所示的那样。磁棒117设置在鼻部中，如以上描述的那样。对于连接到第一腔室的第一平衡腔室，该平衡腔室包括气囊顶部盖118、0. 6升气囊119、气囊管120、及气囊底部盖121。第三平衡腔室的1. 15升气囊由附图标记122表示。 第二平衡腔室包括气囊顶部盖137、0. 16升气囊138、气囊管139及气囊底部盖140。也在图3中可见的是如下部分座环123 ；导流叶片调整器套筒螺母124 ；垫圈 125 ；前部保护支撑件126 ；螺纹紧固件127 ；0形圈1 和1 ；紧固件130、131及132 ；密封边缘133和134 ；紧固件135和136 ；以及，0形圈凸塞142。如图3所示，前部轴承单元包括前部盖143。也在前部轴承单元的前端处的是轴承腔室油歧管150、油歧管杆151、Swagelok 附件152、153。前部轴承单元包括经相应的National Pipe Thread (NPT)接头156安装的三个可浸没压力变换器(transdUcer)157，如图3所示。三个水分(湿度)传感器158在这个剖视图中也是可见的。图5-8描绘后部轴承单元。后部轴承单元的元件和特征的多个与前部轴承单元的那些相同或相似，并且相应地，这里将不再多余地描述。后部轴承单元像前部轴承单元那样，具有自驱动润滑剂循环系统和/或自适应压力补偿系统，以便延长使用寿命、使环境影响最小、提高能量抽取效率、并且使制造成本和复杂性最低。图5是按照本发明一个实施例的后部轴承单元的等轴测图。图5表示大体圆筒形的轴承单元外壳，该轴承单元外壳包围轴承单元。两个平衡腔室(罐)在后部轴承单元外壳的后部是可见的。这两个平衡腔室设置在后部轴承单元的下游，以使对于可能越过涡轮机的外来物体(例如，原木)的流体动力阻力和暴露最小。图6是在图5中描绘的后部轴承单元的前视图。两个外部平衡腔室是可见的。在每个平衡腔室内是由锯齿线表示的相应的气囊，锯齿线示出了气囊部分地缩小(因为它使在其相应的油腔室内的压力适应周围水压力)。第一外部平衡腔室和第二外部平衡腔室分别用于第一含油腔室和第二含油腔室。图7是穿过在图6中的截面A-A得到的后部轴承单元的剖视图。两个并排的外部平衡腔室之一以及用于第三含润滑剂腔室的内部平衡腔室在这张图中是可见的。第三腔室是最大的腔室。这是包括润滑剂循环系统(轴向通道、各径向通道、及穿过球面滚子轴承的环形通路)的腔室。如图7所示，该第三腔室也包括鼻部。鼻部限定大体上截头锥形容积。 如以上提到的那样，在这个鼻部中的润滑剂通过外壳的钢壁与较冷周围水交换热量。鼻部也包括磁棒，该磁棒与在轴向通道的口部处的过滤介质一起过滤并清洁润滑剂。第三平衡腔室正是定位在这个鼻部内，如这张同一图所示。因而第三平衡腔室调节第三腔室内的压力，以与在轴承单元的外壳外的周围水压力相匹配。仍然参照图7，后部轴承单元包括轴承单元外壳201、球面滚子轴承202、后部轴承套筒203、螺母204及后部轴承衬套205。Varilip 密封支撑件206将密封衬套213约束在主轴(中心轴)240上。0形圈214和密封垫片216如所示的那样设置。注意，中心轴MO 是在图3中由附图标记162指示的同一中心轴的后部部分。如在图7中所示的那样，后部轴承单元像前部轴承单元那样，具有自驱动润滑系统，该自驱动润滑系统具有由中心轴驱动的叶轮，以使润滑剂流过由轴向和径向通道以及穿过轴承的环形返回通路形成的封闭环路，如以上详细描述的那样。该润滑剂循环系统在这个具体实施方案中也具有过滤器，该过滤器包括过滤垫片210、过滤薄片211及垫圈212。 在这个具体实施例中，循环系统也包括磁棒215，用来从润滑剂中滤除金属颗粒。如图7所示，后部轴承单元像前部轴承单元那样，具有自适应压力补偿系统，该自适应压力补偿系统包括三个腔室和三个平衡腔室，每个腔室包括一个平衡腔室。如表示的那样，第一平衡腔室包括气囊顶部盖217、0. 6升气囊218、气囊底部盖219、气囊管220及密封边缘221。第二平衡腔室包括气囊顶部盖225、0. 16升气囊226、气囊管227及气囊底部盖228。第三平衡腔室包括1.15升气囊222。如在这张图中描绘的那样，在这个实施例中的第三平衡腔室固定在后部轴承单元的外壳的鼻部中，即在外壳的球形延伸部中。后部轴承单元也可以包括盖229，如所示的那样。就传感器而论，后部轴承单元包括经相应的NPT接头237安装的三个可浸没压力变换器236、三个湿度传感器238、及一个双轴向加速度仪239。注意，在图7中可见的压力变换器238安装至轴承腔室油歧管230，下游油管233经Swagelok 附件232连接至该轴承腔室油歧管230。管233在其上游处与另一个Swagelok 附件235相连接。油歧管杆231从轴承单元外壳向后延伸到油歧管230。图8示意地描绘在本发明的一个实施例中使用的三腔室密封系统。三个依次布置的密封含油腔室用来提供大体无泄漏的轴承单元。三个含润滑剂腔室的每一个具有其自己相应的平衡腔室，用来独立地且自动地调节含润滑剂腔室内的压力，以与周围水压力相匹配。这种密封轴承单元的层叠(分层)手段通过依次稀释水-油混合物减弱进入轴承单元中的水渗透的影响。例如，考虑其中少量水渗透到第一含润滑剂腔室中的情景，例如由于横过第一密封件的瞬时压力不平衡。这种少量水与在这个含润滑剂腔室中的油相混合，以与少量水形成主要是油的混合物。即使在第一含润滑剂腔室中的这种混合物进一步渗透到第二含润滑剂腔室中，第二含润滑剂腔室中的生成的混合物也主要是油，因为渗透到含润滑剂腔室中的液体主要是油，仅具有少量水。同样，即使在第二含润滑剂腔室中的混合物渗透到第三含润滑剂腔室中，生成的混合物也仅包含非常少量的水。换句话说，含润滑剂腔室的层叠构造具有在每个依次布置的含润滑剂腔室中依次稀释水的量的效果(从而即使水渗透到第三含润滑剂腔室中，该量也是可忽略的，因为它代表三次稀释(稀释的稀释的稀释))。如作为例子在图8中描绘的那样，第三含润滑剂腔室具有最大容积，第一含润滑剂腔室具有第二大容积，及第二含润滑剂腔室具有最小容积。连接到第一含润滑剂腔室的
10是第一平衡腔室。连接到第二含润滑剂腔室的是第二平衡腔室。连接到第三含润滑剂腔室的是第三平衡腔室。仅作为例子，第一含润滑剂腔室可以具有近似3升的容积(容量)，第二含润滑剂腔室具有1升的容积，而第三含润滑剂腔室具有10升的容积。将理解，这些含润滑剂腔室的容积(容量)可以改变，并且这里确实作为例子被呈现。同样仅作为例子，第一平衡腔室可以具有0. 6升的容积，第二平衡腔室具有0. 16升的容积，而第三平衡腔室具有1. 15升的容积。在该具体构造中，第三平衡腔室具有比第一平衡腔室大的容积，该第一平衡腔室具有比第二平衡腔室大的容积。要强调的是，这些平衡腔室容积可以改变，并且这里确实作为用于涡轮机的例子被呈现，该涡轮机期望安装在近似10米深度的河中，其中水温期望在4与 18摄氏度之间变化。注意，含润滑剂腔室容积与平衡腔室容积的比值如何从第二腔室到第一腔室到第三腔室增大，反映了需要的设计压力补偿(与每个腔室容量相关)。换句话说， 第一含润滑剂腔室最暴露，并因而需要相对于其尺寸的最大无泄漏能力。第二含润滑剂腔室某种程度上受第一含润滑剂腔室保护，并因而其平衡腔室的压力补偿能力不如对于第一含润滑剂腔室那样大。第三含润滑剂腔室受第一含润滑剂腔室和第二含润滑剂腔室保护。 其压力补偿平衡腔室因而可以是不同的，因为在第三含润滑剂腔室与周围水之间的压差由前两个含润滑剂腔室缓和。如在图8中进一步示意描绘的那样，在第一腔室的水侧界面处有静密封件(例如， 0形圈或其它密封件)。另一个密封件存在于第一腔室和第二腔室之间。密封件和润滑脂隔层设置在第二腔室和第三腔室之间。这些密封件中的一个或多个可以是密封衬套的部分。如在图8中进一步示意描绘的那样，第一含润滑剂腔室和第二含润滑剂腔室可以包含同一种生物可降解流体(同一种润滑剂)，而不同类型的油(润滑剂)可以用于第三含润滑剂腔室，该第三含润滑剂腔室实际上包含球面滚子轴承。三个含润滑剂腔室的每一个可以包括其自己的湿度传感器和/或其自己的压力传感器和/或其自己的温度传感器。这些传感器将信号发送到控制系统，该控制系统通常位于岸上，该控制系统随着时间的推移监视涡轮机的性能。这些传感器在将性能数据和其它测量值传送到操作人员方面起重要作用，以使操作人员能够知道何时涡轮机应该维护。涡轮机可以包括向前延伸的可浸没压力变换器，该压力变换器连接至前部轴承单元的前部润滑剂歧管，用来检测周围水压力。类似地，向后延伸的可浸没压力变换器连接至后部轴承单元的后部润滑剂歧管，用来检测周围水压力。图9示出了由前部轴承单元和后部轴承单元支撑的中心轴的405。在该具体图中描绘的轴承单元来自该技术的较早重述，因而在设计上稍微不同。图10是图9的前部轴承单元的剖视图。在图10中表示的实施例也包括球面滚子轴承401、密封衬套402、叶轮403、 过滤器404、及引导到相同径向通道和环形通路的轴向通道406。轴承单元外壳411包围轴承单元。涡轮机的这种较早重述表明，元件可以不同地配置，而不脱离这里呈现的本发明概念。例如，平衡腔室可以位于连接到端口 408的轴承单元下面，如图10所示。如将认识到的那样，管路布置可以设计成将平衡腔室实际上设置在任何处，尽管在提交时对于本申请人而言已知的最好模式是将第三平衡腔室设置在鼻部内，如在图3和图7中描绘的那样，并且将第一平衡腔室和第二平衡腔室定位在轴承单元外侧和后面，在该处它们被保护免于损坏。
图10也示出了盖409，该盖409固定至轴承单元，以保证密封件尽可能多地保持在静态压力下，与在动态压力下相反。盖减弱在密封件处的压力变化速率，由此给所述一个或多个平衡腔室适应压力变化的时间。因此盖与平衡腔室合作，以横过轴承单元的每一个的密封保持接近零的压差。图10也清楚地示出了动态转动摩擦型浮动密封件407，该密封件407用来将润滑剂与周围水隔离。这种类型的密封件在保持不透水密封的同时允许轴旋转。前部轴承单元和后部轴承单元的结构元件的大部分优选地由不锈钢制成，尽管应该认识到，其它合金或材料可以替代，如由本领域的技术人员理解的那样。就旨在仅仅是示范性或说明性的具体实施例、例子、实施方式及构造方面，已经描述了本发明。这种革新技术的其它变型、修改、改进及应用对于已经受益于阅读本公开的本领域的技术人员将成为显而易见的。这些变型、修改、改进及应用落在本发明的意图和范围内。相应地，由本申请人对于本发明寻求的排它权利的范围，旨在仅由所附权利要求书和其合法等效物限制。
权利要求
1.一种水下水电涡轮机，包括涡轮机外壳，所述涡轮机外壳具有进口和出口 ；中心轴，所述中心轴在所述涡轮机外壳内轴向延伸；自身独立且完备的密封前部轴承单元，所述前部轴承单元用来转动地支撑所述中心轴的前端；及自身独立且完备的密封后部轴承单元，所述后部轴承单元用来转动地支撑所述中心轴的后端；其中，所述前部轴承单元和所述后部轴承单元每个均包括自驱动润滑剂循环系统，所述自驱动润滑剂循环系统从所述中心轴的转动中抽取机械动力，以使润滑剂循环过每个相应的轴承单元。
2.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，所述循环系统包括穿过所述中心轴从所述中心轴的前端延伸到一对径向通道的中心轴向通道，所述一对径向通道设置成比在每个轴承单元内的轴承更靠近所述中心轴的几何中心，所述径向通道将润滑剂输送到环形通路，所述环形通路使润滑剂能够流过轴承，以便连续地润滑、清洁及冷却轴承。
3.根据权利要求2所述的涡轮机，包括连接至所述中心轴的叶轮，所述叶轮包括用来使润滑剂循环的叶轮叶片。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的涡轮机，其中，所述循环系统还包括过滤器，所述过滤器用来在润滑剂进入所述中心轴向通道之前过滤润滑剂。
5.根据权利要求2至4任一项所述的涡轮机，其中，轴承单元包括鼻部，润滑剂流入所述鼻部中，以通过外壳壁将热量传递到涡轮机外的周围水中，由此冷却涡轮机内的润滑剂。
6.根据权利要求1至5任一项所述的涡轮机，其中，所述前部轴承单元和所述后部轴承单元每个均包括密封衬套，所述密封衬套具有多个密封件；和刚性盖，所述刚性盖包围所述密封衬套，以通过阻止动态压力波动来保证只有静态压力作用在所述密封衬套的所述密封件上。
7.根据权利要求1至6任一项所述的涡轮机，其中，所述前部轴承单元相对于所述后部轴承单元是轴向可运动的。
8.根据权利要求7所述的涡轮机，其中，所述前部轴承单元包括在轴承外壳内滑动的轴承，以便能够实现所述前部轴承单元相对于所述后部轴承单元的轴向位移。
9.根据权利要求1至8任一项所述的涡轮机，其中，所述前部轴承单元和所述后部轴承单元每个均包括动态转动摩擦型浮动密封件。
10.根据权利要求1至9任一项所述的涡轮机，还包括平衡腔室，所述平衡腔室用来自动地使涡轮机的含润滑剂腔室内的润滑剂压力与涡轮机外的周围水压力相平衡。
11.根据权利要求2至5任一项所述的涡轮机，其中，所述轴承是球面滚子轴承。
12.根据权利要求1至11任一项所述的涡轮机，还包括位于所述前部轴承单元和所述后部轴承单元中的每一个的磁棒，以从润滑剂中除去金属碎屑。
13.一种水下水电涡轮机，包括涡轮机外壳，所述涡轮机外壳具有进口和出口 ；中心轴，所述中心轴在所述涡轮机外壳内轴向延伸；自身独立且完备的密封前部轴承单元，所述前部轴承单元用来转动地支撑所述中心轴的前端；自身独立且完备的密封后部轴承单元，所述后部轴承单元用来转动地支撑所述中心轴的后端；及平衡腔室，所述平衡腔室用来自动地使涡轮机的含润滑剂腔室内的润滑剂压力与涡轮机外的周围水压力相平衡。
14.根据权利要求13所述的涡轮机，其中，所述平衡腔室包括罐和气囊，所述气囊位于所述罐内并具有弹性隔膜，所述气囊预填充有用于膨胀和收缩的加压气体，以使涡轮机的含润滑剂腔室内的压力与涡轮机外的周围水压力相平衡。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的涡轮机，包括在所述中心轴周围依次布置的三个环形腔室，其中，所述三个环形腔室包括第一腔室，所述第一腔室具有第一密封件，以将所述第一腔室与周围水隔离；第二腔室，所述第二腔室与所述第一腔室相邻，并且具有第二密封件，以将所述第二腔室与所述第一腔室隔离；及第三腔室，所述第三腔室与所述第二腔室相邻，并且具有第三密封件，以将所述第三腔室与所述第二腔室隔离。
16.根据权利要求15所述的涡轮机，其中，所述第一腔室包括第一平衡腔室，所述第二腔室包括第二平衡腔室，并且所述第三腔室包括第三平衡腔室。
17.根据权利要求16所述的涡轮机，其中，所述第三平衡腔室具有比所述第一平衡腔室大的容积，并且其中，所述第一平衡腔室具有比所述第二平衡腔室大的容积。
18.根据权利要求15至17任一项所述的涡轮机，其中，所述第三腔室具有比所述第一腔室大的容积，并且其中，所述第一腔室具有比所述第二腔室大的容积。
19.根据权利要求15至18任一项所述的涡轮机，其中，所述第三平衡腔室设置在所述第三腔室的鼻部内。
20.根据权利要求15至19任一项所述的涡轮机，其中，所述第一平衡腔室和所述第二平衡腔室设置在所述轴承外壳外。
21.根据权利要求13至20任一项所述的涡轮机，包括润滑剂油压力传感器。
22.根据权利要求13至21任一项所述的涡轮机，包括湿度传感器和油温传感器。
23.根据权利要求13至22任一项所述的涡轮机，包括用来检测在涡轮机中的振动的双轴向加速度仪。
24.根据权利要求13至23任一项所述的涡轮机，包括连接至所述前部轴承单元的前部润滑剂歧管的向前延伸的可浸没压力变换器，用来检测周围水压力。
25.根据权利要求13至M任一项所述的涡轮机，还包括连接至所述后部轴承单元的后部润滑剂歧管的向后延伸的可浸没压力变换器，用来检测周围水压力。
全文摘要
一种水下水电涡轮机包括涡轮机外壳，具有进口和出口；中心轴，在涡轮机外壳内轴向延伸；自身独立且完备的密封前部轴承单元，用来转动地支撑中心轴的前端；及自身独立且完备的密封后部轴承单元，用来转动地支撑中心轴的后端。前部轴承单元和后部轴承单元每个包括自驱动润滑剂循环系统，该自驱动润滑剂循环系统从中心轴的转动中抽取机械动力的一部分，以使润滑剂循环过每个相应的轴承单元。涡轮机可以具有平衡腔室，用来自动地使在轴承腔室的含润滑剂腔室内的润滑剂压力与在轴承外壳外的周围水压力相平衡。
文档编号F03B11/06GK102369383SQ200980151736
公开日2012年3月7日 申请日期2009年11月3日 优先权日2008年11月3日
发明者G·迪克, G·阿尔诺, I·哈马德 申请人:Rsw Rer有限公司