ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ МАШИНА И УСТАНОВКА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКУЮ МАШИНУ
HYDRAULIC MACHINE AND POWER CONVERTER INCORPORATING SAID MACHINE

Настоящее изобретение касается гидравлической машины, которая содержит колесо, размещенное на валу, причем колесо и вал вращаются вокруг одной оси. Через колесо такой машины проходит форсированный поток, который является приводом, когда машина работает в качестве турбины, при этом колесо приводится в движение, когда машина работает в качестве насоса.
В такой машине вокруг вала может быть предусмотрен гидростатический подшипник с функцией приема радиальных усилий, воспринимаемых этим валом. Такой подшипник может быть выполнен вокруг верхней части, вокруг нижней части или промежуточной части вала. Известно снабжение гидростатического подшипника уплотнительной перемычкой, например надуваемым уплотнением, что позволяет защитить подшипник от подъема загрязненной воды, когда машина и система питания водой подшипника остановлена. Такое надуваемое уплотнение расширяется при остановках машины для того, чтобы изолировать подшипник от окружающей среды. При штатной работе поступающий в подшипник приток воды отводится через верх и через низ подшипника, что позволяет одновременно обеспечить несущую способность подшипника и отвод энергии, рассеиваемой жидким трением благодаря непрерывному созданию водяной пленки. В случае блокировки надуваемого уплотнения в расширенном состоянии вода подшипника не может больше отводиться через низ подшипника, что нарушает циркуляцию воды и работу подшипника. Действительно, несущая способность подшипника уменьшается и вода, замкнутая в нижней части подшипника, имеет тенденцию нагреваться с риском общего или частичного превращения водяной пленки в пар и контакта между валом и неподвижной пятой подшипника.
Эти проблемы могут также возникать в подшипнике без надуваемого уплотнения, в котором удаление воды вверх или вниз из подшипника затрудняется любым другим препятствием.
Аналогичные проблемы могут возникать в машинах с горизонтальной осью, которые также могут быть снабжены гидростатическими или гидродинамическими уплотнениями.
Из патента US-A-4071303 известно выполнение на внешней поверхности ротора насоса ячеек питания подшипника с водяной смазкой. Эти ячейки связаны по верхнему и нижнему краям ротора каналами для удаления твердых частиц, которые могут попасть в ячейки. В случае закупорки подшипника снизу или сверху водяная пленка, которая в нем образуется, не может быть удалена и рискует испариться, что ограничивает или приравнивает к нулю несущую способность подшипника.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и разработка гидравлической машины, снабженной радиальным гидростатическим подшипником, работа которого сделана более надежной.
Для решения этой задачи предлагается гидравлическая машина, содержащая колесо, размещенное на валу, при этом колесо и вал установлены подвижно с возможностью вращения вокруг оси, причем гидростатический или гидродинамический радиальный подшипник с водяной смазкой образован между, с одной стороны, радиальной периферической поверхностью вала и, с другой стороны, внутренней радиальной поверхностью неподвижного относительно оси органа, при этом подшипник расположен между двумя краями, образующими при штатной работе подшипника зоны удаления водяной пленки, образованной в подшипнике, отличающаяся тем, что в неподвижном органе выполнена по меньшей мере одна полость, которая открывается на его внутреннюю радиальную поверхность вблизи первого края подшипника, из двух краев, а также тем, что неподвижный орган содержит средства для обеспечения жидкостного сообщения полости с объемами, размещенными снаружи подшипника вблизи второго края подшипника из двух краев, причем полость и средства для обеспечения сообщения выполнены с возможностью удаления частей потока, образующего водяную пленку, в случае, когда удаление пленки на уровне первого края невозможно.
Благодаря изобретению в случае блокировки удаления воды из радиального гидростатического или гидродинамического подшипника вблизи первого края, верхнего, нижнего, переднего или заднего, в зависимости от того, является ли машина с вертикальной или горизонтальной осью, полость и средства обеспечения сообщения, выполненные в неподвижном органе, позволяют удалить воду из подшипника к другому краю, что исключает образование зоны стоячей воды в подшипнике. Циркуляция воды в подшипнике также может поддерживаться, включая случай закупорки подшипника на уровне краев подшипника, что позволяет поддерживать несущую способность подшипника.
В соответствии с предпочтительными, но не обязательными аспектами изобретения, такая машина может иметь одну или несколько следующих характеристик:
- вблизи второго края подшипника, обращенного к колесу, расположена уплотнительная перемычка;
- машина выполнена с вертикальной осью, и полость выполнена над уплотнительной перемычкой вблизи нижнего второго края подшипника, обращенного к колесу, причем средства обеспечения сообщения соединяют полость с объемом машины, размещенную над верхним первым краем относительно подшипника;
- машина выполнена с вертикальной осью, причем полость выполнена вблизи верхнего края подшипника, средства обеспечения сообщения соединяют полость с нижней частью подшипника над уплотнительной перемычкой, которая расположена под нижним вторым краем подшипника, а указанная нижняя часть подшипника сообщается с объемом, расположенным под подшипником рядом с его нижним вторым краем;
- что полость является кольцевой полостью, выполненной в неподвижном органе;
- полость образована объединением нескольких не смежных  полостей, которые открываются на внутреннюю радиальную поверхность неподвижного органа и каждая из которых связана с каналом, выполненным в неподвижном органе и принадлежащим средствам обеспечения сообщения;
- средства обеспечения сообщения содержат средства уменьшения давления;
- средства обеспечения сообщения содержат по меньшей мере один канал, связывающий полость с первым объемом из двух объемов, расположенным вблизи первого края из двух краев подшипника;
- машина содержит средства определения давления воды в канале, принадлежащем средствам обеспечения сообщения;
- средства определения давления выполнены с возможностью подачи на блок контроля машины сигнала данных о давлении воды в канале;
- полость простирается на осевое расстояние от первого края, величина которого меньше на 10%, предпочтительно меньше на 5%, осевого размера подшипника;
- полость имеет осевой размер, величина которого составляет от 2,5 до 5% осевого размера подшипника;
- полость имеет радиальную глубину, величина которой, по меньшей мере, в двадцать пять раз, предпочтительно в пятьдесят раз, превышает радиальную толщину подшипника.
Еще одним объектом является установка для преобразования гидравлической энергии в электрическую или механическую энергию или наоборот, отличающаяся тем, что она содержит гидравлическую машину, описанную выше. Такая установка является более надежной, чем установки из уровня техники, поскольку она позволяет приспособиться к возможным закупоркам радиального гидростатического подшипника вблизи от его краев, верхнего или нижнего.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием двух вариантов осуществления машины и установки согласно принципам изобретения, приведенных в качестве примера и со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
- фиг.1 изображает основной осевой разрез машины и установки в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
- фиг.2 изображает в более крупном масштабе детали II по фиг.1;
- фиг.3 изображает в более крупном масштабе детали III по фиг.1, когда надуваемое уплотнение установки блокировано; и
- фиг.4 изображает вид, аналогичный фиг.3, для машины в установке в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения.
5
Установка I, изображенная на фиг.1, содержит турбину Френсиса 1, колесо которой питаемо от кожуха 3 водяной турбины, в который открывается напорный канал 4. Турбина 1 содержит также вал 5, на котором установлено колесо 2 и который вращается с валом вокруг вертикальной оси Х, которая также является продольной осью вала 5. Вал 5 приводит во вращение вращающуюся часть генератора переменного тока 6.
Между кожухом 3 водяной турбины и колесом 2 расположен комплект входных направляющих лопаток 71 и направляющих лопаток 72, функцией которых является направление и регулирование потока Е, выходящего из канала 4 и кожуха 3 водяной турбины и предназначенного для прохода через колесо 2 в направлении всасывающего канала 8.
Колесо 2 содержит лопасти 21, которые размещены между потолком 22 и наружным ободом 23 рабочего колеса.
5
Элементы 3 и 4, а также строительная конструкция, которая поддерживает турбину 1, принадлежит неподвижной структуре 9, по отношению к которой колесо 2 вращается вокруг оси Х.
Колесо 2 жестко закреплено на нижнем конце 51 вала 5, часто называемом «основанием вала», с помощью болтов 10, обозначенных их осевыми линиями. Основание вала может быть выполнено моноблочным с остальной частью вала или присоединено к нему.
100
Для противодействия радиальным усилиям, которым подвергается основание вала 51, гидростатический подшипник 100 образован между внешней радиальной поверхностью 52 основания вала 51 и внутренней радиальной поверхностью 102 втулки 101 кольцевой формы, которая расположена вокруг основания вала 51. На фиг.2-4 радиальная толщина е подшипника 100 увеличена для лучшего чтения чертежа.
1
1
1
Поток Е чистой воды поступает в подшипник 100 из напорного канала 4 через канал 103, соединенный с проточкой 104, выполненной во втулке 101. Для упрощения чертежа соединения между каналами 4 и 103 не показаны на чертежах. Проточка 104 снабжена комплектом диафрагм 105, которые позволяют уменьшить на выходе давление потока Е. Проточка 104 открывается в канал 106, который питает выемку 107, выполненную в поверхности 102, и которая позволяет распределить поток Е. Это позволяет подавать воду в подшипник 100 для получения непрерывной пленки воды вокруг поверхности 52.
5
В настоящем описании слова «верх», «низ», «верхний» и «нижний» соответствуют расположению установки I в рабочем положении, в котором ось Х является вертикальной и верх органа направлен кверху на фиг.1, тогда как низ органа направлен книзу на этом чертеже. Прилагательное «верхний» означает часть органа, направленную вверх, и наоборот, «нижняя» часть направлена вниз.
Фланец 110 установлен в нижней части втулки 101 с помощью фиксирующих болтов 111. Этот фланец образует с втулкой 101 паз для размещения надуваемого уплотнения 112, способного опираться в поверхность 52 в зависимости от того, питается оно или нет текучей средой под давлением, в данном случае водой под давлением. Надуваемое уплотнение 112 выполнено типа уплотнительной перемычки, которая позволяет защитить подшипник 100 от подъемов воды от колеса 2. В изобретении могут быть использованы другие типы уплотнительных перемычек, например осевое уплотнение.
100
1
Позицией 121 обозначен верхний край подшипника 100, то есть верхняя граница зазора малой толщины е между поверхностями 52 и 102, в котором из потока Е образована водяная пленка. На практике верхний первый край 121 размещен на высоте верхнего среза поверхности 102. Таким же образом позицией 122 обозначают нижний второй край подшипника 100, который ограничен нижним срезом поверхности 102 над пазом уплотнения 112.
1
1
Верхний резервуар 125 установлен на втулке 101 и образует кольцевой объем V над краем 121 и радиально вокруг части поверхности 52, которая не находится напротив поверхности 102. Резервуар 125 содержит два уплотнения 126, которые опираются на поверхность 52 для исключения утечек воды вверх. Объем V соединен посредством не изображенной на чертеже сливной трубы с водоотливной шахтой установки I, то есть с частью установки, в которую собираются утечки перед удалением наружу.
5
1
1
2
1
При штатной работе подшипника 100, то есть когда вал 5 вращается вокруг оси Х, поток Е образует водяную пленку внутри подшипника 100 между краями 121 и 122, затем отводится вверх и вниз, как изображено соответственно стрелками Fи F на фиг.2. Такой непрерывный отвод потока Е через подшипник 100 гарантирует несущую способность этого подшипника.
5
В случае остановки турбины 1 и для исключения подъема потенциально загрязненной воды внутрь подшипника 100 в надуваемое уплотнение 112 подается давление так, чтобы он стягивался в направлении оси Х и упирался в поверхность 52, образуя, таким образом, герметичный затвор.
1
2
В процессе нового запуска турбины 1 и перед началом вращения вала 5 уплотнение 112 вновь принимает свое нормальное положение, изображенное на фиг.2, в котором оно отходит от поверхности 52. Может случиться так, что это уплотнение будет разрушено, и оно останется в прижатом к поверхности 52 положении, несмотря на то, что вал 5 вращается, как изображено на фиг.3. В этом случае часть потока Е, которая обычно отводится из подшипника 100 на уровне нижнего второго края 122, как изображено стрелкой F, осталась бы замкнутой в подшипнике 100, что было бы вредным для его работы, в частности, вследствие уменьшения несущей способности и что могло бы привести к локальному нагреву водяной пленки и даже ее испарению.
5
1
1
100
5
1
100
Во втулке 101 выполнена кольцевая полость 130, которая открывается на поверхность 102 вокруг оси Х. Позицией d обозначают осевое расстояние между полостью 130 и краем 102. Расстояние d является расстоянием между нижним краем полости 130 и краем 122. Позицией h обозначают высоту или осевую длину подшипника 100, при этом высота и расстояние измерены параллельно оси Х. Расстояние d выбрано меньшим на 10% высоты h, предпочтительно меньшим на 5% этой высоты.
130
5
130
100
100
100
130
130
100
Позицией h обозначают высоту или осевую длину полости 130, измеренную параллельно оси Х. Высота h является значительно меньше, чем высота h, для того, чтобы наличие полости 130 не влияло на толщину е на большей части подшипника 100, которая размещена над полостью 130. Например, для подшипника 100 высотой h, составляющей от 300 до 400 мм, полость 130 имеет осевую высоту h, составляющую от 10 до 15 мм. На практике величина осевой высоты h составляет от 2,5 до 5% от осевой высоты h.
130
100
Позицией р обозначают радиальную глубину полости 130, то есть глубину, на которую она простирается внутрь втулки 101 от поверхности 102. Эта глубина, по меньшей мере, в двадцать пять раз больше толщины е, предпочтительно превышает эту толщину в пятьдесят раз.
5
131
5
1
130
Полость 130 сообщается с четырьмя каналами 131, один из которых виден на фиг.3, которые равномерно распределены внутри втулки 101 вокруг оси Х. Каждый канал 131 простирается вдоль оси Х, параллельной оси Х, и соединяетполость 130 с пазом 132, в котором размещены несколько диафрагм 133, и открывается в объем V. Каналы 131 отделены от подшипника 100 материалом втулки 101 благодаря значению глубины р.
1
2
1
1
Таким образом, в случае блокировки уплотнения в надутом состоянии, мешающем отводу потока Е вниз, соответствующая часть Е потока Е может проникнуть в полость 130 и в каналы 131 и затем через диафрагмы 133 перед попаданием в объем V, из которого он может отводиться в водоотливную шахту. Таким образом, это позволяет обеспечить непрерывную циркуляцию воды в подшипнике 100 вплоть до его нижней части, включая случай неисправности надуваемого уплотнения 112.
1
1
2
1
Часть потока Е непрерывно отводится из подшипника 100 на уровне края 121, как изображено стрелкой F. Эта часть соединяется с потоком Е в объеме V.
2
Диафрагмы 133 обеспечивают снижение напора на уровне паза 132 таким образом, чтобы, когда надуваемое уплотнение 112 работает в штатном режиме, снижение общего напора через элементы 130, 131 и 132 превышало снижение напора на уровне второго края 122 так, чтобы поток в направлении стрелки F на фиг.2 был преобладающим.
1
Элементы 130-133 позволяют также непосредственно отводить в объем V возможный загрязненный поток, поднимающийся от колеса 2 в случае неэффективности надуваемого уплотнения 112 при остановке. Действительно, эта загрязненная вода может быть удалена через полость 130, каналы 131 и пазы 132, что позволяет защитить подшипник 100 от загрязнения.
135
200
135
Проточка 134, открывающаяся в один из каналов 131, соединена с манометром 135, что позволяет узнавать величину давления воды внутри по меньшей мере одного из каналов 131. Манометр 135 может выдавать блоку 200 управления сигнал Sданных о давлении в одном или нескольких каналах 131. Этот сигнал позволяет блоку 200 определять неисправность работы таким образом, что изменение давления в одном из каналов 131 соответствует закупорке нижнего выхода подшипника 100 на уровне его края 122, или, при остановке, о протечке уплотнения 112. Блок 200 может, таким образом, изменять условия работы турбины 1 с учетом такой неисправности, например, адресуя направляющей лопатке 72 сигнал S для постепенного уменьшения расхода потока Е. В зависимости от сигнала Sблок может также выдать звуковой или световой сигнал тревоги 136.
2
Вариант осуществления по фиг.1-3 позволяет учесть закупорку в нижней части подшипника 100, независимо от использования надуваемого уплотнения 112. Действительно, если подшипник 100 закупорен вблизи второго края 122 по другой причине, нежели уплотнение 112, циркуляция потока Е может осуществляться через элементы 130-132.
Во втором варианте осуществления изобретения, представленном на фиг.4, элементы, аналогичные элементам первого варианта осуществления, обозначены теми же позициями. Радиальный гидростатический подшипник 100 выполнен между внешней радиальной поверхностью 52 основания 51 вала 5 и внутренней радиальной поверхностью 102 неподвижной втулки 101. Надуваемое уплотнение 112 закреплено на втулке 101 с помощью кольцевого фланца 110.
131
5
Кольцевая полость 130 выполнена вблизи верхнего первого края 121 подшипника 100 и связана с четырьмя каналами 131, каждый из которых расположен параллельно оси Х, параллельной оси вращения Х вала 5. Каждый канал 131 с другой стороны полости 130 открывается в паз 132, который сам открывается на поверхность 102 над нижним вторым краем 122 подшипника 100. Диафрагмы 133 размещены в пазу 132 с той же функцией, что и диафрагмы в первом варианте осуществления.
1
100
100
130
130
1
100
130
100
130
100
100
Обозначают соответственно: d - осевое расстояние между первым краем 121 и полостью 130, h - осевая высота подшипника 100, е - его радиальная толщина, h- осевая высота полости 130 и р- ее радиальная глубина. d меньше на 10% h, предпочтительно меньше этой высоты на 5%. hсоставляет от 2,5 до 5% от h. р в двадцать пять раз больше е, предпочтительно больше ев пятьдесят раз.
1
3
2
2
В случае закупорки верхней части подшипника 100, например, вследствие стоков, вытекающих из объема V, часть Епотока питания подшипника 100 устремляется в полость 130 и в каналы 131, затем выходит в нижней части подшипника 100, то есть вблизи его нижней второй части 122 через пазы 132. Отсюда вода, поступающая из верхней части подшипника 100 через элементы 130-132, может отводиться вниз в направлении объема V, расположенного под подшипником, вместе с водой, выходящей непосредственно из нижней части подшипника 100, как показано стрелкой F на фиг.4.
1
Технические характеристики двух описанных выше вариантов могут быть объединены между собой. В частности, машина согласно изобретению может содержать одновременно полость 130 в нижней части, соединенную каналами 131 с объемом V, и полость 130 в верхней части, соединенную каналами 131 с нижней частью подшипника 100.
2
3
Количество каналов 131 необязательно должно быть равным четырем и может зависеть от предполагаемого расхода отводимых потоков Е и/или Е в случае локальной закупорки подшипника.
2
3
Хотя и является предпочтительным распределение по окружности потоков Е и Е, но необязательно использовать периферическую полость130. Действительно, несколько не смежных полостей, каждая из которых занимает заранее заданный угловой сектор, могут быть выполнены открывающимися в поверхность 102, при этом каждая полость соединена с каналом типа упомянутых выше каналов 131.
Наконец, вращающаяся поверхность, которая образует радиальный гидростатический подшипник, может являться частью моноблочного вала с его основной частью, как указано выше относительно основания вала 51, или частью, соединенной с этой основной частью.
2
3
В двух описанных выше вариантах осуществления полость 130 и элементы 131, 132 и 133 выполнены с возможностью удаления части Е или Е водяной пленки, только в случае закупорки края 122 или 121 подшипника 100, вблизи которого находится полость 130. Действительно, при штатной работе подшипника 100 падение напора, вызванное диафрагмами 133, таково, что пленка воды, в первую очередь, стекает по краям 121 и 122.
Изобретение было описано и представлено с подшипником 100 гидростатического типа, то есть подшипником, несущая способность которого зависит главным образом от давления воды, питающей подшипник. Изобретение может быть также выполнено с гидродинамическим подшипником, в котором несущая способность обеспечивается скоростью вращения вала. Изобретение было описано и представлено выше для машины с вертикальной осью. Во всяком случае, изобретение применимо к машинам с горизонтальной осью, и даже с наклонной осью, а также снабженными гидростатическими или гидродинамическими подшипниками.