无缸式转轮叶片驱动装置及水轮机 |
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| 申请号 | CN202211026461.7 | 申请日 | 2022-08-25 | 公开(公告)号 | CN115263640B | 公开(公告)日 | 2024-04-23 |
| 申请人 | 杭州杭发发电设备有限公司; | 发明人 | 张鹏程; 张银果; 刘喜元; 周成名; 马永涛; 童建新; 赵启刚; 黄清; 丁达兵; | ||||
| 摘要 | 本 申请 公开了一种无缸式 转轮 叶片 驱动装置及 水 轮机 ，包括转轮体，包括转轮 侧壁 和由转轮侧壁围合成的腔体；叶片，与转轮体转动密封连接,所述叶片包括驱动端和叶片端；操作机构，包括 活塞 和与活塞铰接的操作组件,所述活塞将所述腔体分隔为活塞腔和操作腔；其中，所述操作组件设置于操作腔内与所述叶片的驱动端铰接；当所述活塞腔或操作腔通入高压介质时，所述高压介质驱动所述活塞在所述腔体内实现移动,所述活塞移动时通过所述操作组件驱动所述叶片转动。本申请解决了中小型水轮机小空间下实现转轮叶片转动的技术问题。 | ||||||
| 权利要求 | 1.无缸式转轮叶片驱动装置，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 无缸式转轮叶片驱动装置及水轮机技术领域[0001] 本申请涉及水轮机技术领域，特别涉及无缸式转轮叶片驱动装置及水轮机。 背景技术[0003] 传统转桨式水轮机转轮叶片调节须在转轮体内设置接力器，接力器主要包括接力器缸和活塞连接的接力器杆，接力器杆连接操作组件，操作组件位于低油压腔内并与叶片转动连接。在接力器的开、关两腔分别注入高压油，随着接力器的运动带动操作组件驱动叶片转动。但小型机组（叶片旋转直径在2.5米以下）由于空间的限制，转轮体内空腔较小，在转轮体内无法布置接力器缸、操作架及传动机构等机构，因此传统水轮机只能采用定浆的方式。 [0004] 基于以上问题，有必要研发出新的水轮机结构，以在小型水轮机小空间下采用转桨模式实现叶片转动。发明内容 [0005] 为了解决小型水轮机（叶片旋转直径在2.5米以下）小空间下转轮叶片转动的技术问题，本申请提供了无缸式转轮叶片驱动装置及水轮机。 [0006] 第一方面，本申请提供了无缸式转轮叶片驱动装置，采用如下的技术方案：无缸式转轮叶片驱动装置，包括：转轮体，转轮体包括转轮侧壁和由转轮侧壁围合成的腔体；叶片，与转轮体转动密封连接,所述叶片包括驱动端和叶片端；操作机构，包括活塞和与活塞铰接的操作组件,所述活塞滑移设置于所述腔体内且所述活塞的侧壁与所述转轮侧壁连接形成活塞副,所述活塞将所述腔体分隔为活塞腔和操作腔；其中，所述驱动端位于所述操作腔内，所述操作组件设置于操作腔内与所述驱动端铰接,所述叶片端位于转轮体的腔体外部；当所述活塞腔或操作腔通入高压介质时，所述高压介质驱动所述活塞在所述腔体内实现移动,所述活塞移动时通过所述操作组件驱动所述叶片转动。 [0007] 在中小型机组（叶片旋转直径在2.5米以下）内有限的空间条件下，没有足够空间设置接力器，通过采用上述技术方案，直接利用转轮侧壁作为接力器缸与活塞组成活塞副，节省了放置接力器的空间。转轮体内的腔体作为活塞上、下的两高压腔‑活塞腔和操作腔，操作组件位于操作腔内，通过活塞的活塞腔和操作腔内分别通入高压油以推动活塞上、下移动，活塞带动操作组件运动，从而实现叶片转动，使得整个操作机构简单、方便。通过本申请新的驱动装置调节叶片的转角，使之与导叶开度相适应，从而保证在变工况下实现水轮机较高的工作效率，结构简单紧凑，在水轮机中应用，可以改变小型机组只能用定浆的技术现状。 [0008] 基于第一方面，进一步的方案，在所述操作腔远离所述活塞的一端设有固定座,所述固定座设有导向通道,所述活塞固定连接有导轴,所述导轴滑移设置于所述导向通道内,所述固定座、所述转轮侧壁和所述活塞围合成操作腔。 [0009] 通过采用上述技术方案，导轴和导向通道的配合进一步保证了活塞运动过程中的平稳性，防止活塞运动中的偏转歪斜导致活塞与转轮侧壁密封差、漏油等技术问题。其次，活塞的平稳滑动还可以减小活塞与转轮侧壁的摩擦，从而提高活塞的使用寿命。最后，活塞与转轮侧壁密封性好可以使转轮调节叶片的精度更高、效果更好。 [0010] 基于第一方面，进一步的方案，所述导轴设有进油通道和出油口,所述进油通道通过出油口与操作腔连通。 [0011] 通过采用上述技术方案，高压油通过导轴的进油通道和出油口进入操作腔以推动活塞运动，因此导轴既有导向的作用还具有向操作腔导入高压油以驱动活塞运动的作用，结构简单、紧凑，节省设计空间。 [0012] 基于第一方面，进一步的方案，所述出油口位于所述导轴侧壁,且在所述导轴运动过程中所述出油口始终位于活塞和固定座之间。 [0013] 通过采用上述技术方案，出油口始终位于固定座的上方，不会因为与导向通道配合导向时封堵出油口而影响高压油进入到操作腔内。高压油从出油口进入操作腔更顺畅，阻力更小。 [0014] 基于第一方面，进一步的方案, 所述出油口位于所述导向通道内，所述固定座设有连通导向通道和操作腔的通孔，所述出油口通过所述通孔与所述操作腔(13)连通。 [0015] 通过采用上述技术方案，出油口设置在与固定座的导向通道配合的端部，并从固定座上设置的通孔与操作腔连通，高压油从导轴的端部出油口通过通孔进入到操作腔内，即可以产生固定座对导轴的反作用推力还可以通过操作腔内的高压油对活塞实现推力，双向推力方向一致内耗少，效果更好。 [0016] 基于第一方面，进一步的方案, 所述固定座和所述转轮侧壁围合成操作腔的下部空间，所述下部空间设置为当所述操作腔通入高压介质时，将从所述出油口进入所述操作腔的下部空间的高压介质导向所述活塞，当所述活塞腔通入高压介质时，将所述下部空间的高压介质导向所述出油口。 [0017] 通过采用上述技术方案，高压油进入操作腔内时首先进入下部空间，下部空间填充满后才填充满整个操作腔。下部空间的特殊结构设计，使得高压油在进入下部空间后产生对活塞的推力，同时还不会与导轴进入的高压油产生冲撞，减小了内部损耗，驱动装置操作的能耗低，降低零部件的损坏几率。当活塞腔内通入高压介质时，活塞下移压缩操作腔的空间，操作腔内的高压介质通过出油口流出，因为下部空间的特殊结构设计，下部空间的高压介质会形成一个向出油口流动的低阻力流动通路，在流动过程中，高压介质不会形成紊流，减小了高压介质对转轮侧壁、座底壁和座侧壁的冲击，提高产品的寿命，也提高了高压介质从出油口回流的效率。 [0018] 基于第一方面，进一步的方案, 所述固定座包括座侧壁和座底壁，所述下部空间包括靠近所述转轮侧壁处的弧形反流区、靠近座底壁处的上反流区和靠近座侧壁处的侧反流区，当操作腔内通入高压介质时，高压介质经过弧形反流区的反射流向座底壁，再由上反流区反射流向座侧壁，再通过侧反流区反射流向活塞推动活塞向上移动。 [0019] 通过采用上述技术方案，当操作腔内通入高压油时，高压油经过反流区的反射流向座底壁，再由座底壁反射流向座侧壁，再通过座侧壁反射流向活塞推动活塞向上移动；或者，高压油经过反流区的反射流向座底壁，再通过座底壁直接反射流向活塞推动活塞向上移动。反之亦然，当活塞腔内通入高压油时，活塞向下移动压缩操作腔内的高压油，操作腔内的高压油通过靠近所述转轮侧壁处的弧形反流区、靠近座底壁处的上反流区和靠近座侧壁处的侧反流区的推力将高压油推向出油口，从出油口流出。 [0020] 基于第一方面，进一步的方案, 所述活塞靠近所述操作腔的端面连接有导轨/导槽，所述转轮侧壁设有导槽/导轨，所述导轨滑移设置于所述导槽内用于防止所述活塞的周向转动。 [0021] 通过采用上述技术方案，导轨和导槽确保叶片驱动装置的运动方向不偏离,防止活塞在滑动过程中的扭转偏斜，可以保证与活塞连接的操作组件等零部件连接的稳定性和功能实现的可靠性，也减小了操作组件等零部件在扭转过程中的非必要受力，使用寿命也更高。 [0022] 基于第一方面，进一步的方案, 所述叶片与所述转轮侧壁设有减压密封结构，从所述操作腔向外依次为轴套减压密封结构、迷宫减压密封结构和缠绕式垫片密封结构。 [0023] 传统的水轮机叶片与转轮体密封连接处的腔体内为低压润滑油，因此油路密封简单。本申请的驱动装置操作组件和叶片的叶片端均处于高压的操作腔内，通过采用上述技术方案，高压油通过轴套减压密封结构和迷宫减压密封结构的减压,降低高压油对叶片密封结构的高压力冲击，可以防止操作腔内压力过高影响叶片密封效果。本申请驱动装置的操作腔内通入的为高压油，通过减压密封结构，提高了操作腔的密封性，一是防止转轮体内操作腔的高压油经叶片与转轮体间的间隙处漏出转轮体进入流道内，二是防止转轮流道内的压力水经上述间隙渗入转轮体腔体内。 [0024] 第二方面，本申请还提供了一种水轮机，包括如上所述的无缸式转轮叶片驱动装置。 [0025] 通过采用上述技术方案，本申请的水轮机结构简单紧凑，解决了行业内小型水轮机叶片不能转动的的技术难题，实现了小型机组（叶片旋转直径在2.5米以下）应用转桨技术以提高水轮机的工作效率。 [0026] 综上所述，本申请具有以下至少一种有益技术效果： [0027] 1、本申请无缸式转轮叶片驱动装置没有接力器，直接利用转轮侧壁作为接力器缸体，转轮体内的腔体作为活塞上、下两高压腔，推动活塞上、下移动，带动操作组件的运动，从而实现叶片转动，使得整个操作机构简单、方便。 [0028] 2、本申请无缸式转轮叶片驱动装置设有轴向和周向导向结构，使活塞密封性更好，使用寿命更高。 [0029] 3、本申请无缸式转轮叶片驱动装置，通过下部空间的特殊结构设计，减小了内部损耗，驱动装置的能耗低，也降低了零部件的损坏几率。 [0030] 4、本申请无缸式转轮叶片驱动装置，通过减压密封结构设计，提高了操作腔的密封性。 [0032] 图1是本申请无缸式转轮叶片驱动装置实施例一的结构示意图； [0033] 图2 是本申请无缸式转轮叶片驱动装置操作腔内高压油流动方向示意图； [0034] 图3是图1中A处剖面的结构示意图； [0035] 图4是图1中B处剖面的结构示意图； [0036] 图5是图1中C处剖面的结构示意图； [0037] 图6是本申请无缸式转轮叶片驱动装置实施例二的结构示意图； [0038] 图7是图6中I处放大的结构示意图； [0039] 图8是本申请无缸式转轮叶片驱动装置实施例三的结构示意图。 [0040] 附图标记： [0041] 1、转轮体；11、固定座；111、叶片孔；112、导向通道；113、泄油孔；114、座侧壁；115、座底壁；116、通孔；12、转轮侧壁；121、活塞缸璧；122、球状内壁；13、操作腔；131、下部空间；14、活塞腔；15、导轨；2、活塞；21、操作组件；211、上轴；212、连杆；213、曲轴；214、下轴；22、导轴；221、出油口；222、进油通道；23、导槽；3、叶片；31、驱动端；32、叶片端；4、泄流锥；41、圆锥腔；5、密封盖；6、螺钉；7、轴套；8、迷宫密封；9、缠绕式垫片；X、操作腔高压油进入方向； Y、活塞腔高压油进入方向。 具体实施方式[0042] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。 [0043] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。 [0044] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连， 可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0045] 在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。 [0046] 下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例中的特征可以相互组合。 [0047] 实施例一： [0048] 请参阅图1和图2所示，公开了一种无缸式转轮叶片驱动装置。该驱动装置包括转轮体1，转轮体1具有转轮侧壁12，转轮侧壁12内部围合有腔体。转轮侧壁12转动连接有叶片3，叶片3包括叶片端32和驱动端31，叶片端32位于转轮体1外部，驱动端31位于转轮体1的腔体内。叶片端32和驱动端31交接处与转轮侧壁12密封转动连接，驱动端31与固定座11的叶片孔111轴接，驱动端31与叶片孔111之间设有轴套7。叶片孔111可以对叶片3的驱动端31进行导向限位，保证叶片3在转动过程中围绕叶片3的驱动端31的轴线转动，防止叶片3转动过程中偏转歪斜影响叶片3转动后的位置方向。其次也减小叶片3与转轮侧壁12的摩擦，叶片3与转轮侧壁12之间的密封性也更好。再次，操作组件21可以设置于叶片驱动端31叶片孔111和转轮侧壁12之间驱动叶片3的驱动端31，受力更合理，转轮叶片3使用寿命更高。 [0049] 转轮体1内设有活塞2，活塞2将转轮体1内部的腔体分隔成活塞腔14和操作腔13。转轮侧壁12由圆筒状的活塞缸壁121和球状的球状内壁122组成，活塞腔14位于圆筒状的活塞缸壁121内，操作腔13位于球状的球状内壁122内，活塞2滑移设置于圆筒状的活塞缸壁 121围成的的活塞腔14内，活塞2的侧壁与转轮侧壁12的活塞缸壁121密封连接形成活塞副。 活塞2轴接有操作组件21，操作组件21位于操作腔13内并与叶片3的驱动端31轴接。活塞2中心朝向操作腔13内设有导轴22，导轴22为空心轴，操作腔13远离所述活塞2的一端设有固定座11,所述固定座11设有导向通道112, 导轴22滑移设置于导向通道112内。导轴22侧壁设有均布的出油口221，出油口221与操作腔13连通,在导轴22运动过程中出油口221始终位于活塞2和固定座11之间，出油口221不会被固定座11遮挡，如图实线箭头所示的操作腔高压油进入方向Y进入的高压油通过导轴22的进油通道222和出油口221进入操作腔13内。活塞2朝向操作腔13的端面固定连接有朝向转轮侧壁12延伸的导槽23，转轮侧壁12相对应的位置处设有导轨15，导槽23滑移设置于导轨15上用于对活塞2运动进行导向，防止活塞2在运动过程中周向偏斜影响工作性能。 [0050] 固定座11、转轮侧壁12、固定座11和活塞2围合成操作腔13，操作组件21和叶片3的驱动端31位于操作腔13内。转轮侧壁12还固定连接有泄流锥4，泄流锥4内部围合有圆锥腔41，在固定座11的座底壁115开设有泄油孔113，泄油孔113连通操作腔13和圆锥腔41，泄油孔113通过密封螺钉6密封，当将密封螺钉6拆卸后，操作腔13内的高压油从泄油孔113流入到圆锥腔41内。 [0051] 请参阅图2所示，本申请无缸式转轮叶片3驱动装置操作腔13内高压油流动方向示意图。在操作腔13靠近固定座11一侧由转轮体1球状内壁122的下部、固定座11的座侧壁114下部和座底壁115围合成下部空间131，下部空间131设置为：从出油口221流出的高压油经过球状内壁122、座底壁115或经过球状内壁122、座底壁115和座侧壁114反射后最终向活塞2朝向操作腔13的端面流动。 [0052] 固定座11包括座侧壁114和座底壁115，下部空间131包括靠近转轮侧壁12处的弧形反流区、靠近座底壁115处的上反流区和靠近座侧壁114处的侧反流区。当操作腔13内通入高压油时，高压油经过弧形反流区的反射流向座底壁115，再由座底壁115上反流区反射流向座侧壁114，再通过座侧壁114侧反流区反射流向活塞2推动活塞2向上移动；或者，高压油经过弧形反流区的反射流向座底壁115，再通过座底壁115的上反流区直接反射流向活塞2推动活塞2向上移动。当活塞腔14内通入高压油时，活塞2向下移动压缩操作腔13内的高压油，操作腔13内的高压油通过座侧壁114侧反流区反射流向靠近座底壁115处的上反流区，座底壁115处的上反流区反射流向转轮侧壁12处的弧形反流区，转轮侧壁12处的弧形反流区反射的推力将高压油推向出油口221，从出油口221流出；或者，活塞2向下移动压缩操作腔13内的高压油，操作腔13内的高压油通过靠近座底壁115处的上反流区和转轮侧壁12处的弧形反流区的推力将高压油推向出油口221，从出油口221流出。 [0053] 请参阅图3所示，为图1中A处剖面的结构示意图。转轮侧壁12轴向均布设置有四个叶片3，叶片3的驱动端31均与固定座11的叶片孔111轴接，叶片3的驱动端31与叶片端32交接处转动密封连接于转轮侧壁12上，操作组件21于操作腔13内转动连接叶片3的驱动端31靠近转轮侧壁12的位置。在叶片3与转轮侧壁12转动连接处设有密封盖5，密封盖5套设于叶片3的外周并固定安装于转轮侧壁12上。 [0054] 请参阅图4所示，为图1中B处剖面的结构示意图。转轮侧壁12上固定设置有导轨15，活塞2上固定设置有导槽23，导槽23一端与导轴22连接另一端向转轮侧壁12延伸并与导轨15连接，导槽23滑动设置于导轨15上。活塞2上还均布铰接有四个操作组件21分别与四个叶片3对应连接。 [0055] 请参阅图5所示，为图1中C处剖面的结构示意图。操作组件21包括连杆212，连杆212的上端通过上轴211与活塞2转动连接，连杆212的下端通过下轴214与曲轴213转动连接，曲轴213与叶片3的驱动端31固定连接。活塞2上下运动通过连杆212带动曲轴213转动，曲轴213带动驱动端31转动实现叶片3的旋转调节。 [0056] 本实施例无缸式转轮叶片3驱动装置的工作过程及原理如下：请参照图1‑图5所示，操作腔13高压油如图1中实心箭头所示方向通过导轴22的进油通道222并通过出油口221进入到操作腔13内，高压油通过出油口221喷射到转轮体1的球状内壁122并反射到固定座11的座底壁115，一部分高压油直接通过座底壁115反射流向活塞2，另一部分经过球状内壁122、座底壁115和座侧壁114反射后最终朝向活塞2的端面流动。当操作腔13内的高压油充满后，高压油继续进入到操作腔13并推动活塞2向上运动（图1所示的位置方向），活塞2带动操作组件21向上运动，操作组件21带动曲轴213转动，曲轴213带动叶片3进行顺时针旋转（图5所示位置方向），当旋转至12.5°左右时，叶片3完全关闭，活塞腔14内的高压油通过与虚线箭头相反的方向返回。当活塞腔14高压油沿着虚线箭头进入到活塞腔14内时，高压油充满活塞腔14并推动活塞2向下运动（图1所示的位置方向），操作腔13内的高压油通过出油口221和进油通道222沿着与实线箭头相反的方向流出。活塞2向下带动操作组件21运动，操作组件21带动曲轴213转动，曲轴213带动叶片3逆时针旋转（图5所示位置方向），当旋转至 12.5°左右时，叶片3完全打开。 [0057] 实施例二： [0058] 请参阅图6和图7所示，与实施例一不同的是，本实施例叶片3与转轮侧壁12之间设有三道减压密封，从操作腔13向外依次为轴套7减压密封、迷宫密封8和缠绕式垫片9。轴套7套设在叶片3的驱动端31外周并位于转轮侧壁12和驱动端31之间，叶片3可以相对转轮侧壁12转动，轴套7有利于叶片3顺畅转动并降低转动磨损。在转轮侧壁12的外部通过螺钉6固定安装有密封盖5，密封盖5连接有四层缠绕式垫片9，缠绕式垫片9紧密套设在叶片3靠近叶片端32的外周进行密封。在轴套7和缠绕式垫片9之间还设有“Z”字形小间隙迷宫密封8结构，间隙的尺寸小于等于1毫米。通过三道减压密封结构可以对操作腔13内的高压油进行减压密封，防止操作腔13内的高压油在高压工作过程中泄露造成环境污染或者影响水轮机的工作效果。 [0059] 实施例三： [0060] 请参阅图8所示，与实施例二不同之处在于，出油口221设置于导轴22远离活塞2的端部位置，固定座11上设有与操作腔13连通的通孔116，当导轴22在导向通道112内滑动过程中，出油口221位于导向通道112内并通过固定座11上的通孔116与操作腔13连通。 [0061] 与实施例一的工作原理不同之处在于，操作腔13高压油通过导轴22的进油通道222进入并通过出油口221进入到导向通道112内，再通过固定座11上的通孔116进入到操作腔13内。 [0062] 实施例四： |
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