一种以高压纯净水为操作介质的水力机械桨叶调节器

技术领域

本发明涉及水力机械技术领域，特别涉及一种以高压纯净水为操作介质的水力机械桨叶调节器。

背景技术

传统的转桨式水轮机经常会存在桨叶操作油泄漏的问题。这些液压油通常进入集水井或轮毂后未经处理直接排入环境水体中，造成污染。为了保护水环境和减少运维成本，目前，国内外许多水电站和水泵站都在逐步进行少油化和无油化的改造，例如用水替代操作油进行桨叶液压操作，一方面能避免环境污染，减少补给成本，另一方面由于水是一种清洁介质，对机电设备安装和操作检修人员的工作环境和安全风险也有极大的好处。

目前现有技术中存在采用无氧水替代操作油进行桨叶液压操作，以申请人的早期专利申请CN201910746163.7为例，公开了一种以无氧水为操作介质的水轮机桨叶调节器，从中可以看出在操作介质方面，无氧水是较为环保的。

此外，申请人在后续的生产实践中发现，虽然通过无氧水替代操作油进行桨叶液压操作，能够避免环境污染；但“无氧水替代操作油”的这一方案中仍存在一定的技术问题，例如：无氧水的制作成本较高，同时在水轮机的运转过程中，考虑到无氧水的制作以及持续供应等问题，往往还需要设置额外的除氧设备来脱除水中的溶解氧，不仅增加了相关设备结构的复杂程度，而且增加了水轮机的投产成本以及运行成本。此外，一旦除氧设备故障或密封失效，就会导致运行时，特别是在间隙运行时，金属构件的氧化现象仍在一定程度上存在，容易使得旋转接头与无氧水管路之间的连接处发生卡阻，极容易导致设备卡住或破损、管路撕扯断裂等情况，使得水轮机无法正常运转，甚至出现结构性的破坏，这无疑降低了设备运行的可靠性。

考虑到水力机械领域的水轮机、水泵等均是对可靠性要求极高的设备，在避免环境污染的基础上，为了进一步提高设备运行的可靠性，如何对现有的桨叶调节器以及其操作介质进行改进，便成了本领域所要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种以高压纯净水为操作介质的水力机械桨叶调节器，如何对现有的桨叶调节器进行改进，同时取消无氧水制作环序，直接采用纯净水作为操作介质，以解决现有技术中水力机械设备及其桨叶调节器的运行可靠性较差的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种以高压纯净水为操作介质的水力机械桨叶调节器，包括高压纯净水系统、防卡阻系统、调节系统，所述高压纯净水系统的高压水管通过防卡阻系统与调节系统连接；所述调节系统包括受水器，所述受水器设置旋转轴头，所述防卡阻系统包括第一缸套、第二缸套，所述第一缸套套设在旋转轴头外壁，所述第二缸套套设在第一缸套远离旋转轴头的一侧，所述第一缸套、第二缸套、旋转轴头之间形成双层防卡阻结构。

进一步的，所述旋转轴头与第一缸套之间设置定位装置，所述旋转轴头与第二缸套之间设置定位装置。

进一步的，所述定位装置为陶瓷定位器。

进一步的，所述第一缸套、第二缸套之间设置柔性密封件。

进一步的，所述高压纯净水系统设置第一高压水管、第二高压水管，所述第二缸套设置第一高压水连接口、第二高压水连接口，所述第一高压水连接口与第一高压水管连接，所述第二高压水连接口与第二高压水管连接；所述第一缸套设置第一过水通道、第六过水通道，所述第一过水通道与第一高压水连接口连通，所述第六过水通道与第二高压水连接口连通。

进一步的，所述调节系统包括接力器、水压锁，所述水压锁的一端与旋转轴头连接，所述水压锁的另一端与接力器连接。

进一步的，所述旋转轴头中设置第二过水通道，所述第二过水通道与第一过水通道连通；所述水压锁中设置第三过水通道，所述第三过水通道与第二过水通道连通；所述接力器中设置活塞腔、活塞，活塞将活塞腔分隔为第一腔室、第二腔室，所述接力器设置第四过水通道、第五过水通道，所述第四过水通道的一端与第三过水通道连通，所述第四过水通道的另一端与第二腔室连通，所述第五过水通道的一端与第一腔室连通，所述第五过水通道的另一端与第六过水通道连通。

进一步的，所述旋转轴头与第一缸套之间设置第一环槽、第二环槽，所述第一环槽分别与第一过水通道、第二过水通道连通，所述第二环槽分别与第六过水通道、第五过水通道连通。

进一步的，所述第一环槽设置在第一缸套朝向旋转轴头外壁一侧的侧壁，和/或设置在旋转轴头的外壁；所述第二环槽设置在第一缸套朝向旋转轴头外壁一侧的侧壁，和/或设置在旋转轴头的外壁。

进一步的，所述高压纯净水系统向调节系统中输送的纯净水水压为10～16MPa。

相对于现有技术，本发明所述的一种以高压纯净水为操作介质的水力机械桨叶调节器具有以下优势：

本发明所述的一种以高压纯净水为操作介质的水力机械桨叶调节器，通过采用纯净水作为操作介质，并设置防卡阻系统，一方面能够避免环境污染，降低操作介质的成本，且无需设置额外的除氧设备，有利于简化相关供水系统的装置结构，降低水力机械设备的投产成本以及运维成本，另一方面在调节系统与高压纯净水系统之间的连接处不会发生卡阻，避免了桨叶调节器发生设备卡住或破损、管路撕扯断裂等情况，确保了水力机械的正常运转，提高了相关水力机械设备运行的可靠性。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种以高压纯净水为操作介质的水力机械桨叶调节器的结构示意图；

图2为本发明实施例在图1中A处的局部放大图。

附图标记说明：

1、受水器；2、接力器；3、活塞杆；4、卡环；5、操作轴；6a、第一高压水软管；6b、第二高压水软管；7、回油软管；8、水压锁；9、第一螺丝；10、第二螺丝；11、第一缸套；12、旋转轴头；13、第二缸套；14、调速器；15、水箱；16a、第一高压水管；16b、第二高压水管；17、回油管；18、活塞；19、第一腔室；20、第二腔室；21、第一过水通道；22、第二过水通道；23、第三过水通道；24、第四过水通道；25、第五过水通道；26、第六过水通道；27、第一环槽；28、第二环槽；29、柔性密封件；X1、第一高压水连接口；X2、第二高压水连接口；L1、回油连接口；P1、第一定位器；P2、第二定位器；Q1、第三定位器；Q2、第四定位器。

具体实施方式

下文将使用本领域技术人员向本领域的其它技术人员传达他们工作的实质所通常使用的术语来描述本公开的发明概念。然而，这些发明概念可体现为许多不同的形式，因而不应视为限于本文中所述的实施例。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。同时，本申请中的桨叶调节器可以应用于水力机械中，例如水轮机、水泵等水力机械，为了便于介绍，本申请结合常规水轮机的结构，对本申请所提出的桨叶调节器的结构、运作情况进行介绍，但需要指出的是，本申请中的桨叶调节器并不局限于应用在水轮机中。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

现有技术中的水力机械设备的桨叶调节器采用无氧水替代操作油进行桨叶液压操作，以避免操作油可能导致的环境污染，但“无氧水替代操作油”的方案在实际生产实践中发现还存在一定的技术问题，例如成本问题、设备运行可靠性问题、设备结构复杂等技术问题。

因此，为了解决“无氧水替代操作油”这一方案存在的相关技术问题，本实施例对现有的桨叶调节器以及其操作介质进行改进，提出一种以高压纯净水为操作介质的水力机械桨叶调节器，如附图1-2所示，所述水力机械桨叶调节器包括高压纯净水系统、防卡阻系统、调节系统，所述高压纯净水系统通过防卡阻系统与调节系统连接，一方面用于将高压纯净水作为操作介质输送至调节系统中，以带动调节系统中的相关部件运行，实现调节桨叶的目的，另一方面考虑到高压纯净水可能导致金属构件发生氧化现象，通过设置防卡阻系统，利用防卡阻系统将高压纯净水系统与调节系统连接，使得调节系统中的相关部件在转动时，在调节系统与高压纯净水系统之间的连接处不会发生卡阻，避免了桨叶调节器发生设备卡住或破损、管路撕扯断裂等情况，确保了水力机械的正常运转，提高了相关水力机械设备运行的可靠性。

对于高压纯净水系统而言，包括调速器14、水箱15，水箱15分别设置第一高压水管16a、第二高压水管16b，所述第一高压水管16a、第二高压水管16b均与防卡阻系统连接，并通过防卡阻系统与调节系统中的过水通道连通，用于向调节系统中提供高压纯净水介质，或者回收纯净水介质；第一高压水管16a、第二高压水管16b为一进一出的关系，即第一高压水管16a可以作为出水管或回水管，第二高压水管16b相应地作为回水管或出水管，这均可以通过在水箱15中设置相应的调节阀来根据实际的桨叶调节需要来进行调控。在常规的阀门调控技术的基础上，调速器14为常规的调速装置，使得纯净水介质能够以较高的压力输送到调节系统中。

作为优选的，高压纯净水系统向调节系统中输送的纯净水水压为10～16MPa，一方面水压的提高，有利于减小调节系统中相关部件的体积、质量、用料，在具体的生产实践中，在这一水压下，在保证设备足够正常运转的基础上，可以将调节系统中受水器1的质量控制在30kg以内，将调节系统中接力器2的质量控制在800kg以内，使得设备的材料成本可控制在30000RMB以内，另一方面，由于水压的提高，调节系统中相关部件体积的缩小，用水量也随之大幅减少，同时随着纯净水的循环使用，在设备正常运行过程中，只需要对一些自然渗漏的水量损失进行补充即可，减少了纯净水的用量。

此外，从操作介质层面进行对比，本申请是将“纯净水替代操作油”，且纯净水为常规的工业用纯净水或生活用纯净水，与现有技术中的“无氧水替代操作油”的方案相比，不仅纯净水的成本较低，而且本申请无需设置额外的除氧设备，有利于简化相关供水系统的装置结构，降低水力机械设备的投产成本以及运维成本。

对于调节系统而言，包括受水器1、接力器2、主轴、轮毂、桨叶等部件，所述受水器1设置旋转轴头12，在水轮机正常运行下，受水力作用，桨叶、轮毂、主轴以及旋转轴头12会一同转动，所述接力器2中设置活塞18，所述活塞18的活塞杆3通过卡环4与操作轴5连接，所述操作轴5与桨叶的转臂结构连接，从而在高压纯净水的带动下，活塞18运动产生的位移，通过活塞杆3、卡环4、操作轴5传递给桨叶的转臂结构，使得转臂结构运动，并带动桨叶转动，达到调节桨叶角度的目的，这一桨叶调节过程与现有技术的桨叶调节过程基本一致，可以参考申请人早期提出的专利申请CN201811229066.2。

此外，由于纯净水的水压较高，所述调节系统中还设置水压锁8，所述水压锁8的一端通过第一螺丝9与旋转轴头12的法兰连接，所述水压锁8的另一端通过第二螺丝10与接力器2连接，以确保受水器1、接力器2之间的连接牢靠性，使其能够适应于高水压的工作环境。

对于防卡阻系统而言，包括第一缸套11、第二缸套13，所述第一缸套11套设在旋转轴头12外壁，所述第二缸套13套设在第一缸套11远离旋转轴头12的一侧，即第一缸套11设置在第二缸套13、旋转轴头12之间；同时，所述旋转轴头12与第一缸套11之间设置定位装置，如附图2中所示的第一定位器P1、第二定位器P2，所述旋转轴头12与第二缸套13之间设置定位装置，如附图2中所示的第三定位器Q1、第四定位器Q2，任一定位装置的结构中均包括轴承；从而使得第一缸套11、第二缸套13、旋转轴头12之间形成双层防卡阻结构，一方面定位装置对第一缸套11、第二缸套13、旋转轴头12之间的装配进行位置限定，另一方面使得旋转轴头12在转动过程中，第一缸套11、第二缸套13不会随之转动，使得防卡阻系统始终保持静止状态，使其与第一高压水管16a、第二高压水管16b之间不会出现相对运动，确保了防卡阻系统与第一高压水管16a、第二高压水管16b之间连接的稳固性，有利于提高设备运行的可靠性；优选的，上述的任一定位装置均采用陶瓷定位器。

在附图2中，需要说明的是，附图2为结构示意图，省去了附图1中A处的部分结构线条，附图2的视图角度实际应沿顺时针旋转90°之后，才能与附图1的视图角度保持一致；同时附图2中的黑色小方块均为常规的密封件，所述桨叶调节器中设置的密封件均采用疏水性材料，且强度与韧性足够；需要着重提出的是，第一缸套11、第二缸套13之间设置多个柔性密封件29，柔性密封件29采用柔性疏水材料，具有一定的柔软度，从而第一缸套11、第二缸套13、旋转轴头12之间形成双层防卡阻结构，通过设置柔性密封件29，即便是第一缸套11与旋转轴头12之间发生卡阻，第一缸套11随着旋转轴头12转动，第二缸套13也能够保持静止状态，不会出现跟转，确保调节系统与高压纯净水系统之间的连接处不会发生卡阻，有利于进一步提高设备运行的可靠性。

由于本申请利用高压纯净水作为工作介质，为了进一步提高水力机械设备及其桨叶调节器的运行可靠性，本实施例采用足够耐腐蚀性能的不锈钢作为桨叶调节器的材料，根据腐蚀性强度的分布和零件精密度的要求，所述防卡阻系统采用奥氏体加铁素体双向不锈钢2205(022Cr23Ni5Mo3N)、奥氏体不锈钢316(18Cr12Ni2.5Mo)、奥氏体不锈钢304(06Cr19Ni10)中的至少一种材料制得；所述调节系统中的相关部件采用奥氏体加铁素体双向不锈钢2205(022Cr23Ni5Mo3N)、奥氏体不锈钢316(18Cr12Ni2.5Mo)、奥氏体不锈钢304(06Cr19Ni10)中的至少一种材料制得；例如：活塞杆3、活塞18采用奥氏体加铁素体双向不锈钢2205，接力器2中的其余金属部件采用奥氏体不锈钢316，受水器1中的金属部件采用奥氏体不锈钢304，第一缸套11采用奥氏体不锈钢316或奥氏体不锈钢304，第二缸套13采用奥氏体不锈钢316或奥氏体不锈钢304，从而在高水压的环境下，将相关金属部件采用不锈钢材料，尤其是根据各个部件不同的功能采用相应的不锈钢材料进行结合，形成的桨叶调节器，有利于进一步防止相关金属部件发生氧化现象，有利于确保其使用寿命，更有利于防止调节系统与高压纯净水系统之间的连接处卡阻的发生，确保水力机械的正常运转，提高相关水力机械设备运行的可靠性。

下面对桨叶调节器中的具体结构以及工作原理进行进一步介绍，尤其是指高压纯净水的流动情况。

所述第二缸套13设置第一高压水连接口X1、第二高压水连接口X2，所述第一高压水连接口X1通过第一高压水软管6a与第一高压水管16a连接，所述第二高压水连接口X2通过第二高压水软管6b与第二高压水管16b连接。

所述第一缸套11设置第一过水通道21、第六过水通道26，所述第一过水通道21与第一高压水连接口X1连通，所述第六过水通道26与第二高压水连接口X2连通；优选的，第一过水通道21与第一高压水连接口X1之间设置环形槽，第六过水通道26与第二高压水连接口X2之间设置环形槽，也可以视为第一缸套11、第二缸套13之间设置两个环形槽，其中一个环形槽分别与第一过水通道21、第一高压水连接口X1连通，另一个环形槽分别与第六过水通道26、第二高压水连接口X2连通，所述环形槽设置在第一缸套11朝向第二缸套13一侧的侧壁上，和/或设置在第二缸套13朝向第一缸套11一侧的侧壁上；从而即便是第一缸套11与旋转轴头12之间发生卡阻，第一缸套11随着旋转轴头12转动，第二缸套13保持静止不跟转，能够通过第一缸套11、第二缸套13之间的环形槽保证高压纯净水的持续流动、持续供给。

所述旋转轴头12中设置第二过水通道22，所述第二过水通道22与第一过水通道21连通；所述水压锁8中设置第三过水通道23，所述第三过水通道23与第二过水通道22连通。

所述接力器2中具有活塞腔，活塞18将活塞腔分隔为第一腔室19、第二腔室20，所述接力器2设置第四过水通道24、第五过水通道25，所述第四过水通道24的一端与第三过水通道23连通，所述第四过水通道24的另一端与第二腔室20连通，所述第五过水通道25的一端与第一腔室19连通，所述第五过水通道25的另一端与第六过水通道26连通，且第五过水通道25与第六过水通道26之间的水路结构(未图示)可以视为：第五过水通道25贯穿水压锁8，并在旋转轴头12中延伸直至与第六过水通道26连通。

由于在设备正常运行过程中，旋转轴头12处于转动状态，第一缸套11处于静止状态，为了使得旋转轴头12与第一缸套11之间的高压纯净水能够持续流动、持续供给，所述旋转轴头12与第一缸套11之间设置第一环槽27、第二环槽28，所述第一环槽27分别与第一过水通道21、第二过水通道22连通，所述第二环槽28分别与第六过水通道26、第五过水通道25连通，所述第一环槽27设置在第一缸套11朝向旋转轴头12外壁一侧的侧壁，和/或设置在旋转轴头12的外壁；所述第二环槽28设置在第一缸套11朝向旋转轴头12外壁一侧的侧壁，和/或设置在旋转轴头12的外壁；从而即便是在旋转轴头12转动、第一缸套11静止的状态下，也能够确保高压纯净水的持续流动、持续供给。

由于在桨叶调节过程中，可能需要活塞18向上或向下运动，或者称之为需要活塞18压缩第一腔室19，或压缩第二腔室20。下面分为过程A、B来分别介绍：

过程A、当需要活塞18压缩第一腔室19时，通过水箱15中相应的阀门调节，将第一高压水管16a作为高压供水管，高压纯净水依次流经第一高压水管16a、第一高压水软管6a、第一高压水连接口X1、第一过水通道21、第一环槽27、第二过水通道22、第三过水通道23、第四过水通道24，进入第二腔室20中；在第二腔室20中高压纯净水的作用下，活塞18压缩第一腔室19，而第一腔室19中的纯净水则依次流经第五过水通道25、第二环槽28、第六过水通道26、第二高压水连接口X2、第二高压水软管6b、第二高压水管16b，回流到水箱15中。

过程B、当需要活塞18压缩第二腔室20时，与过程A相反，通过水箱15中相应的阀门调节，将第二高压水管16b作为高压供水管，高压纯净水依次流经第二高压水管16b、第二高压水软管6b、第二高压水连接口X2、第六过水通道26、第二环槽28、第五过水通道25，进入第一腔室19中；在第一腔室19中高压纯净水的作用下，活塞18压缩第二腔室20，第二腔室20中的纯净水则依次流经第四过水通道24、第三过水通道23、第二过水通道22、第一环槽27、第一过水通道21、第一高压水连接口X1、第一高压水软管6a、第一高压水管16a回流到水箱15中。

此外，所述桨叶调节器还可以设置相应的电控系统，将电控系统、高压纯净水系统，乃至水流检测系统等多个系统相结合，通过控制上述过程A、过程B的启动与否、供应水量的多少、供应水压的大小，来精确控制活塞18的运动位置，从而在活塞18的带动下，能够精确控制操作轴5、桨叶等随动部件的运动情况，能够实现精确定位，有利于实现桨叶全自动控制的目的。

由于高水压环境，防卡阻系统、受水器1的旋转轴头12之间在接口密封处难免会发生部分渗漏，为了将渗漏出的纯净水从受水器1中排出，所述受水器1在其旋转轴头12外设置壳体，旋转轴头12保持转动，但壳体不转动，壳体设置回油连接口L1，所述水箱15设置回油管17，回油连接口L1通过回油软管7与回油管17连接，从而使得渗出的纯净水能够重新回流到水箱15中。同时，对于旋转轴头12与第二缸套13之间设置的定位装置，如附图2中所示的第三定位器Q1、第四定位器Q2，也可以视为设置在旋转轴头12与壳体之间，有利于进一步增强对旋转轴头12的定位作用。优选的，所述第一高压水管16a、第二高压水管16b、回油管17均采用不锈钢管。

在本发明中，对于包括水轮机、水泵在内的任意水力机械而言，可以包括本实施例中所述水力机械桨叶调节器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。