闷气界面式立轴密封.pdf

本发明涉及一种轴密封，特别是一种用于气动式波力发电装置上的轴密封。
    波力发电装置，是利用海洋上可再生的波浪能为动力，发电供沿海航道航标灯用，亦可作海洋水文、气象自动遥测浮标的长效电源。气动式波力发电装置的工作原理是：利用浮标随波浪升沉的运动，通过中心管气室将波浪能转换成空气能，空气能由空气透平转换成旋转机械能，交流永磁发电机将旋转机械能转换成交流电能，硅整流器将交流电转换成直流电，然后蓄电池将不稳定的直流电贮存，以供使用。这种小型气动式波力发电装置通常采用直联结构，即空气透平直接安装在发电机的外伸轴上。为防止海水侵入轴承和发电机，必须装设轴密封，目前采用的立轴密封主要有两类：接触式密封和间隙式密封。接触式密封（如唇式密封、机械密封等），可以防止一定压头下海水的侵入，但对于长期无人管理和维护的波力发电装置而言，它的寿命短，可靠性差，而且摩擦功耗大，对于起动性能差的对称翼透平波力发电机组而言，更是致命的弱点。间隙式密封（如迷宫式密封），有功耗小，不妨碍透平机组起动等优点，但它只能防止海水溅入，不能防止海水侵入，只适用于水浅、流速低、风浪不大的海域，应用范围受到很大限制。

    本发明的目的就是提供一种既具有很好的密封性，能有效地防止海水的侵入，又具有功耗小、无磨损、无需维护管理、寿命长等特点地用于气动式波力发电装置上的轴密封，即闷气界面式立轴密封。

    闷气界面式立轴密封是利用海水侵入时，海水将发电机和密封环内腔中的空气封闭起来，在密封环内形成气液界面实现压力平衡，只要海水的压力不大于某一数值，海水就不会侵入轴承和发电机。它的密封作用是靠控制发电机内腔有效空腔体积与透平转轮和发电机之间有效的空腔体积（即密封环内腔的有效体积）之比来实现的。设发电机内腔有效空腔体积为V1，密封环内腔有效体积为Vn，两者之和为V0。海水侵入前，压强为P1，总体积为V0，海水侵入后，压强为P2，总体积为V2。近似看作等温压缩，则有P1V0＝P2V2。在P2时，海水不进入发电机腔的条件是Vn/V1＞（P2-P1）/P1，显然，Vn越大，V1越小，密封就越可靠。我们用增大Vn和减少V1来保证密封性，增大Vn的具体措施有：增大轮彀直径;增加发电机下端面至透平转轮盖板之间的距离;减少发电机与透平转轮之间零件占用的体积等。减少V1的具体措施有：减少发电机定子两端的空间，必要时可用耐热的绝缘树脂注满整个定子腔（以发电机温升允许为限）;减少转子两端的空间，如用合适的轴承压盖尽可能占满转子两端的空间等。为使海水侵入时，能把空气封闭起来，必须保证定子引出线、发电机上下端盖法兰、发电机下端面与密封环之间的严格气密性，通常可采用O型密封圈密封。密封环下端面与透平转轮盖板之间是间隙密封，平时防止海水溅入，当海水侵入时易使密封环、电机内腔形成封闭腔。轴承下面的轴套与发电机下端面之间亦有间隙密封，可进一步防止海水溅入轴承，提高密封可靠性。

    闷气界面式立轴密封是靠控制发电机内腔有效空腔体积与密封环内腔有效体积之比来实现密封作用的，是一种全新的立轴密封方法，因此它具有密封质量好的优点，另外由于闷气界面式立轴密封没有与转轴接触的零件，因而同样具有间隙式密封功耗小、无磨损、无需维护管理、寿命长的优点，扩大了应用范围。

    附图一为采用闷气界面式立轴密封的气动式波力发电装置的结构简图。

    〔1〕保护帽，〔2〕整流器和控制器，〔3〕交流永磁发电机，〔4〕空气透平，〔5〕转轮室，〔6〕密封环。

    下面通过实施例具体说明。

    实施例：一种采用本发明-闷气界面式立轴密封的小型波力发电装置，其空气透平直径φ200毫米，轮彀直径φ120毫米。密封环内腔有效体积Vn为148.5立方厘米，密封环上端面与发电机下端面之间采用橡胶O型密封圈密封，保证密封环内腔除与发电机内腔以下轴套单边0.15毫米径向间隙连通以及以透平轮彀单边0.3毫米径向间隙、透平转轮盖板轴向间隙1.2毫米与透平转轮通道连通外，其余实现气密性。发电机上下两端盖与发电机定子壳体法兰面之间采用橡胶O型密封圈密封，发电机引出线与定子壳体之间采用带橡胶O型密封圈的密封接头，保证发电机内腔除下轴套处以单边0.15毫米径向间隙与密封环内腔连通外，其余实现气密性。定子绕组两端的空间尽可能缩小，转子磁钢与上下轴承之间的空间用高厚的轴承压盖尽可能占据。发电机内腔有效体积V1为183.7立方厘米。此闷气界面式立轴密封，当发电装置在垂直状态下，海水能浸入到下轴承的临界淹没深度为8米。当海水淹没深度为5米时，气液界面离发电机座下端面的距离仍有4.8毫米。