阅读说明：本技术 滚动轴承保护装置及其适用的垂直轴潮流能发电装置 (Rolling bearing protection device and vertical shaft tidal current energy power generation device applicable to same ) 是由 苗晓南 赵东福 吴振华 李嘉 丁祎程 李其朋 徐华军 何立君 钟华锋 陈超 胡冬 于 2020-06-19 设计创作，主要内容包括：本发明还提供一种滚动轴承保护装置及其适用的垂直轴潮流能发电装置,垂直轴潮流能发电装置包括框架、垂直轴水轮发电机、滚动轴承、滚动轴承保护装置。垂直轴水轮发电机包括垂直于水平面设置的主轴,主轴的一端可旋转地设置于框架的底部。滚动轴承套设于主轴的一端。滚动轴承保护装置设置于滚动轴承的上方。滚动轴承保护装置包括沿重力方向依次设置的第一道密封保护装置、第一漏水保护腔和第二道密封保护装置,第一道密封保护装置包括至少一个第一密封组件,第一漏水保护腔包括第一积水舱和第一排水孔,第一排水孔设置于第一积水舱的侧壁,第二道密封保护装置包括至少一个第二密封组件。(The invention also provides a rolling bearing protection device and a vertical shaft tidal current energy power generation device applicable to the rolling bearing protection device. The vertical shaft hydraulic generator comprises a main shaft arranged perpendicular to a horizontal plane, and one end of the main shaft is rotatably arranged at the bottom of the frame. The rolling bearing is sleeved at one end of the main shaft. The rolling bearing protection device is arranged above the rolling bearing. The rolling bearing protection device comprises a first sealing protection device, a first water leakage protection cavity and a second sealing protection device which are sequentially arranged along the gravity direction, the first sealing protection device comprises at least one first sealing component, the first water leakage protection cavity comprises a first ponding cabin and a first water drainage hole, the first water drainage hole is formed in the side wall of the first ponding cabin, and the second sealing protection device comprises at least one second sealing component.)

滚动轴承保护装置及其适用的垂直轴潮流能发电装置

技术领域

本发明属于潮流能发电领域，尤其涉及一种滚动轴承保护装置及其适用的垂直轴潮流能发电装置。

背景技术

海洋能(包含潮流能、波浪能、温差能、盐差能、海流能等)是一种清洁无污染的可再生能源，其储量丰富，分布广泛，具有极好的开发前景和价值。现今能源日益短缺，温室效应日益严重，能源需要低碳化，所以风能、海洋能等清洁能源是未来能源的发展方向。但现在这些清洁能源的发电设备，除了风能利用比较成熟外，海洋能的利用还是在起步阶段，缺少通用和成熟的设备。最重要的是潮流能发电装置的发电成本远高于其它能源的发电成本，这个严重阻碍了潮流能发电的商业运用和推广。

潮流能发电装置主要采用两种水轮发电机，一种是垂直轴水轮发电机，另一种是水平轴水轮发电机。由于垂直轴水轮机的主轴是一直在转动的，通常会使用轴承来支撑主轴。根据摩擦性质的不同，轴承一般分为两种：滑动轴承和滚动轴承。滑动轴承是在滑动摩擦下工作的轴承。在液体润滑条件下，滑动表面被润滑剂(即清水)分开而不发生直接接触，大大减小表面磨损。滑动轴承因为发生摩擦的是整个面，因此起动摩擦阻力大。滑动轴承由于摩擦阻力大，容易损坏，使用寿命短，在实际使用中最长使用不超过五年，这导致潮流能发电装置如果使用滑动轴承，必须不超过五年就要将整个发电装置提出水面更换轴承。因此，滑动轴承的使用和维修成本非常高昂。

滚动轴承是将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种轴承。滚动轴承如果保养得当，最长可以使用20-30年，并且滚动轴承本身的制造费用就比滑动轴承的费用更低。因此，采用滚动轴承将大幅度降低潮流能发电装置的使用和维修成本。然而，与滑动轴承不同的是，滚动轴承是采用润滑油作为润滑剂。由于潮流能发电装置是大部分运行在水中，所以滚动轴承的密封性要求非常高，一旦外部的海水从密封圈处渗漏进入滚动轴承中，整个滚动轴承将完全报废。这不但无法起到降低成本的作用，反而提高了轴承的使用和维修成本。然而，现有的垂直轴潮流能发电装置都无法解决滚动轴承长时间使用后的密封性问题。也正因为如此，即便滚动轴承更适用于潮流能发电装置，现有的垂直轴潮流能发电装置仍然采用的是滑动轴承。

发明内容

本发明为了克服现有技术中的至少一个不足，提供一种滚动轴承保护装置及其适用的垂直轴潮流能发电装置。

于第一方面，本发明提供一种滚动轴承保护装置，适用于垂直轴潮流能发电装置，垂直轴潮流能发电装置包括滚动轴承，滚动轴承保护装置设置于滚动轴承的上方。滚动轴承保护装置包括沿重力方向依次设置的第一道密封保护装置、第一漏水保护腔和第二道密封保护装置，第一道密封保护装置包括至少一个第一密封组件，第一漏水保护腔包括第一积水舱和第一排水孔，第一排水孔设置于第一积水舱的侧壁，第二道密封保护装置包括至少一个第二密封组件。

于本发明第一方面的一实施例中，第二道密封保护装置包括第二漏水保护腔，第二漏水保护腔包括第二积水舱和第二排水孔，第二排水孔设置于第二积水舱的侧壁。

于本发明第一方面的一实施例中，第二道密封保护装置包括止挡结构，止挡结构设置于第二积水舱的上方以止挡第二积水舱内积水溅出。

于第二方面，本发明还提供一种垂直轴潮流能发电装置，包括框架、垂直轴水轮发电机、滚动轴承、滚动轴承保护装置。垂直轴水轮发电机包括垂直于水平面设置的主轴，主轴的一端可旋转地设置于框架的底部。滚动轴承套设于主轴的一端。滚动轴承保护装置设置于滚动轴承的上方。滚动轴承保护装置包括沿重力方向依次设置的第一道密封保护装置、第一漏水保护腔和第二道密封保护装置，第一道密封保护装置包括至少一个第一密封组件，第一漏水保护腔包括第一积水舱和第一排水孔，第一排水孔设置于第一积水舱的侧壁，第二道密封保护装置包括至少一个第二密封组件。

于本发明第二方面的一实施例中，第二道密封保护装置包括第二漏水保护腔，第二漏水保护腔包括第二积水舱和第二排水孔，第二排水孔设置于第二积水舱的侧壁。

于本发明第二方面的一实施例中，第二道密封保护装置包括止挡结构，止挡结构设置于第二积水舱的上方以止挡第二积水舱内积水溅出。

于本发明第二方面的一实施例中，垂直轴潮流能发电装置还包括轴承供油管，穿设于主轴的内部，轴承供油管的一端连通滚动轴承的润滑腔以提供润滑油至润滑腔内。

于本发明第二方面的一实施例中，垂直轴潮流能发电装置还包括抽油管和抽油泵，穿设于主轴的内部，抽油管的一端连通滚动轴承的润滑腔，抽油泵设置于抽油管的另一端以通过抽油管抽走润滑腔内的润滑油。

于本发明第二方面的一实施例中，垂直轴潮流能发电装置还包括液位传感器、抽水管和抽水泵，第一排水孔连通主轴的内部，液位传感器检测主轴内部积存的漏水的水位，当液位传感器检测主轴内的水位达到预设值时，抽水泵运行以通过抽水管抽取主轴内的积水排到垂直轴潮流能发电装置的外部。

于本发明第二方面的一实施例中，主轴为中空结构并且具有足够大的内径以使维修人员能够进入主轴的内部。

于本发明第二方面的一实施例中，垂直轴潮流能发电装置还包括至少一个鼓风机和一个通风管，通风管设置于主轴内，通风管从水面以上通到水面以下以使主轴内能够进行换风。

于本发明第二方面的一实施例中，主轴的另一端通过另一个滚动轴承可旋转地固定于框架的顶部。

综上所述，本发明提供的滚动轴承保护装置在两道密封保护装置之间设置漏水保护腔，即便由于密封元件长久使用后发生老化松动，漏水也会被第一漏水保护腔收集和积存，不会进入滚动轴承内部。在第一漏水保护腔下方设置第二密封保护装置，构成密封安全冗余，杜绝漏水进入滚动轴承内部的所有可能性。确保了滚动轴承的使用环境，大大延长了滚动轴承的使用寿命。从而降低了垂直轴潮流能发电装置的成本，推动了垂直轴潮流能发电装置的商业化运用。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1所示为根据本发明一实施例提供的垂直轴潮流能发电装置的示意图。

图2所示为图1中圆圈标识A处的放大示意图。

图3所示为图2中圆圈标识B处的放大示意图。

具体实施方式

如图1-图3所示，本发明一实施例提供的垂直轴潮流能发电装置包括框架1、垂直轴水轮发电机2、滚动轴承3以及滚动轴承保护装置4。

垂直轴水轮发电机2包括垂直于水平面P设置的主轴21，主轴21的一端可旋转地固定于框架1的底部11。于本实施例中，主轴21的所述端为图1所示的底端。垂直轴水轮发电机的水轮机部分位于水面以下，发电机的部分位于水面以上。本发明对垂直轴水轮发电机的具体类型不作任何限定。本申请的水轮机可采用升力型叶轮也可采用阻力型叶轮。

滚动轴承3套设于主轴21的所述端(即底端)。于本实施例中，滚动轴承3具有填充有润滑油的润滑腔31。本发明的垂直轴潮流能发电装置采用的是滚动轴承而非滑动轴承，轴承的摩擦系数更低，承载力更高，解决了传统垂直轴潮流能发电装置中使用滑动轴承造成的高摩擦、低承载力的问题。

于本实施例中，主轴21的另一端通过另一个滚动轴承3可旋转地固定于框架1的顶部。具体而言，垂直轴潮流能发电装置具有两个滚动轴承3，分别套设于主轴21的两处，即分别套设于主轴21的底端和靠近顶端的地方(两个滚动轴承3分别固定于框架1的顶部和底部)。通过这种设置，主轴21的两端能够被“约束”，从而提高主轴21对水流冲击的抵抗能力。现有的垂直轴潮流能发电装置只在主轴靠近顶端的部分设有滚动轴承进行约束，在主轴的底端由于更换润滑油成本高等原因，从而放弃使用滚动轴承进行约束。这样潮流能发电装置在水深方向上无法“做深”(现有技术一旦做深，由于主轴的底部不被约束，将无法抵抗水流的巨大冲击力，主轴容易从中弯曲甚至断裂)，这大大限制了垂直轴潮流能发电装置的发电功率。本实施例的垂直轴潮流能发电装置有效地克服现有技术中的这个问题，通过“两点约束”实现长主轴的应用，实现水深方向上的潮流能的充分利用。

如果垂直轴潮流能发电装置采用三个或三个以上的约束点，虽然主轴于多处能够得到更好的支撑，但是为了使主轴和轴承的尺寸相匹配，对主轴的加工精度要求会非常高，反而造成了成本的攀升。本实施例的垂直轴潮流能发电装置采用对主轴两端进行约束，加工精度的要求能够得到有效下降。这样既能够对主轴起到很好的支撑作用，又能够有效控制成本。

滚动轴承保护装置4设置于滚动轴承3的上方。于本实施例中，滚动轴承保护装置4包围了滚动轴承3与主轴21的缝隙处以保护滚动轴承3不被外部的海水入侵。本申请中提及的“上”和“下”是相对于重力方向而言的。本申请中提及的重力方向为从图1所示的角度看去，从上到下的方向为重力方向。滚动轴承保护装置4包括沿重力方向依次设置的第一道密封保护装置41、第一漏水保护腔43和第二道密封保护装置42。

第一道密封保护装置41包括至少一个第一密封组件411。于本实施例中，第一密封组件411是由多个不同类型的密封件构成，通过采用不同类型的密封件构成安全冗余，确保密封性能。具体而言，第一密封组件411包括位于最上方的至少两道密封圈4111，用以阻挡外部水流中的泥沙。密封圈4111可采用碳基复合材料制成，然而，本发明对密封圈的材料不作任何限定。第一密封组件411还包括弹簧4112，用以给密封圈4111施加压力，从而使两道密封圈4111紧密贴合。在密封圈4111和弹簧4112的下方，第一密封组件411还可包括密封垫片4113。本发明对第一密封组件的具体构成形式不作任何限定。于其它实施例中，第一密封组件可不具有弹簧而仅具有多道密封圈，或者第一密封组件采用气密封、金属密封等任意一种密封形式。于另一实施例中，第一密封组件还可包括如下文所述的积水舱和排水孔。于又一实施例中，第一道密封保护装置41可包括两个或两个以上的第一密封组件411。

第一漏水保护腔43包括第一积水舱431和第一排水孔432，第一排水孔432设置于第一积水舱431的侧壁。于本实施例中，当第一道密封保护装置41由于长久使用发生老化松弛后，可能会有少量的海水从第一道密封保护装置41与主轴21的缝隙处渗漏进来，第一积水舱431设置于第一道密封保护装置41的下方，收集并积存从第一道密封保护装置41渗漏进来的海水，从而避免海水入侵滚动轴承3的内部。当积存的漏水的液面到达第一排水孔432处时，由于第一排水孔432连通第一积水舱431和主轴21的内部，积存的漏水将会通过第一排水孔432流到主轴21的内部。

第二道密封保护装置42包括至少一个第二密封组件421。本发明对第二密封组件的具体构成形式不作任何限定。第二密封组件可为密封圈、密封垫片、气密封、金属密封等任意一种密封形式。于另一实施例中，第二道密封保护装置可包括两个或两个以上的第二密封组件。于本实施例中，第二道密封保护装置42包括第二漏水保护腔422，第二漏水保护腔422包括第二积水舱4221和第二排水孔4222，第二排水孔4222设置于第二积水舱4221的侧壁。优选地，第二排水孔4222位于第二积水舱4221的侧壁靠近底部的位置，以便于第二积水舱4221内积存的漏水及时排出。在垂直轴潮流能发电装置运行数年后，第一积水舱431中积存的漏水量较多，漏水可能会无法及时地从第一排水孔432中排出到主轴21的内部，此时，如果不设置第二道密封保护装置42，海水仍然可能有流入下方滚动轴承3的风险。为了确保海水不会入侵到滚动轴承3的内部，本发明在第一漏水保护腔43的下方继续设置第二道密封保护装置42，进一步确保滚动轴承的使用环境并延长滚动轴承的使用寿命。

当第二漏水保护腔422中积存的漏水量较多时，由于主轴21是一直在转动的，积存的漏水可能会在离心力的作用下溅出。于本实施例中，第二道密封保护装置42包括止挡结构423，止挡结构423设置于第二积水舱4221的上方以止挡第二积水舱4221内积水溅出。于本实施例中，在第二漏水保护腔422的侧壁和顶部设置突出的部分，即形成止挡结构。

由于海水的腐蚀性和水流巨大的冲击力，垂直轴潮流能发电装置的密封元件往往使用寿命不超过5年。于实际应用中，不到五年的时间，为了确保滚动轴承不被海水入侵，现有的垂直轴潮流能发电装置就必须将整个发电机组吊出水面以更换密封件，这使得潮流能发电的成本居高不下。本发明申请通过在第一道密封保护装置下方设置第一漏水保护腔，在第一漏水保护腔下方再设置第二密封保护装置，能够确保外部海水不会流入滚动轴承的内部，有效地延长滚动轴承的使用寿命，大幅度降低轴承的维修或者更换频率，从而大幅度降低垂直轴潮流能发电装置的维修成本。

于本实施例中，垂直轴潮流能发电装置还包括抽油管5和抽油泵6。抽油管5穿设于主轴21的内部，抽油管5的一端连通滚动轴承3的润滑腔31。抽油泵6连通于抽油管5的另一端以通过抽油管5抽走润滑腔31内的润滑油。于本实施例中，抽油泵6设置于主轴21的内部。然而，本发明对此不作限定。于其它实施例中，抽油泵可以位于主轴外部的水面上。

于本实施例中，垂直轴潮流能发电装置还包括轴承供油管7。轴承供油管7穿设于主轴21的内部，轴承供油管7的一端连通滚动轴承3的润滑腔31以提供润滑油至润滑腔31内。于实际使用中，轴承供油管7的另一端可连通储存有新鲜润滑油的储油舱71。于本实施例中，储油舱可设置于主轴21内。然而本发明对此不作任何限定，于其它实施例中，储油舱可设置于主轴21外的水面上。

滚动轴承的润滑剂是润滑油。当润滑油正常发挥作用时，润滑油会防止零部件之间的摩擦，减少热量的产生，还会吸收一些泥沙等，以保持机器的良好运转。但是润滑油是有有效期的，并不能长久使用，必须在一定时间内进行更换，以有利于整个轴系的使用寿命。特别是滚动轴承在使用一段时间后，润滑油由于高温、杂质污染等因素会变质，呈现变色、多泡沫甚至乳化现象，大大降低润滑效果。为了保证滚动轴承的润滑质量，必须定期更换润滑油(一般不超过六个月)。若不及时更换润滑油，不仅会由于起不到润滑作用加速零部件的磨损，影响使用寿命，并且由于起不到良好的润滑作用，反而对主轴的转动形成阻力，影响整个水轮机的转动从而影响发电功率。

由于海洋中环境复杂，现有的垂直轴潮流能发电装置无法实现水下更换润滑油。传统的垂直轴潮流能发电装置当要对润滑油进行检查和更换时，首先必须停止水轮机的运作，然后将整个水轮机从水中提升到水面以上，之后拆除轴承，才能更换润滑油，进行轴承的维修和保养。因此，传统垂直轴潮流能发电装置的轴承的维修和保养工作费时费力，维修成本居高不下。

本发明申请提供的垂直轴潮流能发电装置，当需要更换润滑油时，控制抽油泵6进行工作，抽取润滑腔31中的变质润滑油。没有变质的润滑油在重力作用下通过轴承供油管7流入润滑腔31内。通过除掉“旧”油替换“新”油的方式实现水面下润滑油的更换。因此，本发明申请提供的垂直轴潮流能发电装置，无需将水轮机提升至水面以上，即可实现润滑油的更换，大幅度降低了垂直轴潮流能发电装置的运行成本。

特别地，本实施例通过将轴承供油管7和抽油管5设置于主轴21的内部，在保护管道不受外部海水冲击和腐蚀的同时，同时也利于轴承供油管7和抽油管5的检查、维修和更换。

于本实施例中，垂直轴潮流能发电装置还包括液位传感器81、抽水管82和抽水泵83。当漏水从第一排水孔进入到主轴21内部，在主轴21的底部积存，液位传感器81检测主轴21内部的水位，当液位传感器检81测主轴21内的水位达到预设值时，抽水泵83运行以通过抽水管82抽取主轴21内的水到垂直轴潮流能发电装置外部。

本实施例通过设置液位传感器81、抽水管82和抽水泵83。于本实施例中第一排水孔432和第二排水孔4222连通主轴21的内部，将第一积水舱431和第二积水舱4221中的漏水排出到主轴21的内部。漏水在重力作用下会积存到主轴21的底部。液位传感器81检测主轴21内部积存的漏水的水位，当液位传感器81检测主轴21内的水位达到预设值时，抽水泵83运行以通过抽水管82抽取主轴21内的积水排到垂直轴潮流能发电装置的外部。

于本实施例中，主轴21为中空结构并且具有足够大的内径以使维修人员能够进入主轴21的内部。具体而言，主轴21位于水平面P以上的部分具有开孔，维修人员或维修机器能够通过开孔进入到主轴21的内部，最终对设置于主轴21内的管道和元器件等进行检验、保养或修理。本发明对主轴21的具体内径数值不作任何限定。如果进行维修操作的是人，则主轴21的内径宽度应该足以让成人通过，譬如可以为1.5m以上。相应地，主轴21内壁上可设置有爬梯，方便维修人员进入到主轴21的底部以检修滚动轴承3、维修或更换抽油管或抽水管等管道、维修或更换抽油泵或抽水泵等。如果进行维修的是机器人或机器设备，则外轴的内径宽度只需要让维修机器通过即可。

于本实施例中，垂直轴潮流能发电装置还包括至少一个通风管91和一个鼓风机92，通风管91设置于主轴21内，通风管91从水面以上通到水面以下以使主轴21内能够进行换风。现有的垂直轴潮流能发电装置没有考虑过水下安装或者维修的情况。本发明人之前考虑过水下维修，但是忽视了由于内部的机器长时间运行，机器发热产生的高温也会伴随产生有毒有害气体和二氧化碳浓度过高的问题。如果需要进行水下作业，人员需要长时间呆在水下，很容易发生缺氧或者二氧化碳中毒等情况。本实施例的鼓风机和通风管构成了新风系统，大大保障了进入水下的维修人员或者安装人员的生命安全。当人员需要进入水面以下的工作区内进行工作时，可启动鼓风机对水面以下的工作区内进行换风。于具体应用中，新风系统可具有更复杂的结构，比如具有独立的送风系统和排风系统等，在此不展开进行赘述。

综上所述，本发明提供的滚动轴承保护装置在两道密封保护装置之间设置漏水保护腔，即便由于密封元件长久使用后发生老化松动，漏水也会被第一漏水保护腔积存，不会进入滚动轴承内部。在第一漏水保护腔下方设置第二密封保护装置，构成安全冗余，杜绝所有漏水进入滚动轴承内部的可能性。确保了滚动轴承的使用环境，大大延长了滚动轴承的使用寿命。从而降低了垂直轴潮流能发电装置的成本，推动了垂直轴潮流能发电装置的商业化运用。本发明的垂直轴潮流能发电装置采用的是滚动轴承而非滑动轴承，轴承的摩擦系数更低，承载力更高，解决了传统垂直轴潮流能发电装置中使用滑动轴承造成的高摩擦、低承载力的问题，并且大幅度降低了使用成本和维修成本。

另外，本实施例的轴承供油管和抽油管设于主轴的内部，在保护管道不受外部海水冲击和腐蚀的同时，同时也利于轴承供油管和抽油管的检查、维修和更换，结构更加简单，布线更加合理。本实施例通过在主轴的底部和顶部设置滚动轴承，使得主轴的两端能够得到“约束”，从而使主轴能够有效抵抗水流的冲击。因此主轴能够做长，尽可能充分地利用海洋能，增大发电功率。本实施例提供的垂直轴潮流能发电装置，当需要更换润滑油时，控制抽油泵进行工作，抽取润滑腔中的变质润滑油。没有变质的润滑油在重力作用下通过轴承供油管流入润滑腔内，实现水面下润滑油的更换。因此，本实施例提供的垂直轴潮流能发电装置，无需将水轮机提升至水面以上，即可实现润滑油的更换，滚动轴承的维护更加简单，维修成本大幅度降低。

虽然本发明已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟知此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。