CN108005955A

CN108005955A - 监测离心泵的蜗壳的状况的方法和布置结构

Info

Publication number: CN108005955A
Application number: CN201710954317.2A
Authority: CN
Inventors: K.塔霍恩
Original assignee: Sulzer Pumpen AG
Current assignee: Sulzer Pumpen AG; Sulzer Management AG
Priority date: 2016-10-27
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2018-05-08
Anticipated expiration: 2037-10-13
Also published as: EP3315783B1; RU2017134119A; RU2017134119A3; CN108005955B; BR102017021392A2; US20180119700A1; EP3315783A1; US10480517B2; RU2739933C2

Abstract

本发明涉及监测离心泵的蜗壳的状况的方法和布置结构。本发明涉及监测离心泵的蜗壳的状况。状况监测通过如下方式进行，即：通过在蜗壳的壁（22）的外表面（26）中将盲孔（30'）布置至使得蜗壳经受的应力处于其最高值的位置。该盲孔（30'）可设有耦接到泵控制系统的压力传感器（32'）。

Description

监测离心泵的蜗壳的状况的方法和布置结构

技术领域

本发明涉及根据独立权利要求的前序部分的监测离心泵的蜗壳的状况的方法和布置结构。更具体而言，本发明涉及监测离心泵的蜗壳的磨损。

背景技术

只要离心泵已被使用，泵的部件、主要是叶轮及其蜗壳就已磨损或被磨耗。磨损或磨耗的程度或比率越高，待泵送的液体所含的磨料（abrasive material）就越多，和/或制成部件的材料就越弱。

叶轮的磨损表现为泵的性能的降低，即泵的压头和效率二者都下降，从而导致泵的能量消耗的增加。因此，通过监测泵的单位能量消耗（specific energy consumption），可以密切关注叶轮的状况。

蜗壳的磨损影响泵的性能，但通常小于叶轮磨损的影响。传统上，当泵开始泄漏、即小的液体射流或喷射离开蜗壳时，仅在视觉上观察到蜗壳的磨损。在由于其他设备遮蔽泵而不能容易地观察到泄漏或射流的情况下，可在泵的下方或一侧处看到小的液体池，从而指示蜗壳中的磨损。因此，开放的泄漏很少，如果存在，则是期望的特征，已经探索了不同的检测初始泄漏的方式。

US-B2-9,062,682讨论了通过使用基于PVDF（聚偏二氟乙烯）和/或基于SONAR的传感器来感测不稳定的压力和/或声发射的泵性能监测。两种类型的传感器被连接到信号处理模块，用于将来自传感器的输入信号转换成包含关于泵的性能的信息的输出信号。该文献还简要讨论了泵的磨损，并表示磨损可能会引起泵中的振动并造成声发射。所述传感器是可被定位在泵壳体上的类型的传感器。

这样的传感器可以在如下情况下以可靠的方式来操作，即：其中，磨损会引起某种不平衡，如例如破损的叶轮叶片所引起的。然而，在如下情况下，即：其中，磨损是基于例如在蜗壳中旋转的研磨物质（abrasive matter），从而导致遍及蜗壳的整个周界的均匀磨损，磨损不会导致不稳定的压力或声发射，直到磨损穿过蜗壳的最薄部分。但是，这样就太迟了，因为目标应当朝向预防性磨损监测，由此，可以在常规的服务中断期间定时进行蜗壳的维护，而不是在蜗壳突然破裂时，从而造成在蜗壳更换期间的正常生产的中断。

本发明的一个目的在于提供监测离心泵的蜗壳的磨损的如下新颖的方法和布置结构，即：其克服了现有技术的布置结构的至少一些问题。

本发明的另一个目的在于提供监测离心泵的蜗壳的磨损的如下新颖的方法和布置结构，即：其考虑到离心泵的不同类型的磨损。

因此，本发明的一个目的在于提供监测离心泵的蜗壳的磨损的如下新颖的方法和布置结构，即：其特别针对主要关注避免局部磨损引起的泄漏的情况。

因此，本发明的另一个目的在于提供监测离心泵的蜗壳的磨损的如下新颖的方法和布置结构，即：其特别针对主要关注避免蜗壳强度的崩溃的情况。

本发明的又一个目的在于提供监测离心泵的蜗壳的磨损的如下新颖的方法和布置结构，即：其考虑到制成蜗壳的不同材料。

本发明的另一个目的在于提供用于监测由硬脆材料制成的离心泵的蜗壳的磨损的新颖的方法和布置结构。

本发明的再一个目的在于提供一种用于监测由延性或高强度材料（ductile orhigh-tensile material）制成的离心泵的蜗壳的磨损的新颖的布置结构。

发明内容

本发明的目的可以基本上得到满足，如在独立权利要求中以及在描述了本发明的不同实施例的更多细节的其他权利要求中所公开的。

根据本发明的一个实施例，提供了一种监测离心泵的蜗壳的状况的方法，所述蜗壳包括：具有壁和出口开口的出口管道；中心线平面C_L；分水舌；轴线A_P；以及具有内表面和外表面的壁，所述内表面限定了所述蜗壳的内部，所述方法包括以下步骤：

a）考虑到制成所述蜗壳的材料，在所述蜗壳的壁中确定对于磨损而言是关键的至少一个点，

b）从所述蜗壳的外部在所述至少一个点处在所述蜗壳的所述壁中设置盲孔，所述盲孔具有一定深度，

c）从所述盲孔接收信息，以及

d）在所述信息指示了所述盲孔通到所述蜗壳的内部中之后，采取预定的动作来以新的蜗壳替换所述蜗壳。

这提供了一种用于离心泵的蜗壳，该蜗壳的性能和可靠性得到显著改善。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于监测离心泵的蜗壳的状况的布置结构，所述泵具有蜗壳和轴线A_P，所述蜗壳包括：出口管道；出口开口；与所述轴线A_P成直角延伸的中心线平面C_L；具有内表面和外表面的壁，所述内表面限定了所述蜗壳的内部；以及至少一个盲孔，其布置成在所述蜗壳的壁的外表面中以一定深度延伸，其中，所述至少一个盲孔被布置到所述蜗壳经受的主应力或磨耗最大的位置。

在本专利申请中讨论的本发明的示例性实施例不应被解释为对所附权利要求的适用性构成限制。动词“包括”在本专利申请中被用作开放限制，其不排除还未陈述的特征的存在。在从属权利要求中陈述的特征是可相互自由组合的，除非另有明确说明。被认为是本发明的特性的新颖特征特别地在所附权利要求中阐述。

附图说明

在下文中，将参照所附的示例性示意图来更详细地讨论本发明的监测离心泵的蜗壳的状况的方法和布置结构，附图中：

图1a图示了离心泵的蜗壳的侧视图，

图1b图示了图1a的蜗壳的径向剖视图，剖面是沿与泵的轴线成直角延伸的蜗壳的中心线平面、即沿图1a的线A-A截取的，

图1c图示了根据本发明的第一优选实施例的图1b的蜗壳的放大局部视图，

图2a图示了沿图1c的线B-B的非磨损或非磨耗的蜗壳的轴向剖视图，以及

图2b图示了磨损或磨耗到传感器对蜗壳的内部开放的程度的图2a的蜗壳的轴向剖视图，

图3a图示了根据本发明的第二优选实施例的图1a的蜗壳的局部轴向剖面图，该剖面是沿图1的线C-C截取的，

图3b图示了图3a的轴向剖面的放大和局部的视图，以及

图3c图示了根据本发明的第二优选实施例的图1a的蜗壳的局部剖面图，该剖面是沿图1的线D-D截取的。

具体实施方式

图1a图示了离心泵的蜗壳2的侧视图，并且图1b示意性地图示了沿线A-A的图1a的蜗壳的剖视图。图1b中的蜗壳2被示出为从蜗壳2的入口开口4的方向观察的剖面图，并沿与泵的轴线A_P成直角延伸的径向中心线平面C_L截取。蜗壳2具有：入口开口4，其具有入口凸缘6；出口管道8，其具有被出口凸缘12围绕的出口开口10；支撑结构，即足部14；以及围绕开口18的环形凸缘16，通过该开口18，离心泵的叶轮可以被安装在蜗壳2内。蜗壳2还具有轴线A_P，当轴、叶轮、蜗壳、轴承和密封件被组装以形成离心泵时，该轴线A_P与离心泵的轴的轴线重合。入口开口4、入口凸缘6、环形后凸缘16以及其中的后开口18与轴线A_P同心地定位。所述蜗壳具有中心线平面C_L（通常与出口开口10和出口凸缘12的中心线平面相同），其通常但不一定经由出口开口10的中心与轴线A_P成直角延伸。当中心线平面C_L穿过蜗壳2的内壁时形成的弯曲的、通常是螺旋的线限定了蜗壳2的通常与蜗壳2的轴线A_P最远（即，具有最长的距离）的部分，由此，在蜗壳2中循环的流体的流速在该弯曲的线处或附近处于其最高水平。蜗壳2还具有分水舌（cutwater tongue）20，其在蜗壳的喉部处将待泵送的液体的一部分分离到出口管道8，其余的液体继续其在蜗壳2内、即在蜗壳2的内部中的循环。

图1c示意性地图示了根据本发明的第一优选实施例的图1b的蜗壳的局部放大视图。因此，图1c图示了蜗壳2的包括分水舌20的部分及其下游的部分。“下游”一词是指经过分水舌20的在蜗壳2中循环的液体流的方向。蜗壳2具有壁22，其具有：内表面24，该内表面24限定了蜗壳的内部，并且待泵送的液体沿该内表面24流动；以及与环境空气连通的外表面26。蜗壳2的外表面26就处于出口管道8的壁28（也是蜗壳的一部分）之后或下游，该外表面26设有至少一个盲孔30，该至少一个盲孔30与外表面26基本上成直角布置，以延伸到蜗壳2的壁22中的一定深度。盲孔30优选地但不一定设有传感器32，该传感器32指示来自蜗壳2的壁22内侧、即来自蜗壳2的内部的孔30中的液体进入。图1c示出了第二个类似的盲孔30'-传感器32'对，其布置在第一个盲孔-传感器对的略微上游，使得盲孔位于出口管道8的根部处。第三个盲孔30''-传感器32''对被布置成深深地延伸到分水舌20中。并且第四个盲孔30'''-传感器32'''对被布置在出口管道8的壁28中，用于监测分水舌下游的出口管道的壁的磨损。盲孔30、30'、30''和30'''被布置到待泵送的液体的磨耗作用最高的位置。广泛的进行的测试已表明，最大磨耗应力（abrasive stress）的位置在如下位置是最高的，即：其中，蜗壳2的内表面24与轴线A_P在轴向平面（参见图2a）中的距离D最长，并导致流体的流速最高，由此使磨耗颗粒压靠蜗壳的内表面24的离心力也是最高的。在普通的离心泵中，这样的位置是图1c、2a和2b中所示的位置，即靠近分水舌，并处于蜗壳2的中心线平面C_L处或附近。然而，存在如下离心泵，其中，最长距离D处于中心线平面C_L的一侧处，即泵可具有一种双蜗壳（double volute），该双蜗壳具有在两个较宽的蜗壳半部之间具有较短距离的部段。或者离心泵可以在轴向方向上具有宽的蜗壳，该蜗壳的内表面的距离D增长到蜗壳的端部。

形成将流体划分和分离成两个流的部分的分水舌由于其形状、位置和功能是经受最严重的磨损的部分。由于分水舌的磨损对离心泵的效率具有显著的影响，因此分水舌设有第三盲孔30''。换言之，孔30''和可能的位于其中的传感器32''不一定是考虑到破损或者穿过蜗壳的壁的泄漏的风险来监测蜗壳的状况，而是考虑到分水舌的磨损程度。孔30''可以在分水舌中延伸到如下的位置和深度，即：使得当磨损已达到孔时，分水舌处的流动状况被削弱到这样的程度，即使得在存在更严重的效率降低的风险之前，蜗壳将被更换或维修。盲孔的上述讨论和图示的位置是如下泵中的关键位置，即：这些泵由延性铁或高强度钢制成，例如马氏体铸钢ASTM A747 Grade CBCu-2，该马氏体铸钢允许局部增加的应力水平，并且因此，对任何压力相关的载荷不那么敏感。区分延性/高强度和脆性材料的一种方法是确定金属材料断裂后的伸长百分比。EN ISO 6892-1规定了用于金属材料的拉伸试验的方法，并定义了可在室温下确定的机械性能。断裂后的伸长率（elongation）小于5的金属材料可以称为脆性的（brittle），并且具有5或更多的断裂后伸长率的材料称为延性或高强度材料。

然而，由于这样的延性铁或高强度钢不是特别硬，因此它们对磨耗敏感。盲孔30、30'和30'''延伸的深度使得在穿过蜗壳的壁的真实泄漏的风险即将到来之前，仍然提供一定的安全边际（safety margin）。即，这样的尺寸设定给用户留下足够的时间用于安排用新的蜗壳来更换磨损的蜗壳。自然，这些盲孔可以被定位成使得来自其的任何泄漏都是良好可见的，或者这些盲孔可以设有管道，该管道将泄漏引到易于检测的地方，或者这样的管道可以设有检测液体的存在的传感器。如果使用，则传感器32可以是压力传感器、电导率传感器或某种其他适当的传感器。至于这些孔本身，则没有涉及具体的尺寸设定。自然，孔的直径优选地尽可能小，使得这些孔不会降低蜗壳的强度。因此，孔的直径可以是例如蜗壳的壁的厚度的十分之一或更小。孔的尺寸的唯一先决条件是它必须能够以可靠的方式来指示泄漏，无论泄漏何时发生。

图2a示意性地图示了根据本发明的第一优选实施例的图1c的非磨损或非磨耗的蜗壳的轴向剖面的放大视图，该剖面沿图1c的线B-B截取。图2a示出了盲孔30和布置在其中的传感器32如何沿蜗壳的中心线平面C_L被定位在蜗壳的壁22的外表面26中。蜗壳的这里示出的部分，即其外周界，优选但不一定相对中心线平面C_L对称。图2a还示出了从蜗壳的内表面24到其轴线A_P的最长距离D。

图2b示意性地图示了磨损或磨耗到如下状况的图2a的蜗壳的视图，即：使得盲孔30和传感器32（如果使用的话）对蜗壳的内部开放。换言之，沿蜗壳的内表面24循环的可能具有一些夹带在其中的磨料固体的待泵送的液体已将表面磨耗至如下程度，即：使得现在盲孔30已在内表面24'中开放，从而允许液体进入孔30。孔中的传感器32向泵的控制单元发送信号，该信号输出请求以启动用于以新的蜗壳来更换磨损的蜗壳或者用于以某种其他方式来维护蜗壳的动作。这里，如所预期的，在这种离心泵中，在中心线平面处，最高的磨损率是可见的，这是因为流速在中心线平面处处于其最高水平。

图3a和图3b示意性地图示了根据本发明的第二优选实施例的蜗壳的局部轴向剖视图，剖面沿图1b的轴向平面C-C（沿轴线A_P延伸）截取。图3c示意性地图示了蜗壳的局部剖视图，剖面沿图1b的平面D-D截取。图3a示出了蜗壳2，其具有入口开口4、入口凸缘6、环形后凸缘16、后开口18以及具有内表面24和外表面26的壁22。在此实施例中，蜗壳2由硬脆材料制成，例如铸铁ASTM A532 Class III Type A，以便更好地承受待泵送的液体的磨耗作用。这种脆性材料的断裂后的伸长率小于5%。因此，由于压力载荷引起的变形，这样的材料仅承受非常有限的伸长的量（如果有的话）。因此，盲孔34与壁22的外表面26基本上成直角地布置（可能但不一定与传感器36一起）在如下位置，即：根据所进行的实验，在那里，蜗壳2经受最大的主应力。最高的主应力通常在如下位置找到，即：在那些位置，蜗壳的内表面24在所示的轴向剖面中的曲率半径R最小。一个这样的位置在蜗壳2的“角部”中找到，在那里，作用在内表面24上的压力趋于使蜗壳弯曲，以增加其在轴向平面中的曲率半径。由于同样的现象在蜗壳的整个周界上发生，因此多于2个、优选为4个至12个、更优选为6-8个传感器应当以相等的间隔被定位到蜗壳的周界。其中蜗壳内部的表面的曲率半径可非常小（从而导致主应力高）的图3c中所示的另一位置是分水舌20联接到相对的壁22或实际上联接到蜗壳的侧壁22'的点。在图3c中已提供了这样的点，其中盲孔34'在其深度、尺寸和使用上对应于先前图中的盲孔30...30'''和34。布置到这些位置的盲孔34'延伸到如下深度，即：使得在蜗壳破裂的风险即将到来之前，仍然提供一定的安全边际。即，这样的尺寸设定给用户留下足够的时间用于安排用新的蜗壳来更换磨损的蜗壳或者以适当的方式来维护蜗壳。图3c示出了用于监测在蜗壳的中心线平面C_L处的分水舌20的磨损的盲孔34''。盲孔34''可以与图1c的盲孔30''具有相同的位置。当考虑脆性材料时，盲孔34''位于分水舌20的中心处的最大主应力的位置处。容易想像趋于将蜗壳的侧壁22'彼此推开的压力如何将高拉伸应力施加于分水舌的两个侧角部和其中心处。

优选地，上述盲孔的深度和与之结合讨论的安全边际被限定为使得从传感器接收到信息的人员有足够的时间来获取蜗壳和维护人员以进行蜗壳的更换。因此，该安全边际例如可意味着蜗壳不会崩溃或开始泄漏，直到警报之后的一个星期或一个月后，无论该警报可能是何种类型。此外，基于从蜗壳的安装到警报的磨损率，监测布置结构可以被编程为给出对蜗壳的剩余工作天数的估计。

使用设有传感器的上述监测布置结构提供了用于进行离心泵的状况监测的各种替代方案。来自传感器的信息可以被转发到本地（在泵附近）控制室、其中安装有泵的工业设施的集中控制室、公司的集中备件贮藏所以及泵制造商的仓库中的至少一个，以上仅列举几个选项。传感器提供的信息可以形式为警示灯、声音报警、给维护人员的自动消息以及针对新的蜗壳的预编程订单中的至少一种。

虽然本文中已结合目前被认为的最优选的实施例借助于示例来描述了本发明，但是应当理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而是意在覆盖包括在如所附权利要求中限定的本发明的范围内的其特征的各种组合或修改以及若干其他应用。结合上述任何实施例提及的细节都可以结合另一实施例来使用，只要这样的结合在技术上是可行的。

Claims

1.一种监测离心泵的蜗壳的状况的方法，所述蜗壳（2）包括：具有壁（28）和出口开口（10）的出口管道（8）；中心线平面（C_L）；分水舌（20）；轴线（A_P）；以及具有内表面（24）和外表面（26）的壁（22），所述内表面（24）限定了所述蜗壳（2）的内部，所述方法的特征在于以下步骤：

a）考虑到制成所述蜗壳（2）的材料，在所述蜗壳（2）的壁（22、28）中确定对于磨损而言是关键的至少一个点，

b）从所述蜗壳的外部在所述至少一个点处在所述蜗壳（2）的所述壁（22、28）中设置盲孔（30、30'、30''、30'''、34、34'、34''），所述盲孔（30、30'、30''、30'''、34、34'、34''）具有一定的深度，

c）从所述盲孔（30、30'、30''、30'''、34、34'、34''）接收信息，以及

d）在所述信息指示了所述盲孔（30、30'、30''、30'''、34、34'、34''）通到所述蜗壳（2）的内部中之后，采取预定的动作来以新的蜗壳替换所述蜗壳（2）。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a）中，对于由高强度钢或延性铁制成的泵，将所述至少一个点确定为所述蜗壳（2）中的如下位置，即：使得在所述蜗壳的轴向剖面中，所述位置与所述轴线A_P具有最长的距离D，即所述蜗壳（2）经受最大磨耗载荷的位置。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤b）中，靠近所述分水舌（20）来定位所述蜗壳（2）的所述壁（22、28）中的盲孔（30、30'、30''、30'''、34'、34''）。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a）中，对于由硬脆性铸铁制成的泵，将所述至少一个点确定为处于所述蜗壳（2）中的如下位置处，即：使得在轴向剖面中，所述蜗壳（2）的内表面（24）的半径R处于其最小值，即所述蜗壳经受最大主应力的位置，并且在步骤b）中，从所述蜗壳的外部在所述至少一个点处在所述蜗壳（2）的所述壁（22、28）中设置盲孔（34）。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a）中，对于由硬脆性铸铁制成的泵，将所述至少一个点确定为如下位置，即：使得所述分水舌（20）联接到所述蜗壳（2）的侧壁（22'），并且在步骤b）中，从所述蜗壳的外部在所述至少一个点处在所述蜗壳（2）的壁（22）中设置盲孔（34'）。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a）中，对于由硬脆性铸铁制成的泵，在所述蜗壳（2）的中心线平面C_L处的所述分水舌（20）中确定所述至少一个点，并且在步骤b）中，从所述蜗壳的外部在所述至少一个点处在所述蜗壳（2）的所述分水舌（20）中设置盲孔（34''）。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤b）中，将所述盲孔（30、30'、30'''、34、34'、34''）的深度确定为对应于所述蜗壳（2）的壁（22）的相对于所述蜗壳（2）在所述点的强度需求或耐磨性的最小安全厚度。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤b）中，将所述盲孔（30''）的深度确定为对应于所述蜗壳的壁（22）的考虑到所述分水舌（20）处的流动状况的最小可用厚度。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤b）和步骤c）之间，布置与所述盲孔（30、30'、30''、30'''、34、34'、34''）连通的传感器（32、32'、32''、32'''、36），用于在所述盲孔（30、30'、30''、30'''、34、34'、34''）已对所述蜗壳（2）的内部开放时发送信号。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤c）中，接收来自所述盲孔（30、30'、30''、30'''、34、34'、34''）的视觉信息或者来自与所述盲孔（30、30'、30''、30'''、34、34'、34''）连通设置的传感器（32、32'、32''、32'''、36）的信号。

11.一种用于监测离心泵的蜗壳的状况的布置结构，所述泵具有蜗壳（2）和轴线（A_P），所述蜗壳（2）包括：出口管道（8）；出口开口（10）；与所述轴线（A_P）成直角延伸的中心线平面（C_L）；具有内表面（24）和外表面（26）的壁（22），所述内表面（24）限定了所述蜗壳（2）的内部；以及至少一个盲孔（30、30'、30''、30'''、34、34'、34''），其布置成在所述蜗壳（2）的壁（22）的外表面（26）中以一定深度延伸，其特征在于，所述至少一个盲孔（30、30'、30'''、34、34'）被布置到所述蜗壳（2）经受的主应力或磨耗最大的位置。

12.如权利要求11所述的布置结构，其特征在于，所述至少一个盲孔（30、30'、30'''）在所述蜗壳（2）中被布置到如下位置，即：使得在所述蜗壳的轴向剖面中，所述位置与所述轴线A_P具有最长的距离D。

13.如权利要求11所述的布置结构，其特征在于，所述盲孔（30''）的深度被布置成对应于所述蜗壳的壁（22）的考虑到分水舌（20）处的流动状况的最小可用厚度。

14.如权利要求11所述的布置结构，其特征在于，所述至少一个盲孔（34、34'）被布置到如下位置，即：在所述位置，在所述蜗壳的轴向剖面中，所述蜗壳（2）的壁（22）的内表面（24）的曲率半径R处于其最小值。

15.如权利要求11所述的布置结构，其特征在于，所述至少一个盲孔（34''）被布置到所述蜗壳（2）的中心线平面C_L处的所述分水舌（20）。

16.如权利要求14所述的布置结构，其特征在于，布置到所述蜗壳（2）的整个周界的若干盲孔（34）。

17.如权利要求11-16中任一项所述的布置结构，其特征在于，设置成与至少一个盲孔（30、30'、30''、30'''、34、34'、34''）连通的传感器（32、32'、32''、32'''、36）。

18.如权利要求17所述的布置结构，其特征在于，所述传感器（32、32'、32''、32'''、36）是压力传感器和电导率传感器中的一种。