CN1732343A - 具有成形涡旋区的离心泵 - Google Patents

Abstract

在离心泵中的一个可取出的泵壳衬套(10)，用于处理包含磨损性颗粒的重型泥浆，它具有一个可选择的成形涡旋区(60)，从分水区到喉管区，沿着泵壳衬套(10)的周边，涡旋区(60)在轴向剖面中为不对称，不对称是相对于一个沿径向平分泵壳衬套(10)和涡旋区(60)的平面。衬套(10)特别适于与一个装有排除叶片(50)的叶轮(20)结合使用，用于把泥浆泵压离开密封面(62)。

Description

具有成形涡旋区的离心泵

发明背景

发明领域：本发明涉及了一个用于处理泥浆的工业用途的离心泵，特别是涉及了一个离心泵，它具有一个专门成形来处理有高度磨蚀性泥浆的涡旋区。

相关技术描述：涡旋型离心泵在现有技术中已经熟知，它具有一个大致为圆形或圆环形的泵壳。圆形泵壳的外缘区域确定了泵的涡旋区。涡旋区环绕着一个叶轮，叶轮位于泵壳内，并且定位成接受由叶轮处理的流体。因此泵壳的内涡旋区作为一个流体收集器，在离心力下由叶轮迫使流体向外。

通常，泵壳的涡旋区当它环绕泵壳周边延伸时容积发生改变。也就是说，取环绕泵壳周边上任一点的泵壳涡旋区的轴向剖面，显示出涡旋区具有变化的容积。当流体从泵壳的分水区到排放喷管运动时，环绕泵壳周边变化的涡旋区容积影响着泵的流动动力性质。

另外，被泵处理的流体类型还决定了涡旋区的所选容积或形状。已经熟知，不稳定区域发生在涡旋型的离心泵中。这种流动不稳定性可以引起流体压力脉动，并且可能对泵的效率有不利影响。也已经知道，流动不稳定性是由被泵压的流体类型引起(即清水与泥浆的比较)。Hyll等的美国专利号5,127,800描述了在用于处理清水(即固体含量很低或基本没有的流体)的泵和用于处理泥浆的泵之间，涡旋泵的设计是如何不同。换句话说，清水泵的叶轮具有的罩盖厚度通常比较小，因为没有颗粒的流体不引起叶轮的磨耗。但是，泥浆泵中叶轮的罩盖较厚，以补偿由于流体中固体含量造成的叶轮剥蚀。当流体离开泵的叶轮和进入涡旋区时，叶轮罩盖增加的厚度造成了紊流模式的发展。因此Hyll等的专利公布了一种涡旋区，它特别成形来补偿泥浆泵中形成的紊流模式。

用弧形的轮廓线有选择地形成了在Hyll等的专利′800中描述的涡旋区设计，其形状或曲率半径环绕泵壳的周边变化。特别是，在泵的分水区，如果沿轴向剖面看，涡旋区轮廓包括一个对称的单曲率。涡旋区的轮廓逐渐改变到包括一个连接各凹区的三曲率区，其曲率半径朝排放喷管方向沿着泵壳周边改变。在Hyll等的专利′800中，沿着泵壳周边任一点上的涡旋区剖面构形基本上相对于沿径向平分涡旋区的平面为对称。

Hyll等的专利′800中描述的涡旋区设计特别适用于在高流率下处理低固体含量的泥浆。但是已经发现，尽管这种涡旋区设计提供了稳定的性能曲线，但设计易于被泵压泥浆中的有磨损性固体颗粒所磨耗。对于根据泥浆所含固体尺寸和粗糙程度考虑为“重型”的泥浆用途，如挤压的矿砂泥浆，特别是这样。

当泵压重型泥浆时，泵的叶轮必须构成在叶轮的前罩盖(即靠近泵入口的罩盖)上具有有攻击性的排除叶片，以保护密封面不受固体磨损。在更具有攻击性的排除叶片工作时，在排除叶片后面建立了扩大的向外旋涡，它使磨损性的固体颗粒保持悬浮在泵的涡旋区中，防止颗粒渗入密封部位。但是，由有攻击性的排除叶片建立的旋涡把附加的速度传到磨损性的固体颗粒，它磨耗了Hyll等专利′800中描述的涡旋区设计轮廓的凸区，剥蚀了涡旋区的壁面。

因此，在现有技术中有利的是对离心泵提供一种成形的涡旋区，设计成可解决在处理泥浆，特别是包含粗和/或更磨损性固体颗粒的泥浆时所遇到的涡旋区剥蚀问题，而同时仍提供稳定的性能曲线。

发明摘要

按照本发明，离心泵的涡旋区用一个内表面的轮廓成形来处理流体泥浆，特别是包含粗和磨损性固体的泥浆，以承受由这种泥浆引起的剥蚀，由此提供了泵的稳定性能曲线。本发明的涡旋区构形可以引入一个泵壳的内表面，或者引入尺寸可配合在泵壳内的一个泵衬套的内部构形。

引入本发明涡旋区构形的离心泵一般包括一个圆形泵壳，它具有一个位于泵壳内的叶轮。叶轮与一个轴向驱动轴连接，它转动泵壳内的叶轮。叶轮还包括至少一个位于相隔开的罩盖之间的轮叶，以及具有至少一个位于叶轮外缘上的排放开口，把流体导向泵壳的涡旋区。叶轮还构成至少有一个排除叶片，从叶轮的吸入侧罩盖沿轴向延伸。

泵壳通常包括一对壁区，当配合一起时封闭了叶轮。泵壳的一侧，以下称为驱动侧，具有一个开口，驱动轴通过它伸出与叶轮连接。泵壳的另一侧，以下称为吸入侧，具有一个开口，它确定了流体流入叶轮的入口。相结合的驱动侧和吸入侧的泵壳外缘壁的内表面确定了涡旋区。在本发明的一个实施例中，可以按照本发明构成泵壳。在一个替代的实施例中，可以把本发明的涡旋区构形引入位于泵壳内的衬套中。

本发明的涡旋区构形在分水区和喉管区(它引导到泵壳的排放喷管中)之间，沿着泵壳或泵衬套周边的极大部分长度上延伸。涡旋区以一个轮廓线形成的内表面构成，其形状选择成优化了从叶轮进入和通过泵涡旋区的流体流动，因此提供了稳定的性能曲线。

在现有的泵压泥浆技术中已知，叶轮选择成具有较厚罩盖(与清水泵叶轮罩盖相比)，因为希望叶轮能承受泥浆的磨损影响。因此，叶轮开口的轴向宽度可能小于涡旋区的轴向宽度。这些相关宽度的差别可能造成流动的不稳定性。因此，本发明的涡旋区轮廓做成减少这种流动不稳定性。

另外，当泵压重型泥浆时，叶轮必须构成具有有攻击性的排除叶片，它位于叶轮的吸入侧罩盖上，以保护密封面不受磨损性固体的影响。更有攻击性的排除叶片工作时，在排除叶片后面建立了扩大的向外旋涡，它使磨损性固体颗粒保持悬浮在涡旋区中，防止颗粒渗入密封部位。如这里所采用，有攻击性的排除叶片产生一个不等压头，它大致不小于叶轮叶片产生的总泵压头的40％左右。由有攻击性的排除叶片建立的旋涡把附加的速度传到磨损性的固体颗粒，它磨耗了已知涡旋区设计的凸区。因此，选择本发明的涡旋区构形来减少由这种旋涡造成的剥蚀和防止由更具攻击性的泥浆造成的涡旋区内表面的剥蚀。

为了达到上述目的，本发明的涡旋区包括一个成形的内表面，它相对于平分泵壳的径向平面为不对称。涡旋区包括一个第一壁，它从支承排除叶片的叶轮罩盖附近的一个点弯曲到涡旋区的外缘，以及一个第二壁，它由两个具有完全不同曲率半径的凹区构成。第一壁轮廓确定了一个收集段，用于接受来自叶轮的流体。第二壁的两个凹区分别确定了一个收集段的连续区和一个循环段，把叶轮开口排出的流体导入收集段，由此减少进入涡旋区中流体流动的紊流。

涡旋区轴向剖面的构形从泵的分水区到靠近泵排放喷管的喉管区有变化，以优化进入和通过涡旋区到排放喷管的泥浆流动。涡旋区的成形表面延伸到泵的排放喷管的起点，在那里排放喷管的内表面逐渐变成圆形的轴向剖面。

附图简述

在附图中，说明了目前认为实现本发明的最好模式：

图1是一个泵壳衬套和叶轮的分离透视图；

图2是取自图4线2-2的本发明泵壳衬套和叶轮的轴向剖面图；

图3是先前技术的泵壳衬套和叶轮一部分的轴向剖面图；

图4是图1所示吸入侧泵壳衬套内侧的正视图；

图5A-5K是图1所示本发明泵壳衬套和叶轮的部分轴向剖面，这些图取自图4的线A-A到K-K；以及

图6是取自图4线I-I的本发明泵壳衬套和叶轮的部分轴向剖面图，取自线H-H的涡旋区剖面轮廓用虚线叠加在上面。

本发明详述

本发明的涡旋区构形是涡旋型离心泵的一部分，泵的结构在现有技术中已经熟知。因此，可参照美国专利号5,127,800，其内容引入这里作为参照，它说明了涡旋型离心泵的基本要素。尤其是，离心泵包括一个泵壳，它通常由两个蛤壳状的半壳形成。每个半泵壳大致为圆形，并且具有一个沿切向伸出区域，确定了一个排放喷管部分。每个半壳的外缘区提供了一个壁区。当两个半泵壳结合一起和环绕着其周边和沿着排放喷管部分密封时，外缘壁区结合成提供一个泵的涡旋区。一个叶轮位于泵壳内，并且被与叶轮连接的轴向驱动轴所驱动。叶轮具有至少一个叶轮开口，它向着泵的涡旋区。

图1说明了一个涡旋型离心泵，它可以具有一个泵壳衬套本体10，其尺寸可容纳在泵壳中。泵壳衬套本体10与泵壳相同，可以包括两个蛤壳状的半体12，14，其尺寸嵌套在泵壳在相关半壳中。在大多数用途中，最好在泵中采用泵壳衬套，因为一旦被磨耗剥蚀，可以取出泵壳衬套，用一个新的泵壳衬套置换。所以，根据引入图1所示泵壳衬套的类型来描述和在原理上说明本发明的涡旋区构形。但是，应该理解到，本发明的涡旋区构形可以引入泵壳本身的内表面，它仍在本发明的权限范围内。

参照图1，泵壳衬套本体10的一半可以称为驱动侧衬套12，因为驱动侧衬套12设有一个开口16，叶轮20的一部分通过它伸出与电机的驱动轴(图中未示)连接。驱动侧衬套12一般包括一个圆形区22和一个沿切向延伸的排放喷管部分24。泵壳衬套本体10的另一半可称为吸入侧衬套14，因为吸入侧衬套14设有一个开口26，它确定了一个流体入口，泥浆通过它进入叶轮20。同样，吸入侧衬套14一般包括一个圆形区28和一个沿切向延伸的排放喷管部分30。

当泵壳衬套本体10位于泵壳内和两半泵壳对准一起时，驱动侧衬套12和吸入侧衬套14的相关外缘边32，34相互对准，并且密封了泵壳内的叶轮。泵壳衬套本体10的驱动侧衬套12具有一个壁区36，它基本上环绕着圆形区22的周边延伸，以及吸入侧衬套14具有一个壁区38，它基本上环绕着圆形区28的周边延伸。当泵壳衬套本体10的两半合在一起时，相关壁区36，38的组合确定了泵的涡旋区，如在以下更充分的描述。

在具有本发明涡旋区构形的离心泵中，通常所采用的叶轮20设有至少一个轮叶40，它在向着驱动侧衬套12的第一罩盖42和向着吸入侧衬套14的第二罩盖44之间延伸。叶轮20设有一个中心开口46，泥浆通过它进入叶轮20。泥浆接触轮叶40，并且通过至少一个叶轮开口48被导出叶轮20，叶轮开口48靠近一个轮叶40，并且在第一罩盖42和第二罩盖44之间。叶轮20还构成至少有一个排除叶片50(图中表示了许多)，它沿着吸入侧衬套14方向从第二罩盖44的表面沿轴向延伸。

在图2中进一步说明了泵壳衬套本体10和叶轮20的要素，它是泵壳衬套本体10和叶轮20的轴向剖视图，好像在一个泵壳内。图中没有表示泵壳。图2还用有方向的箭头说明了流体如何通过叶轮20的开口46进入叶轮20，以及在转动叶轮20的离心力下被导到泵的涡旋区60。用于处理重型泥浆的叶轮20构造成较厚的第一罩盖42和厚的罩盖44，以承受由泥浆磨损性造成的磨耗和剥蚀。因此，叶轮开口48的宽度W1比涡旋区60的总宽度W2窄。如在现有技术中已知，叶轮开口48的宽度W1和涡旋区60的宽度W2之间的差别产生了流动的不稳定性。

依靠引入叶轮20中用于处理重型泥浆的排除叶片50，产生了对泵性能的附加影响。排除叶片50有利地用于引导磨损性泥浆从第二罩盖44和吸入侧衬套14之间的密封面离开。渗入第二罩盖44和吸入侧衬套14之间的泥浆会磨耗密封面和剥蚀叶轮20和衬套14，由此对泵性能造成不利影响。叶轮20的有攻击性的排除叶片50在每个排除叶片50后面产生一个扩大的旋涡，它泵压了泥浆和使它离开密封面62，保持磨损性的颗粒悬浮在涡旋区60中。但是，由排除叶片50产生的旋涡把附加的速度传到固体颗粒上，引起在先前技术的涡旋区构形中泵壳或泵衬套的剥蚀。

图3更清楚地说明了采用一个具有攻击性排除叶片50的叶轮20如何造成先前技术中泵壳衬套L的剥蚀。在先前技术中描述的泵壳衬套L具有一个涡旋区V，它包括一个收集段C和一个再循环段R。再循环段R进一步包括两个隔开的缓冲段B，每一个由一个凹区确定。收集段C还包括一个凹区，它由一个朝叶轮20向内伸出的凸结构A与缓冲段的凹区分开。从图3可以看到，先前技术涡旋区V的构形相对于沿径向平分泵衬套L和涡旋区V的平面P基本上为对称。由攻击性排除叶片50产生的旋涡对泥浆颗粒造成一个增加的速度，它撞击着先前技术泵衬套L的凸结构A和剥蚀它。因此，造成材料迅速磨耗，泵性能受损，以及可能发生使用时的过早破坏。

因此，如在图2-6说明，本发明的涡旋区60构形成能够承受泥浆颗粒增加的速度，达到稳定的泵的性能。再参照图2，本发明的涡旋区60由相应于驱动侧衬套12的第一壁区36和相应于吸入侧衬套14的第二壁区38形成。第二壁区38构形成一个弯曲表面66，它确定了涡旋区60的收集区68的至少一部分。收集区68接受了从叶轮开口48和从排除叶片50排出的流体。收集区68的弯曲表面66具有一个曲率半径，它选择成可稳定收集区68中的流体流动。

本发明的涡旋区60还由相应于泵壳衬套本体10的驱动侧衬套12的第一壁区36形成。第一壁区36，沿着泵壳衬套本体10周边的大部分范围，构成一个第一凹区70，它与第二壁区38的弯曲表面66连续，完成了涡旋区60的收集区68。第一壁区36，沿着泵壳衬套本体10周边的大部分范围，还构成一个第二凹区72，它确定了一个循环段74。第一凹区70和第二凹区72被一个在其中的向着叶轮20延伸的凸结构76分开。循环段74用于接受自叶轮开口48流出的流体并且在修改的流动速度下再引导流体进入收集段68，由此减少了流动的旋涡。

从图2可以理解到，从轴向剖面看，当涡旋区60环绕着泵壳衬套本体10的周边继续延伸时，涡旋区60的构形改变。当涡旋区60环绕着泵壳衬套本体10的周边延伸时涡旋区60的构形逐渐和连续的改变，优化了叶轮和涡旋区60之间的液压相互作用，并且提供了稳定的流动性能和有效的泵性能。图4更清楚地说明了：泵壳衬套本体10包括一个圆形区域28和一个沿切向从圆形区域28伸出的排放喷管部分30。泵壳衬套本体10的涡旋区60从称为分水区的区域80到喉管区82，沿着泵壳衬套本体10的周边连续地延伸。喉管区82继续进入泵壳衬套本体10的排放喷管部分30，直到排放喷管部分30的终端84。在图4中表示了泵壳衬套本体10的剖面A-A到K-K，它们相应于图5A到5K所示的涡旋区60的部分轴向剖视图。

图5A是在泵的分水区80(图4)上，泵壳衬套本体10、叶轮和涡旋区60的部分轴向剖面。可以看出，吸入侧衬套14的弯曲表面66具有一个被选择的曲率半径R，它在这个泵剖面中比较小。也可以看出，在这个泵剖面中，第一凹区70与第二凹区72连续，但第一凹区70的曲率半径R1与第二凹区的曲率半径R2不同。也可注意到，在分水区上涡旋区60的构形相对于沿径向平分泵壳衬套本体10和涡旋区60的平面88是不对称的。平面88可以大致由吸入侧衬套14到驱动侧衬套12的结合点确定。

当涡旋区60平滑地环绕泵的周边继续时，如图5B和5C所示，涡旋区60的构形过渡成一个曲面66，其曲率半径R继续增加。另外，第一凹区70的曲率半径R1继续增加，第二凹区72的曲率半径R2也如此，形成了一个循环段74。把第一凹区70与第二凹区72分开的凸结构76变得更明显，它向着叶轮20伸出。

图5D到5H说明了：当涡旋区60进一步沿着泵的周边延伸时，收集段68沿着从叶轮20的径向变得更拉长，产生了一个容积比靠近分水区的收集段68(图5A)更大的收集段68。弯曲表面66的曲率半径R继续改变，第一凹区70和第二凹区72的曲率半径R1和R2也分别改变。当涡旋区60接近泵的喉管区82(图4)时，如图5H所示，当收集段68上的径向长度已经增加时循环段74开始沿径向长度压缩。

当涡旋区60过渡到泵的喉管区82时，如图5I所示，涡旋区60的构形保持相对于径向平面88为不对称。循环段74尺寸减少和第一凹区70的曲率半径R1开始接近于弯曲表面66的曲率半径R。在排放喷管部分30的喉管区82和终端84之间的中点上，如图5J所示，涡旋区60平滑地过渡成排放喷管部分30的内表面90。在这点上，泵壳衬套本体10的内表面90的构形沿轴向平面大致变成圆形，直到在图5K所示的排放喷管部分30的终端84上，内表面90基本上为圆形。

图6更清楚地说明了当涡旋区60接近泵的喉管区82时涡旋区60构形的平滑改变。沿轴向剖面表示了图4线I-I上涡旋区60的构形，在线H-H上涡旋区60构形的轮廓用虚线叠加在其上面。可以看出，当涡旋区60沿周向向排放喷管部分30延伸时，凸结构76逐渐明显退缩，直到在排放喷管部分30上凸结构76消失(图5J)。

在用于处理包含特别粗糙和/或磨损性颗粒的泥浆的涡旋型离心泵中，选择本发明的成形涡旋区来提供有效的泵性能和稳定的流动性能。这里描述的本发明成形涡旋区在原理上相关于把它引入泵的泵壳衬套。但是，这里描述的成形涡旋区也可直接引入一个不用衬套的铸造或机加泵壳。另外，当被一个特殊用途或要处理泥浆类型所规定时，这里描述的涡旋区构形要素的实际尺寸可以改变。因此，这里参照的涡旋区构形的具体细节仅作为举例，并不是作为限制。

Claims (18)

1.在一个涡旋型离心泵中，具有一个泵壳，它有一个在一个分水区和一个喉管区之间延伸的圆形区，以及一个从圆形区沿切向伸出的排放喷管，还具有一个位于泵壳内的叶轮，一个驱动轴沿轴向与叶轮连接来转动泵壳内的叶轮，其改进包括：沿着泵壳圆形区的外缘形成一个成形的涡旋区，它从泵壳的分水区延伸到喉管区，从分水区到喉管区沿着泵壳周边，成形的涡旋区在轴向剖面中是不对称的，上述不对称是相对于一个沿径向平分泵壳和涡旋区的平面。

2.权利要求1的离心泵，其中上述成形涡旋区还包括一个第一壁区，它具有一个有可选择曲率半径的第一凹区和一个有可选择曲率半径的第二凹区，以及其中上述成形涡旋区还包括一个第二壁区，它具有一个弯曲表面，与上述第一凹区相组合，确定了一个接受流体的收集段。

3.权利要求2的离心泵，其中上述第二凹区确定了一个循环段，把流体从上述叶轮引导到上述收集段。

4.权利要求3的离心泵，其中上述叶轮还构成至少一个攻击性的排除叶片，它位于靠近上述第二壁区的上述弯曲表面。

5.权利要求4的离心泵，其中上述成形涡旋区形成在一个泵壳衬套的内缘表面中，衬套的尺寸可被容纳在上述泵壳中。

6.权利要求4的离心泵，其中当上述成形涡旋区从上述泵的上述分水区到上述泵的上述喉管区继续延伸时，上述收集段的上述曲率半径增加。

7.权利要求1的离心泵，其中上述成形涡旋区形成在一个泵壳衬套的内缘表面中，衬套的尺寸可被容纳在上述泵壳中。

8.一个可取出的衬套，用于一个具有一个泵壳的泥浆离心泵，泵壳确定了一个涡旋区和排放喷管，包括：

一个泵壳衬套本体，其尺寸可容纳在一个泥浆离心泵的泵壳中，它具有一个圆形区和一个从圆形区沿切向伸出的排放喷管，上述泵壳衬套本体具有一个分水区，一个喉管区和一个排放喷管部分，以及还具有一个内缘表面，从上述分水区到上述排放喷管部分延伸；

一个成形涡旋区，其位置沿着上述泵壳衬套本体的内缘表面，从上述泵壳衬套本体的上述分水区到上述喉管区连续地延伸，相对于一个平分上述泵壳衬套本体的径向平面，上述成形涡旋区在轴向剖面中为不对称构形。

9.权利要求8的可取出衬套，其中上述不对称成形涡旋区还包括一个收集段和一个定位成把流体导入上述收集段的循环段，上述循环段包括一个凹区，它具有比上述收集段曲率半径小的曲率半径。

10.权利要求9的可取出衬套，其中当上述成形涡旋区继续在上述不对称成形涡旋区的上述分水区和上述喉管区之间延伸时，从上述分水区到上述喉管区，上述收集段的上述曲率半径增加。

11.权利要求8的可取出衬套，其中上述泵壳衬套本体还包括一个具有周边的驱动侧衬套和一个具有周边的吸入侧衬套，吸入侧衬套的周边定位成与上述驱动侧衬套的上述周边对准，提供了对叶轮的封闭，上述驱动侧衬套和上述吸入侧衬套均具有一个壁区，其组合确定了上述成形涡旋区。

12.权利要求11的可取出衬套，其中上述吸入侧衬套的上述壁区具有一个弯曲表面，它确定了一个收集段的一部分，以及其中上述驱动侧衬套的上述壁区还包括一个与上述弯曲表面连续来确定上述收集段的第一凹区和一个确定了一个循环段的第二凹区。

13.权利要求12的可取出衬套，其中上述弯曲表面具有一个曲率半径，当上述成形涡旋区从上述分水区到上述喉管区继续延伸时，这个曲率半径增加。

14.权利要求12的可取出衬套，其中在上述吸入侧衬套的上述壁区中，上述弯曲表面没有凸面。

15.权利要求12的可取出衬套，其中上述第一凹区具有一个曲率半径和上述第二凹区具有一个曲率半径，当上述成形涡旋区从上述分水区到上述喉管区继续延伸时，上述第一凹区的上述曲率半径相对于上述第二凹区的上述曲率半径增加。

16.权利要求12的可取出衬套，其中上述吸入侧衬套的上述弯曲表面位于靠近一个叶轮的一个排除叶片，从排除叶片接受泥浆。

17.权利要求12的可取出衬套，其中用一个凸结构把上述第一凹区与上述第二凹区分开，上述凸结构从上述驱动侧衬套的上述壁区向外伸出。

18.权利要求17的可取出衬套，其中当上述成形涡旋区继续向上述喉管区延伸时，上述凸结构明显地逐渐退缩。

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