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CN108496010B - 用于抵消多级泵中产生的轴向推力的对置式叶轮耐磨环底切 - Google Patents

用于抵消多级泵中产生的轴向推力的对置式叶轮耐磨环底切 Download PDF

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Abstract

一种对置式叶轮装置，用于在对置式叶轮泵中使用，以一级叶轮装置和二级叶轮装置的组合为特征，该组合具有对置的叶轮、以及不同的叶轮和耐磨环装置。一级叶轮装置可以包括一级叶轮和一级耐磨环，并且被配置成接收输入流体流和泵一级流体流。二级叶轮装置可包括二级叶轮和二级耐磨环，并且被配置成接收泵一级流体流、并提供泵二级流体流，并且还可以包括二级耐磨环底切，二级耐磨环底切被配置在二级叶轮和二级耐磨环之间，以基于所述不同的叶轮和耐磨环装置来抵消在对置式叶轮泵中产生的轴向推力。

Description

用于抵消多级泵中产生的轴向推力的对置式叶轮耐磨环底切
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年12月7日提交的美国临时专利申请No.62/263,982的权利，该文献的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种对置的叶轮装置，尤其是涉及一种具有这种对置的叶轮装置的泵。
背景技术
作为示例，图1示出了传统的多级对置叶轮i(参见图4)的一部分，其在本领域中是已知的，并且包括标记为1的轴，标记为3的一级叶轮和标记为4的二级叶轮。图1还示出了标记为2的一级耐磨环直径和标记为5的一级耐磨环直径。(在图1中，所有这五个附图标记都以在圆圈内的形式出现)。图1表示进入一级入口的吸入压力P1、一级排出压力P2和二级排出压力P3；压力百分比(例如，由箭头和压力指示符P1、P2、％P2、％P3表示)，例如，一级的P1和％P2之间以及二级的P2和％P3之间的压力百分比；和由标记为P3-P2的箭头指示的压差。
图4示出了传统的多级对置叶轮i，其具有例如被布置在泵轴上的一级耐磨环、二级耐磨环、叶轮一级、叶轮二级。
在现有技术中，并且与图1和图4中所示的一致，正常的多级对置式叶轮泵利用两个或更多个叶轮，这些叶轮可以具有或不具有相同的设计和构造，其中入口在相反的方向上。在一些情况下，第二级入口可具有与第一级入口不同的尺寸。这些入口被称为叶轮的眼。如果叶轮具有相同的设计和结构，则有助于在操作范围内减少泵内产生的径向和轴向力。然而，一些设计可以使一级入口设计用于改善抽吸性能，并且因此可以具有更大的叶轮眼直径。第二级眼可能较小，因为它正在接收来自第一级排出的压力，这有助于防止空化，并且提高整体泵效率。
上述装置的一些缺点包括：具有2个相同的叶轮有助于减小产生的轴向力，但通常由于位于第二级入口处的较高压力而仍存在不平衡。当叶轮具有不同尺寸的入口时，这容许轴向力的甚至更大的不平衡，但是也可能导致第二级耐磨环的设计、附加部件和复杂性的差异。如果不使用相同的耐磨环，则需要使用第二耐磨环，这会增加轴向不平衡并且可能使泵壳的加工更复杂。
在工业上需要一种更好的方法来配置目前在多级对置叶轮泵中使用的这些已知叶轮。
发明内容
根据一些实施例，并且作为示例，本发明可以包括或采取对置的叶轮装置的形式，例如用于在对置式叶轮泵中使用，其特征在于一级叶轮布置和二级叶轮装置的组合，具有对置的叶轮以及不同的叶轮和耐磨环装置。
一级叶轮装置可包括一级叶轮和一级耐磨环，并且配置成接收输入流体流和泵一级流体流。
相比之下，二级叶轮装置可包括二级叶轮和二级耐磨环，其配置成接收泵一级流体流并提供泵二级流体流，并且还可包括配置在二级叶轮和二级耐磨环之间的二级耐磨环底切，用于基于所述不同的叶轮和耐磨环装置来抵消例如在对置叶轮泵中产生的轴向推力。
根据一些实施例，本发明还可以包括以下特征中的一个或多个：
二级耐磨环可包括二级外周耐磨环表面，其布置在对置的二级平面耐磨环表面之间，一个对置的二级平面耐磨环表面，其面向二级叶轮；并且，二级叶轮可以配置有二级弯曲叶轮表面，该二级弯曲叶轮表面朝向二级耐磨环倾斜，并且在面对二级叶轮的一个对置的二级平面耐磨环表面上与二级耐磨环相会，以便形成二级耐磨环底切。
外周耐磨环表面可具有外径；并且二级耐磨环底切可以具有对应的外径，该对应的外径小于外周耐磨环表面的外径。
作为另一个示例，本发明可以采用具有对置的叶轮装置的对置叶轮泵的形式，例如，与本文所述的一致。对置叶轮泵可包括多级泵、或采用多级泵的形式。
附图说明
附图不一定按比例绘制，包括：
图1示出了本领域中已知的传统多级对置叶轮的一部分的示意图。
图2示出了根据本发明的一些实施例的多级对置叶轮的一部分的示意图，该叶轮具有带有耐磨环底切的叶轮二级。
图3是示出根据本发明的二级耐磨环底切后面的较高压力点(以psi为单位)的CFD分析，并且包括示出静压的图3A和示出总压力的图3B。(在图3A和3B中，各种psi(s)在从上到下的相应列中以灰度显示，例如，较浅的灰度着色通常对应于较低的psi(顶部)，而较深的灰度着色通常对应于较高的psi(底部)；相应的静压力和总压力轮廓也以相应的灰度显示。在图3中，二级出现在图3A和图3B的右侧，一级出现在图3A和图3B的左侧。
图4是现有技术中已知的传统多级对置叶轮的侧视图。
图5是根据本发明的一些实施例的具有叶轮二级的对置叶轮的侧视图，该叶轮二级带有耐磨环底切。
图5A是图5中所示的叶轮二级耐磨环底切的一部分的分解图。
图6示出了具有对置叶轮的8级离心泵的横截面视图，该离心泵在本领域中是已知的。
附图标记：
以下是附图中使用的附图标记列表：
一些压力标记为：
P1：进入一级入口的吸入压力；
P2：一级排放压力；和
P3：二级排放压力(也是总泵压力)。
一些部件/直径标记为：
1 轴/轴套
2 一级耐磨环直径
3 一级叶轮
4 二级叶轮
5 二级耐磨环直径
为了一致性，图中的类似部分用相似的附图标记和标签标记。
每个元素的每条引线和相关的附图标记不一定都不包含在附图的每个图中，以降低图中的整体混乱。
具体实施方式
图2示出了根据本发明的一些实施例的具有叶轮二级的对置式叶轮装置I(参见图5)的一部分，叶轮二级配置有耐磨环底切。图2和图5还示出了与图1和图4中所示的部件类似的其他部件，并且为了一致性而使用类似的附图标记和标签来标记。
图5更详细地示出了对置式叶轮装置I，例如，具有全部被布置在泵轴上的一级耐磨环、二级耐磨环、叶轮一级和叶轮二级，以及形成或配置在二级耐磨环和叶轮二级之间的耐磨环底切。
如本领域技术人员应当理解的，由于在第一级叶轮和第二级叶轮之间的区域中暴露的压力的差、以及当从一级移动到下一级在头部的增加，形成了由两级对置的叶轮泵产生的总轴向推力。通过保持相同的耐磨环直径并在第二级中引入底切，形成了例如与图2和图5中所示的一致的台阶，该台阶将有助于平衡从第二级中产生的一些压力。例如，参见图5和图5A中指向耐磨环底切的箭头。第二级由于正在承受由第一级的排放产生的压力而经受增加的压力。第二级上的这个台阶或底切将有助于增加在从第一级进入第二级入口的进入流量的方向的相反侧上的推力。通过具有这个台阶或底切，还允许使用相同类型的耐磨环。使用相同的耐磨环将减少库存量以及装配/拆卸过程中可能发生的任何错误。此外，这还可以减少对泵壳中的任何复杂机加工的需要。通过平衡轴向力，可以减少推力吸收轴承系统。如果轴承系统保持不减少，则它将提高可靠性。如果轴承系统减小，则轴承的成本和轴承内的功率损失都将减少。降低功率可以提高效率。
由于二级叶轮接收来自一级的压力和流量，所以二级叶轮(也称为“叶轮二级”)也具有更高的压力和输送流量，因此该第二级产生的压力上升大约等于第一级的压力上升。在传统的、例如如图1和图4所示的二级设计中，第二级产生较大的推力，无法平衡不相等的压力。为了平衡这个较高的压力，根据本发明的在第二级上的叶轮耐磨环底切承受着总压力，这将有助于抵消进入第二级的入口的一些压力。
在本发明中，图2、图5和图5A中所示的耐磨环底切容许与进入叶轮的入口的进入流量的压力相反的压力。基于根据本发明的耐磨环底切的CFD分析，存在进入第二级的较高压力，从而导致不平衡，例如与图3中所示的一致。根据本发明的耐磨环底切容许总压力进入耐磨环底切后面，因此产生与进入第二级的压力相反的压力，例如与图3中的CFD分析中所示的一致。这反过来将是有助于降低泵中的、例如沿着图5中的轴的轴线的整体生成压力的另一种平衡方法。当推力被平衡时，推力吸收轴承系统可以减少。如果轴承系统减少，轴承的成本和轴承系统内的功率损耗将会降低。功率降低可以提高效率。如果原始轴承系统保持不减少，将提高整体可靠性。
图2和图5
举例来说，本发明可以实施为对置式叶轮装置，例如用在对置式叶轮泵中，以一级叶轮装置和二级叶轮装置的组合为特征，该组合具有对置的叶轮、以及不同的叶轮和耐磨环装置，例如如图2和图5中所示。
一级叶轮装置可以包括一级叶轮和一级耐磨环，并且可以被配置成接收输入流体流和泵一级流体流，例如如图2和图5中所示。
二级叶轮装置可以包括二级叶轮和二级耐磨环，被配置成接收泵一级流体流、并提供泵二级流体流，并且还可以包括被配置在二级叶轮和二级耐磨环之间的二级耐磨环底切，以基于例如如图2和图5所示的不同的叶轮和耐磨环装置来抵消在对置式叶轮泵中产生的轴向推力。
与图5A中的分解图中最佳示出的一致，二级耐磨环可以包括被布置在对置的二级平面耐磨环表面S2和S3之间的二级外周耐磨环表面S1，其中对置的二级平面耐磨环表面中的一个二级平面耐磨环表面S2背离二级叶轮，而对置的二级平面耐磨环表面中的另一个二级平面耐磨环表面S3面向二级叶轮。二级叶轮可以配置有二级弯曲叶轮表面S4和二级叶轮圆周表面S5，其中二级弯曲叶轮表面S4从二级叶轮圆周表面S5朝向二级耐磨环倾斜，并且在对置的二级平面耐磨环表面中的面向二级叶轮的所述一个二级平面耐磨环表面S3上与二级耐磨环相会，以便形成二级耐磨环底切，例如与图2、图5和图5A中所示的一致。
二级外周耐磨环表面S1可以具有外径；并且二级耐磨环底切可以具有对应的外径，该对应的外径小于外周耐磨环表面S1的外径，例如以便形成如图所示的底切。
与二级叶轮装置相反，并且与图5中所示的一致，一级耐磨环可以包括被布置在对置的一级平面耐磨环表面S2'和S3'之间的一级外周耐磨环表面S1'，其中，对置的一级平面耐磨环表面S2'和S3'背离一级叶轮，例如如图5所示。一级叶轮可配置有一级弯曲叶轮表面S4'和一级叶轮圆周表面S5'，其中一级弯曲叶轮表面S4'从一级叶轮圆周表面S5'朝向一级耐磨环倾斜，但在面向一级叶轮的任何一级平面耐磨环表面上并不与一级耐磨环相会。换句话说，一级叶轮装置不包括耐磨环底切。
图6：多级泵
举例来说，图6示出了具有对置的叶轮的8级离心泵，其在本领域中是已知的，并且其中可以实施本发明。然而，本发明的范围不旨在限于以任何特定类型或种类的多级泵实施本发明。例如，本发明的范围旨在包括在现在已知的或将来开发的其他类型或种类的泵中实施本发明，例如，包括具有少于8级或多于8级的其他类型或种类的泵。
可互换术语
为了完整起见，注意到术语“一级耐磨环”和“耐磨环一级”，术语“二级耐磨环”和“耐磨环二级”，术语“一级叶轮”和“叶轮一级”和术语“二级叶轮”和“叶轮二级”可以和/或全部在本文中互换使用。类似地，术语“二级耐磨环底切”和“耐磨环底切”也可以和/或在本文中互换使用。
应用
举例来说，本发明的可能应用可包括其与以下一个或多个相关的用途：
泵，
风扇，
鼓风机，和
压缩机。
计算流体动力学(CFD)
计算流体动力学(CFD)是流体力学的一个分支，它使用数值分析和算法来解决和分析涉及流体流动的问题。计算机用于执行模拟液体和气体与边界条件限定的表面的相互作用所需的计算。
发明范围
此外，这里详细示出和描述的实施例仅作为示例提供；并且本发明的范围不旨在限于这里包括的这些部件或元件的特定配置、尺寸和/或设计细节。换句话说，本领域技术人员应当理解，可以对这些实施例进行设计改变，并且使得所得到的实施例与本文公开的实施例不同，但仍然在本发明的整体精神内。
应当理解，除非本文另有说明，否则关于本文中的特定实施例描述的任何特征、特性、替代或修改也可以应用、使用或结合本文描述的任何其他实施例。
尽管已经关于本发明的示例性实施例描述和说明了本发明，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在其中进行前述的和各种其他的添加和省略。

Claims (11)

1.一种对置式叶轮装置，包括：
一级叶轮装置和二级叶轮装置的组合，所述组合具有对置的叶轮以及不同的叶轮和耐磨环装置；
所述一级叶轮装置具有一级叶轮和一级耐磨环，并且被配置成接收输入流体流和提供泵一级流体流；和
所述二级叶轮装置具有二级叶轮和二级耐磨环，并且被配置成接收所述泵一级流体流、并提供泵二级流体流，并且还具有被配置在所述二级叶轮和所述二级耐磨环之间的二级耐磨环底切，以基于所述不同的叶轮和耐磨环装置来抵消在对置式叶轮泵中产生的轴向推力。
2.根据权利要求1所述的对置式叶轮装置，其中，
所述二级耐磨环包括二级外周耐磨环表面，所述二级外周耐磨环表面被布置在对置的二级平面耐磨环表面之间，一个对置的二级平面耐磨环表面面向所述二级叶轮；并且
所述二级叶轮配置有二级弯曲叶轮表面，所述二级弯曲叶轮表面朝向所述二级耐磨环倾斜，并且在面向所述二级叶轮的所述一个对置的二级平面耐磨环表面上与所述二级耐磨环相会，以便形成所述二级耐磨环底切。
3.根据权利要求2所述的对置式叶轮装置，其中，
所述二级外周耐磨环表面具有外径；并且
所述二级耐磨环底切具有对应的外径，所述对应的外径小于所述二级外周耐磨环表面的外径。
4.根据权利要求2所述的对置式叶轮装置，其中，
所述一级耐磨环包括一级外周耐磨环表面，所述一级外周耐磨环表面被布置在对置的一级平面耐磨环表面之间，其中两个对置的一级平面耐磨环表面均背离所述一级叶轮；并且
所述一级叶轮配置有一级弯曲叶轮表面，所述一级弯曲叶轮表面朝向所述一级耐磨环倾斜，但在所述一级耐磨环的面向所述一级叶轮的任何部分上不与所述一级耐磨环相会。
5.一种对置式叶轮泵，包括：
一级叶轮装置和二级叶轮装置的组合，所述组合具有对置的叶轮以及不同的叶轮和耐磨环装置；
所述一级叶轮装置具有一级叶轮和一级耐磨环，并且被配置成接收输入流体流和提供泵一级流体流；和
所述二级叶轮装置具有二级叶轮和二级耐磨环，并且被配置成接收所述泵一级流体流、并提供泵二级流体流，并且还具有被配置在所述二级叶轮和二级耐磨环之间的二级耐磨环底切，以基于所述不同的叶轮和耐磨环装置来抵消在所述对置式叶轮泵中产生的轴向推力。
6.根据权利要求5所述的对置式叶轮泵，其中，
所述二级耐磨环包括二级外周耐磨环表面，所述二级外周耐磨环表面被布置在对置的二级平面耐磨环表面之间，一个对置的二级平面耐磨环表面面向所述二级叶轮；并且
所述二级叶轮配置有二级弯曲叶轮表面，所述二级弯曲叶轮表面朝向所述二级耐磨环倾斜，并且在面向所述二级叶轮的所述一个对置的二级平面耐磨环表面上与所述二级耐磨环相会，以便形成所述二级耐磨环底切。
7.根据权利要求6所述的对置式叶轮泵，其中，
所述二级外周耐磨环表面具有外径；和
所述二级耐磨环底切具有对应的外径，所述对应的外径小于所述二级外周耐磨环表面的外径。
8.根据权利要求7所述的对置式叶轮泵，其中，
所述一级耐磨环包括一级外周耐磨环表面，所述一级外周耐磨环表面被布置在对置的一级平面耐磨环表面之间，其中两个对置的一级平面耐磨环表面均背向所述一级叶轮；并且
所述一级叶轮配置有一级弯曲叶轮表面，所述一级弯曲叶轮表面朝向所述一级耐磨环倾斜，但在所述一级耐磨环的面向所述一级叶轮的任何部分上不与所述一级耐磨环相会。
9.根据权利要求5所述的对置式叶轮泵，其中所述一级耐磨环和所述二级耐磨环具有相同的直径。
10.根据权利要求5所述的对置式叶轮泵，其中所述二级叶轮配置有二级弯曲叶轮表面，所述二级弯曲叶轮表面朝向所述二级耐磨环倾斜，并且在两个对置的二级平面耐磨环表面中的一个二级平面耐磨环表面上与所述二级耐磨环相会，以便形成所述二级耐磨环底切。
11.根据权利要求5所述的对置式叶轮泵，其中所述对置式叶轮泵是多级泵。
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