CN109322831B - 一种四涡室双出口自平衡多级泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种四涡室双出口自平衡多级泵，包括：设置在泵壳体上的进水段、出水段和次级进水段，进水段和次级进水段对称地设置在出水段的两侧，进水段上设置有第一预设角度的进水段进口，次级进水段上设置有第二预设角度的次级进水段进口，出水段上设置有一高压出口和一低压出口，进水段和所述出水段之间设置有导叶，出水段和次级进水段之间设置有反导叶，导叶和反导叶对称地设置在出水段的两侧，泵壳体的中心部沿轴向设置有中心轴，导叶和反导叶均套设在中心轴上。本发明的四涡室双出口自平衡多级泵，避免了泵转子部件的启动时的轴向窜动和运行时的轴向脉动，有效地提高可靠性。

Description

一种四涡室双出口自平衡多级泵

技术领域

本发明涉及多级泵技术领域，具体而言，涉及一种四涡室双出口自平衡多级泵。

背景技术

节段式多级泵是一种高扬程泵，广泛应用于电力、煤炭开采、油田注水和石油化学工业。随着工业的发展，节段式多级泵的单机容量越来越大，对泵的要求除了效率和气蚀性能以外，其可靠性要求也越来越高。然而可靠性尚没有一个与设计参数相联系的统一的计算公式以便进行比较，因此，设计时往往成为一种抽象的要求，无法预先估计。采用优质钢材固然是提高泵的可靠性的一方面，然而作为设计者，合理的结构设计无疑是可靠性得以保证的另一方面。

目前，现有技术中的节段式多级泵结构复杂，并且不够合理。例如公开号为CN2646424Y的中国专利公开了一种高压自平衡节段式离心泵，包括泵转子部件，泵壳，前、后轴承部件和拉紧螺栓，将对称布置的叶轮转子部件与壳体的节段式有机结合，采用外置管道形成叶轮对称布置所需的流道；壳体按节段式的形式和级数分为进水段、中段、出水段和内流道进水段，出水段布置在泵的中部，采用分段式拉紧螺栓紧固各段形成泵壳体的整体；通过多级非接触式螺旋密封和注入有新型合成材料的泥状填缝料密封部件形成组合密封。所述的组合密封是指叶轮级间密封、中间轴套密封以及节流衬套密封所构成的多级非接触式螺旋密封；与低压腔相通的平衡腔室；新型合成材料的泥状填缝料密封和套杯式填料函。

现有技术中的这种节段式多级泵的缺点非常明显，由于其多级叶轮按同一方向顺序布置，运行时产生的轴向力高达数十吨，必须通过平衡盘机构进行平衡，而平衡盘机构不足以平衡轴向力时，其余轴向力则由角接触球轴承承受。当运行工况频繁变化时，轴向力的变化必然造成泵转子部件的频繁窜动而常常使平衡盘发生瞬间摩擦，甚至出现因平衡盘咬死而导致断轴事故发生。为了减少平衡盘咬死的隐患，采用角接触球轴承进行限位，并承受剩余轴向力，但又造成平衡盘的动态平衡功能受限制。因此，该类型泵平衡盘和角接触球轴承在运行工况频繁变化时的相互干涉是导致在部份使用条件下，两者使用寿命短和可靠性差的致命因素。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种四涡室双出口自平衡多级泵，旨在解决现有多级泵在运行时易产生轴向力，使得泵转子部件频繁窜动，进而影响多级泵的使用寿命和可靠性的问题。

本发明提出了一种四涡室双出口自平衡多级泵，包括：设置在泵壳体上的进水段、出水段和次级进水段，进水段和次级进水段对称地设置在出水段的两侧，进水段上设置有第一预设角度的进水段进口，次级进水段上设置有第二预设角度的次级进水段进口，出水段上设置有一高压出口和一低压出口，进水段和所述出水段之间设置有导叶，出水段和次级进水段之间设置有反导叶，导叶和反导叶对称地设置在出水段的两侧，泵壳体的中心部沿轴向设置有中心轴，导叶和反导叶均套设在中心轴上，所述中心轴的一端端部伸出所述泵壳体的外部，并且伸出泵壳体的外部的中心轴端部与转子部件连接；其中，

所述进水段进口的第一预设角度δ₁按照如下公式计算：

其中，

式中，δ₁为进水端进口的预设角度，L₁为进水段至出水段的距离，H为出水口至泵中心轴的距离，R为高压出口的直径，r₁为进水口的直径，为高压出水口的设置角度；

所述次级进水段进口的第二预设角度δ₂按照如下公式计算：

其中，

式中，δ₂为反向进水端进口的预设角度，L₂为次级进水段至出水段的距离，H为高压出水口至泵中心轴的距离，R为高压出水口的直径，r₂为反向进水口的直径，为高压出水口的设置角度。

进一步地，所述进水端进口底端的侧壁的截面曲线由ab段、bc段、cd段构成，三段分别按照下述曲线规律设定，其中，

ab段曲线公式为：

其中，δ₁为进水端进口的预设角度，L₁为进水端进口至高压出水口的距离，r₁为进水端进口的直径；

bc段曲线公式为：

l₂＝r₁×[l₁]×sin(δ₁+30)×tanδ₁ (8)

其中，δ₁为进水端进口的预设角度，[l₁]为ab段曲线的长度，r₁为进水端进口的直径；

cd段曲线公式为：

其中，δ₁为进水端进口的预设角度，[l₁]为ab段曲线的长度，[l₂]为bc段曲线的长度，r₁为进水端进口的直径。

进一步地，上述四涡室双出口自平衡多级泵中，所述低压出口的设置方向垂直于所述中心轴的轴向方向。

进一步地，上述四涡室双出口自平衡多级泵中，所述低压出口的出水方向与所述高压出口的出水方向相同。

进一步地，上述四涡室双出口自平衡多级泵中，所述导叶与所述反导叶地设置数量相等，且均与多级泵的级数相同。

进一步地，上述四涡室双出口自平衡多级泵中，所述进水段和所述出水段之间设置有预设数量的前中段和中段。

进一步地，上述四涡室双出口自平衡多级泵中，当所述多级泵的级数大于2时，所述前中段的预设数量为2。

进一步地，上述四涡室双出口自平衡多级泵中，当所述多级泵的级数大于3时，所述中段的预设数量为2n-6，其中n为所述多级泵的级数。

进一步地，上述四涡室双出口自平衡多级泵中，所述进水段、出水段以及次级进水段的中心轴线均与所述泵壳体中的中心轴垂直。

进一步地，上述四涡室双出口自平衡多级泵中，所述次级进水段伸入所述泵壳体中心部的流道，并与所述中心轴之间通过轴封部件密封连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明提供的四涡室双出口自平衡多级泵通过在四涡室双出口自平衡多级泵上设置具有预设角度的进水口，以使水流在进入泵体过程中与进水段入口侧壁发生对冲作用，形成与多级泵运行时内部产生的轴向力方向相反的对冲力，进而抵消多级泵运行过程中产生的轴向力，有效的防止了泵转子部件的频繁窜动，确保了多级泵在运行过程中的稳定性，提高了多级泵的使用寿命和可靠性。

尤其，在本发明中，当进水端进口至高压出水口的距离越短、高压出水口的直径越小时，进水端进口的预设角度越大，也即，进水端进口趋近于直角，水流在进入泵体过程中与进水段入口侧壁发生对冲作用越小；反之，当进水端进口至高压出水口的距离越长、高压出水口的直径越大时，进水端进口的预设角度越小，也即，进水端进口趋近于锐角，水流在进入泵体过程中与进水段入口侧壁发生对冲作用越大；通过泵体结构的改变，进而改变水流冲击的大小。同理，高压出水口至泵中心轴的距离越大，进水端进口的直径大，进水端进口的预设角度越大，也即，进水端进口趋近于直角，水流在进入泵体过程中与进水段入口侧壁发生对冲作用越小；高压出水口至泵中心轴的距离越小，进水端进口的直径小，进水端进口的预设角度越小，也即，进水端进口趋近于锐角，水流在进入泵体过程中与进水段入口侧壁发生对冲作用越大。在进口较大时，水流速度一定程度的降低，此时，可以通过降低冲击作用来实现对冲力的平衡。

尤其是，本发明提供的四涡室双出口自平衡多级泵通过在出水段的另一侧与进水段相对的次级进水段设置预设角度的反向进水口，且反进水段中设置有反导叶，在多级泵运行过程中产生反轴向力，进而与多级泵运行过程中进水段产生的轴向力相抵消，进一步防止了泵转子部件的频繁窜动，提高了多级泵的使用寿命和可靠性。

进一步的，本发明提供的四涡室双出口自平衡多级泵，通过在高压出口的两侧对称地设置低压出口，进一步确保多级泵在使用过程中的稳定性，延长了多级泵的使用寿命。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的四涡室双出口自平衡多级泵的结构图；

图2为本发明实施例提供的四涡室双出口自平衡多级泵的侧视图；

图3为本发明实施例提供的四涡室双出口自平衡多级泵的第二结构示意图；

图4为本发明实施例图3的局部示意图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参阅图1-2所示，为本发明施例提供的四涡室双出口自平衡多级泵，其包括：泵壳体、中心轴、进水段2、出水段6和次级进水段8；其中，所述中心轴的一端端部伸出泵壳体的外部，并且伸出泵壳体的外部的中心轴端部与转子部件1连接；所述出水段6设置在所述泵壳体的中部，所述进水段1和所述次级进水段8设置在所述出水段两侧的所述泵壳体上。在使用的过程中，水分别从所述进水段1和所述次级进水段8进入泵体，并在泵体进水段和反进水段内部的同时产生方向相反的轴向力，进而使得多级泵运行过程中产生的轴向力相抵消，防止了泵转子部件的频繁窜动，提高了多级泵的使用寿命和可靠性。

具体而言，所述出水段6设置在所述泵壳体的中部，其上设置有一个高压出口61和一个低压出口62；其中，所述高压出水口61为主出水口，低压出口62为辅助出水口，在多级泵运行的过程中调节所述高压出水口的压强，以降低多级泵的超高压对泵体的损坏，并确保多级泵运行的稳定性。所述两个低压出口62相对地设置在所述高压出口61的两侧，并且垂直于所述多级泵中心轴的轴向方向。优选的，所述两低压出口62的出水方向与所述高压出口61的出水方向相同，以防止述所述多级泵在运行过程中因所述两低压出口62排水而产生其他方向的冲击力，进而影响所述多级泵运行的稳定性。

具体而言，所述进水段2设置在所述泵壳体的一侧，其与所述出水段之间设置有一定数量的前中段3和中段5，以确保在其与所述出水段6之间形成充足的泵体腔室。所述前中段3和所述中段5的设置数量取决于多级泵的级数设置，当多级泵的级数n大于2时，在所述的进水段2和所述的出水段6之间设置有2个前中段3；当多级泵的级数n大于3时，在所述前中段3与所述出水段6之间设置有2n-6个中段5。例如，当多级泵的级数为4时，在所述进水段2和所述出水段6之间设置有2个前中段3，在所述前中段3与所述出水段6之间设置2×4-6＝2个中段5；当多级泵的级数为2时，不设置前中段3；当多级泵的级数为2、3时，不设置中段5。同时，所述进水段2内部设置有一定数量的导叶4，所述导叶4套设在所述中心轴上，其设置数量与所述多级泵的级数相同。同时，所述进水段2上开设有进水段进口21，以确保所述多级泵在运行的过程中水流能够迅速的而稳定的进入泵体内部。优选的，所述进水段进口21在设置的过程中具有一定的预设角度，以使水流在进入泵体过程中与进水段入口侧壁发生对冲作用，形成与多级泵运行时内部产生的轴向力方向相反的对冲力，进而抵消多级泵运行过程中产生的轴向力，防止泵转子部件的频繁窜动，确保多级泵在运行过程中的稳定性。所述进水段进口的第一预设角度δ¹按照如下公式计算：

其中，

式中，δ₁为进水端进口的预设角度，L₁为进水端进口至高压出水口的距离，H为高压出水口至泵中心轴的距离，R为高压出水口21的直径，r₁为进水端进口的直径，为高压出水口61的设置角度，也即，高压出水口的中心线与泵中心轴的夹角。

在本发明实施例中，当进水端进口至高压出水口的距离越短、高压出水口的直径越小时，进水端进口的预设角度越大，也即，进水端进口趋近于直角，水流在进入泵体过程中与进水段入口侧壁发生对冲作用越小；反之，当进水端进口至高压出水口的距离越长、高压出水口的直径越大时，进水端进口的预设角度越小，也即，进水端进口趋近于锐角，水流在进入泵体过程中与进水段入口侧壁发生对冲作用越大；通过泵体结构的改变，进而改变水流冲击的大小。同理，高压出水口至泵中心轴的距离越大，进水端进口的直径大，进水端进口的预设角度越大，也即，进水端进口趋近于直角，水流在进入泵体过程中与进水段入口侧壁发生对冲作用越小；高压出水口至泵中心轴的距离越小，进水端进口的直径小，进水端进口的预设角度越小，也即，进水端进口趋近于锐角，水流在进入泵体过程中与进水段入口侧壁发生对冲作用越大。在进口较大时，水流速度一定程度的降低，此时，可以通过降低冲击作用来实现对冲力的平衡。

继续参阅图4所示，本发明实施例同时对进水端进口底端的侧壁211进行设定，使水流经过净水端进入泵体内后，产生一定的加速冲击。具体而言，本实施例的侧壁211的截面曲线由ab段、bc段、cd段构成，三段分别按照下述曲线规律设定，其中，

ab段曲线公式为：

其中，δ₁为进水端进口的预设角度，L₁为进水端进口至高压出水口的距离，r₁为进水端进口的直径。ab曲线段向进水端进口凸出，缩小了进水端的尺寸，使得该段的水流产生一定程度的加速。

bc段曲线公式为：

l₂＝r₁×[l₁]×sin(δ₁+30)×tanδ₁ (8)

其中，δ₁为进水端进口的预设角度，[l₁]为ab段曲线的长度，r₁为进水端进口的直径。本实施例中，bc曲线段为向侧壁内凹的近似于圆周的曲线形状，水流经过进水端进口凸出段的加速后，在该处产生强烈冲击及反弹，使得水流反向加速，发生对冲作用。

cd段曲线公式为：

其中，δ₁为进水端进口的预设角度，[l₁]为ab段曲线的长度，[l₂]为bc段曲线的长度，r₁为进水端进口的直径。本实施例中，cd段曲线为相对平滑的曲线，并且与侧壁圆滑过渡，在水流产生冲击作用后，有一定程度的缓冲。

具体而言，所述反进水段8设置在所述泵壳体的一侧，其与所述出水段之间设置有一定数量的前中段3和中段5，以确保在其与所述出水段6之间形成充足的泵体腔室。所述前中段3和所述中段5的设置数量取决于多级泵的级数设置，当多级泵的级数n大于2时，在所述反进水段8和所述的出水段6之间设置有2个前中段3；当多级泵的级数n大于3时，在所述前中段3与所述出水段6之间设置有2n-6个中段5。例如，当多级泵的级数为4时，在所述反进水段8和所述出水段6之间设置有2个前中段3，在所述前中段3与所述出水段6之间设置2×4-6＝2个中段5；当多级泵的级数为2时，不设置前中段3；当多级泵的级数为2、3时，不设置中段5。同时，所述反进水段8内部设置有一定数量的反导叶7，所述反导叶7套设在所述中心轴上，其设置数量与所述多级泵的级数相同，即所述反导叶7与所述导叶4的设置数量也相同。同时，所述反进水段8上开设有反进水段进口81，以确保所述多级泵在运行的过程中水流能够迅速的而稳定的进入泵体内部。优选的，所述反进水段进口81在设置的过程中具有一定的预设角度，以使水流在进入泵体过程中与反进水段入口侧壁发生对冲作用，形成与多级泵运行时内部产生的轴向力方向相反的对冲力，进而抵消多级泵运行过程中产生的轴向力，防止泵转子部件的频繁窜动，确保多级泵在运行过程中的稳定性。所述次级进水段进口的第二预设角度δ₂按照如下公式计算：

其中，

式中，δ₂为反向进水端进口的预设角度，L₂为次级进水段至出水段的距离，H为高压出水口至泵中心轴的距离，R为高压出水口的直径，r₂为反向进水口的直径，为高压出水口的设置角度。

优选的，上述实施例中所述进水段2、出水段6和次级进水段8之间通过拉杆9连接；所述进水段2、出水段6和次级进水段8的中心轴线均与泵壳体中的中心轴垂直；所述中心轴与所述转子部件1连接的一端与泵壳体之间通过轴承体甲部件12连接；所述中心轴远离转子部件1的一端与泵壳体之间通过轴承体乙部10连接；所述次级进水段8伸入泵壳体的中心部的流道与所述中心轴之间通过轴封部件11密封连接。

此外，所述四涡室双出口自平衡多级泵还设置有侧座13和中座14，所述侧座13和中座14设置在地面上并与地面接触，有效地保证了所述四涡室双出口自平衡多级泵在运行过程中的稳定性。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明提供的四涡室双出口自平衡多级泵通过在四涡室双出口自平衡多级泵上设置具有预设角度的高压进水口，以在进水过程中与进水段入口侧壁发生对冲作用，形成与多级泵运行时内部产生的轴向力方向相反的对冲力，进而抵消多级泵运行过程中产生的轴向力，有效的防止了泵转子部件的频繁窜动，确保了多级泵在运行过程中的稳定性，提高了多级泵的使用寿命和可靠性。

尤其是，本发明提供的四涡室双出口自平衡多级泵通过在出水段的另一侧设置与进水段相对的次级进水段，且反进水段中设置有反导叶，在多级泵运行过程中产生反轴向力，进而与多级泵运行过程中进水段产生的轴向力相抵消，进一步防止了泵转子部件的频繁窜动，提高了多级泵的使用寿命和可靠性。

进一步的，本发明提供的四涡室双出口自平衡多级泵，通过在高压出口的两侧对称地设置低压出口，进一步确保多级泵在使用过程中的稳定性，延长了多级泵的使用寿命。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种四涡室双出口自平衡多级泵，其特征在于，包括：设置在泵壳体上的进水段、出水段和次级进水段，进水段和次级进水段对称地设置在出水段的两侧，进水段上设置有第一预设角度的进水段进口，次级进水段上设置有第二预设角度的次级进水段进口，出水段上设置有一高压出口和一低压出口，进水段和所述出水段之间设置有导叶，出水段和次级进水段之间设置有反导叶，导叶和反导叶对称地设置在出水段的两侧，泵壳体的中心部沿轴向设置有中心轴，导叶和反导叶均套设在中心轴上，所述中心轴的一端端部伸出所述泵壳体的外部，并且伸出泵壳体的外部的中心轴端部与转子部件连接；其中，

所述进水段进口的第一预设角度δ₁按照如下公式计算：

其中，

式中，δ₁为进水端进口的预设角度，L₁为进水端进口至高压出水口的距离，H为高压出水口至泵中心轴的距离，R为高压出水口的直径，r₁为进水端进口的直径，为高压出水口的设置角度；

所述次级进水段进口的第二预设角度δ₂按照如下公式计算：

其中，

式中，δ₂为反向进水端进口的预设角度，L₂为次级进水段至出水段的距离，H为高压出水口至泵中心轴的距离，R为高压出水口的直径，r₂为反向进水口的直径，为高压出水口的设置角度。

2.根据权利要求1所述的四涡室双出口自平衡多级泵，其特征在于，所述所述进水端进口底端的侧壁的截面曲线由ab段、bc段、cd段构成，三段分别按照下述曲线规律设定，其中，

ab段曲线公式为：

其中，δ₁为进水端进口的预设角度，L₁为进水端进口至高压出水口的距离，r₁为进水端进口的直径；

bc段曲线公式为：

l₂＝r₁×[l₁]×sin(δ₁+30)×tanδ₁ (8)

其中，δ₁为进水端进口的预设角度，[l₁]为ab段曲线的长度，r₁为进水端进口的直径；

cd段曲线公式为：

其中，δ₁为进水端进口的预设角度，[l₁]为ab段曲线的长度，[l₂]为bc段曲线的长度，r₁为进水端进口的直径。

3.根据权利要求2所述的四涡室双出口自平衡多级泵，其特征在于，所述低压出口的设置方向垂直于所述中心轴的轴向方向。

4.根据权利要求3所述的四涡室双出口自平衡多级泵，其特征在于，所述低压出口的出水方向与所述高压出口的出水方向相同。

5.根据权利要求1所述的四涡室双出口自平衡多级泵，其特征在于，所述导叶与所述反导叶地设置数量相等，且均与多级泵的级数相同。

6.根据权利要求3所述的四涡室双出口自平衡多级泵，其特征在于，所述进水段和所述出水段之间设置有预设数量的前中段和中段。

7.根据权利要求6所述的四涡室双出口自平衡多级泵，其特征在于，当所述多级泵的级数大于2时，所述前中段的预设数量为2。

8.根据权利要求6所述的四涡室双出口自平衡多级泵，其特征在于，当所述多级泵的级数大于3时，所述中段的预设数量为2n-6，其中n为所述多级泵的级数。

9.根据权利要求1所述的四涡室双出口自平衡多级泵，其特征在于，所述进水段、出水段以及次级进水段的中心轴线均与所述泵壳体中的中心轴垂直。

10.根据权利要求1所述的四涡室双出口自平衡多级泵，其特征在于，所述次级进水段伸入所述泵壳体中心部的流道，并与所述中心轴之间通过轴封部件密封连接。