CN101228356B - 用于调节螺旋桨泵的螺旋桨桨叶的调节装置和包括这种调节装置的螺旋桨泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于调节螺旋桨泵(1)的螺旋桨桨叶(4)的螺旋角的调节装置，以及包括这种装置的螺旋桨泵。该调节装置包括安装在桨毂(2)中，设置成可沿着传动轴(7)的方向而轴向移动的调节机构(5；25；35)，这种调节机构(5；25；35)设有围绕外壳面而以一定的环向间隔来设置的多个导槽(6；26a，26b；36)；旋转地安装在桨毂(2)上的多个连接机构(20)，它们各自固定地连接在螺旋桨桨叶(4)上，并由至少一个导槽(6；26a，26b；36)支撑，其中，各连接机构(20)和相应的至少一个导槽(6；26a，26b；36)设置成用于相互作用，使得作用在连接机构(20)上的力关于垂直于传动轴(7)并与连接机构(20)的旋转轴线平行的轴线而对称地分布；其中导槽(6；26a，26b；36)设置成在调节机构(5；25；35)的轴向运动时，可造成连接机构(5；25；35)围绕其自身旋转轴线而旋转，从而使螺旋桨桨叶(4)旋转。

Description

用于调节螺旋桨泵的螺旋桨桨叶的调节装置和包括这种调节装置的螺旋桨泵

技术领域

本发明涉及螺旋桨泵或轴流泵，具体而言涉及一种用于调节所述泵的螺旋桨桨叶的调节装置。

背景技术

在许多泵的应用中时常需要和/或必须改变流量，这可通过例如使泵的螺旋桨桨叶围绕其自身轴线旋转(调节流体相对于螺旋桨桨叶的入射角)，即调节螺旋桨桨叶的螺旋角(pitch angle)而实现。这些调节时常手动执行，即将泵分离，操作员手动调节桨叶，以获得相对于流动方向所需或所要求的角度。这是费时的，并且由于操作上的干扰和劳动要求而需承担高额成本。此外，如果这些变化具有经常性质，那么这种手动调节是极其不实际的，并且如果流量变化以相当高的频率发生时，甚至可能是不适用的。因此，时常需要能够在泵的操作期间调节流量。

利用所谓的频率控制来调节泵的流量，在泵的操作期间可实现这种流量变化，即通过增加/减少螺旋桨的转数，以取得相应的与要求或预期相符的流量增加/减少。然而，频率控制仅容许大约30％的流量调节，这在许多应用中是太窄的范围。这特别适用于预期或需要相当大的流量变化的应用场合，例如水下冒险、用于荡桨游玩的人工瀑布以及其它诸如筏运的瀑布活动。因此，已经提出了许多解决上述问题的方案。

US 2,357,229公开了一种泵转子，其装备了当转子处于运动中时，角度可自动调节的回转桨叶。各回转桨叶与其心轴，并与从中悬垂出来的操作曲柄整体地成形。回转地安装在各曲柄下端的是可滑动地装配在围绕桨毂轴线而设置的中空柱状部件的一个面上的导槽中的块状物。柱状部件是空心的，其圆柱形内部用作轴向伺服电动机的气缸，并且可在固定活塞上滑动，固定的活塞携带在从内轴承悬垂出来的桨毂的空心部分的下端。压力下的流体允许进入位于活塞一侧或另一侧的伺服电动机气缸中，其造成部件的轴向往复运动，这将回转运动传递给曲柄，并因此通过滑块和倾斜的导槽而传递给桨叶，因此获得流量的变化。

EP 0541046公开了一种带桨叶间距调节装置的螺旋桨泵，其中调节装置通过带螺纹的心轴，其上设有滑杆的轴向可调节的调节螺母，并通过设置在螺旋桨桨毂中的导向杆托架，而确定桨叶的位置，并因此容许流量的变化。

JP 60162073A公开了一种用于混合流量的水车的轮叶操作机构。在这种机构中，可滑动的导向机构直接连接在可垂直移动的伺服电动机的活塞上，并且在固定于轮叶柄上的操作杆上的各个相对位置上形成有倾斜的导槽。在倾斜的导槽的两侧，一对相对的滑块以可滑动的方式设置在导槽的纵向方向上。各桨叶固定地连接在相应的操作杆上。通过使各滑块在相应导槽中滑动，可调节相应的各桨叶的螺旋角。

DE 1101154公开了一种用于调节泵或涡轮的桨叶的调节装置，其包括桨毂，结合在桨毂里的轴承，安装在所述轴承中并从所述桨毂中突出来的多个螺旋桨桨叶，各桨叶通过导槽而与相应的滑块相连接，其则连接在设置在导槽中的导槽块上。通过导槽的轴向移动，可实现桨叶的螺旋角的调节。

所有上述带可调节的螺旋桨桨叶或调节装置的泵公开了作用在桨毂上或实际上是相应的曲柄或臂的连接点上的不对称的作用力分布。此外，根据US 2,357,229的带有可调节的螺旋桨桨叶的泵转子，以及JP 60162073A的调节装置都公开了携带桨叶的长的曲柄或臂，其提供了位于桨叶和相应的桨毂连接点之间的长的杠杆臂。这可能造成问题，因为在许多应用中，流动可能周期性地变得非常强，尤其在某些应用如水下冒险、用于荡桨游玩的人工瀑布以及其它诸如筏运的瀑布活动，其引起相当大的力将作用在泵上，尤其作用在泵的部件，例如螺旋桨桨叶，携带桨叶的曲柄或臂，以及曲柄或臂的连接点上。因此，可能极度地缩短了泵的耐用性。此外，因为某些部分，例如曲柄或臂在桨毂上的连接点的磨损可能极为显著，所以由于维护而引起的停机可能较为频繁。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种用于调节泵的螺旋桨桨叶的调节装置，以及一种包括这种装置的泵，同现有技术比较，其具有较高的耐磨性和较高的承受大作用力的能力。这则提供较长的耐用性和良好的可靠性。

本发明的另一目的是提供一种包括调节装置的螺旋桨泵，以及一种用于调节泵的螺旋桨桨叶的调节装置，这种调节装置用于调节泵的螺旋桨桨叶，其可获得较大的流量变化。

本发明的又一目的是提供一种包括调节装置的螺旋桨泵，以及一种用于调节泵的螺旋桨桨叶的调节装置，这种调节装置用于在泵的操作期间调节泵的螺旋桨桨叶。

通过提供一种包括调节装置的螺旋桨泵和一种调节装置，可实现根据本发明的这些以及其它目的，这种调节装置用于调节具有独立权利要求中所限定特征的泵的螺旋桨桨叶。在从属权利要求中限定了优选实施例。

为了清楚起见，用语″螺旋角″指在螺旋桨桨叶的压力侧的外周边和中性线之间的角度。

根据本发明的第一方面，提供了一种螺旋桨泵，所述螺旋桨泵包括桨毂，结合到桨毂中的轴承，安装在轴承中，并从桨毂中突出来的多个螺旋桨桨叶，其包括调节装置，用于调节螺旋桨桨叶关于与螺旋桨的传动轴垂直的轴线的螺旋角。调节装置包括安装在桨毂中，设置成可沿着传动轴的方向而轴向移动的调节机构，这种调节机构设有围绕外壳面而设置在环向间隔上的多个导槽(guide slot)；旋转地安装在桨毂上的多个连接机构，各固定地连接在螺旋桨桨叶上，并由至少一个导槽支撑，其中各连接机构和相应的至少一个导槽设置成用于相互作用，使得作用在连接机构上的力对称地分布在垂直于传动轴，并与连接机构的旋转轴线平行的轴线周围；其中导槽设置成在调节机构的轴向运动时，可造成连接机构围绕其自身旋转轴线而旋转，从而使螺旋桨桨叶旋转。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于螺旋桨泵的调节装置，所述螺旋桨泵包括桨毂，结合到桨毂中的轴承，以及安装在所述轴承中并从所述桨毂中突出来的多个螺旋桨桨叶，根据本发明的第一方面，所述调节装置用于调节所述螺旋桨桨叶关于垂直于螺旋桨传动轴的轴线的螺旋角。

因此，本发明基于设置各个导槽的构思，所述导槽成形成当调节机构轴向运动时，造成上面安装有螺旋桨桨叶的连接机构围绕其自身旋转轴线而旋转，使得螺旋桨桨叶旋转，从而与相应的连接机构相互作用，使得作用在相应的螺旋桨桨叶或连接机构上的作用力对称地分布在垂直于传动轴、并与连接机构的旋转轴线平行的轴线周围。

这种方案提供了超越用于调节泵的螺旋桨桨叶的现存方案的若干优点。其中一个优点是，同US 2,357,229，EP 0541046，JP 60162073，和DE 1101154这些专利中所述的已知装置和系统比较，本发明的该方案显著地提高了承受大作用力的能力，所有这些专利都公开了作用在螺旋桨桨叶上，并进一步扩散到连接机构上的力的不对称分布。这是非常重要的特征，这是因为作用在各桨叶上的力通常是相当地大。在流动可能周期性地变得极强的某些应用中，尤其在例如水下冒险、用于荡桨游玩的人工瀑布以及其它诸如筏运的瀑布活动中，这种能力甚至是必要条件，因为相当大的力将作用在泵上，尤其作用在泵的部件，例如螺旋桨桨叶，携带桨叶的曲柄或臂，以及曲柄或臂的连接点上。

另一优点是，由于力的对称分布，从而可在大流量对螺旋桨桨叶施加大力，其则对连接机构施加大力的操作状态期间调节螺旋桨桨叶的螺旋角。因此，提高了根据本发明的螺旋桨泵的适用范围。

还一优点是，流量在保持高效率的广泛的可能流量范围内变化或变动。根据一个优选实施例，流量可在100-50％的范围内，在大约85-80％的效率下变化。

一个额外优点是，根据本发明的调节装置的结构同上面论述的现有技术方案比较不太复杂。因此，可降低制造成本。

此外，由于调节装置中力的对称分布和其简单的结构，可获得较高的耐磨性。这则提供了长时间的耐用性和良好的可靠性，并且还降低了维护成本。

在本发明的一个实施例中，各连接机构由两个倾斜导槽来支撑。因此，甚至可进一步提高承受力的能力。

根据本发明的一个示例性实施例，这两个倾斜导槽由一个沿着传动轴方向的上导槽，和一个沿着传动轴方向的下导槽组成，上导槽和下导槽在沿着传动轴的方向上，关于调节机构的中心周边线(centreperimeter line)对称地设置，从而在各导槽和周边线之间形成某一角度。

以下将通过示例性的实施例来论述本发明的其它目的和优点。

附图说明

从以下结合附图，仅仅作为举例说明的优选实施例的详细说明中，将领会本发明的上述和其它特征及优点，其中：

图1示意性地显示了包括根据本发明的调节装置的螺旋桨泵；

图2更详细地示意性地显示了图1中包括根据本发明的调节装置的螺旋桨泵；

图3显示了图2中的根据本发明的调节机构；

图4显示了根据本发明的调节机构的第二实施例；

图5显示了根据本发明的调节机构的第三实施例；和

图6以横截面显示了螺旋桨桨叶的螺旋角。

具体实施方式

以下将公开本发明的优选实施例。

以下所有方向将参见图1中所示的二维座标系统。

首先参见图1，将描述包括根据本发明的调节装置的螺旋桨泵。螺旋桨泵或轴流泵1包括其中结合有轴承3(见图2)的桨毂2。螺旋桨桨叶4安装在各个轴承3中，并从桨毂2中突出来。流动方向用箭头A指示，即如图1二维座标系统所指示的Y方向。此外，泵1安装在泵外壳9中。

现在转到图2，将更详细地描述图1中所显示的泵1。调节机构5可滑动地设置在桨毂2中，使其可在Y方向上，即沿着连接在电动机(未显示)上以用于驱动泵的泵1的传动轴7的方向上来回移动。在这个实施例中，调节机构5是设置成与传动轴7同心的圆柱形套筒。调节圆筒5的外壳面(envelope surface)8设有许多成对地形成的倾斜导槽6，见图2。这些成对的导槽6以一定的环向间隔围绕着外壳面8，并在X方向上关于调节圆筒5的中心周边线对称地设置在沿直径方向相对的位置，从而在各导槽6和周边线之间形成某一角度。如以下将参见图3-5所述，并如本领域中的技术人员容易理解的那样，在本发明的范围内可设想到调节装置和导槽的许多其它设计。作为一个示例，在各导槽和中央周边线之间的角度可变化。在另一示例中，成对的导槽可被单个导槽替换。

此外，通过例如螺栓(未显示)将一对轭架(yoke)12固定地连接在调节圆筒5上。此外，通过例如安装螺钉(未显示)可将连接杆14固定地安装在轭架12之间，该连接杆14则连接在促动机构(未显示)上，促动机构设置在外壳16中，由驱动单元17提供动力。驱动单元17可以是电动的，气动的或液压的。在这个实施例中，驱动单元17则通过设置在传动轴7中的驱动线缆18提供动力。如果驱动单元17是电动的，那么驱动线缆18是电导线，如果驱动单元17是液压的，那么驱动线缆是供油管线，并且如果驱动单元17是气动的，那么驱动线缆18是引导例如压缩空气的管线。根据一个优选实施例，连接杆14安装在设置于外壳16中的蜗杆传动机构上，这种蜗杆传动机构则连接在驱动单元上，在这种情况下，驱动单元是电动的。

各螺旋桨桨叶4安装在连接板20上，在这个实施例中，其成形为圆板。一对导向机构22则安装在连接板20上。根据这个实施例，导向机构22是导销或突起物，其各自可滑动地支撑在相应的倾斜导槽6中。在一个实施例中，导向机构22是设置在滑轮或滚柱中的滚针轴承。

现在参见图3，其更详细地显示了图1和2中的根据本发明的调节机构。根据这个实施例，调节机构5是圆柱形套筒，并且调节圆筒5的外壳面8设有许多成对地形成的倾斜导槽6。在这个实施例中，所述导槽是穿通的开口，然而这不是必要特征。例如，导槽可成形为外壳面8中的凹口形式。这些成对的导槽6以一定的环向间隔围绕着外壳面8，并在X方向(即与传动轴垂直的方向)上，关于调节圆筒5的中心周边线对称地设置在沿直径方向相对的位置，从而在各导槽6和周边线之间形成某一角度。

现在转到图4，其显示了根据本发明的调节机构的第二实施例。根据这个实施例，调节机构25是具有方形形状的外壳面28a-28d以及圆形内壳面29的套筒，即在横截面上，在与Y方向垂直的平面中，套筒的外周边是方形的，并且在横截面上，在与Y方向垂直的平面中，套筒的内周边是圆形的。此外，调节套筒25外壳面28的各侧面28a-28d(其中图4只显示了侧面28a，28b)设有一对倾斜导槽26a和26b。在这个实施例中，所述导槽是穿通的开口，然而这不是必要特征。例如，导槽可在外壳面28中成形为凹口。这些成对的导槽26a和26b以一定的环向间隔围绕着外壳面28，并在X方向(即与传动轴垂直的方向)上，关于调节套筒25的中心周边线对称地设置在沿直径方向相对的位置，从而在每对导槽的上导槽26a和下导槽26b以及周边线之间形成某一角度。

现在参见图5，其显示了根据本发明的调节机构的第三实施例。根据这个实施例，调节机构35是圆形套筒。调节套筒35的外壳面38设有许多V形导槽36。在这个实施例中，所述导槽是穿通的开口，然而这不是必要特征。例如，导槽可成形为套筒的外壳面38中的凹口形式。这些成对的导槽36以一定的环向间隔围绕着外壳面38，并在X方向(即与传动轴垂直的方向)上，关于调节套筒35的中心周边线对称地设置在沿直径方向相对的位置，从而在相应导槽36的各臂和周边线之间形成某一角度。

本领域中的技术人员从以上描述中将清楚，可以构思出调节装置，尤其是调节机构的许多设计和变体，并且上面所述的实施例应该被认为仅仅是作为范例。为了进一步说明这一点，以下仍将论述调节机构的另一实施例。根据这另一实施例，调节机构可设有四个倾斜导槽组。在这个实施例中，所述导槽是穿通的开口，然而这不是必要特征。例如，导槽可成形为套筒的外壳面中的凹口形式。这些导槽6围绕着外表面，并在X方向(即与传动轴垂直的方向)上，关于调节套筒5的中心周边线对称地设置在环向间隔上，从而在各导槽和周边线之间形成某一角度。这个调节机构的实施例优选供设有四个导销的连接板使用，其中各导销可滑动地支撑在一个倾斜导槽中。此外，可将调节机构设计成为一种八边形的套筒或六角形的套筒。此外，可以其它和上述方式组合调节套筒和导槽的不同设计，例如，可在具有方形外周长的套筒上提供V形导槽。

现在将论述根据本发明的泵和调节装置的操作。如上所述，在许多应用中希望或甚至需要改变泵的流量，或者换句话说，改变每单位时间抽吸的水量。根据本发明，这可在泵以大流量进行操作期间来执行。此外，根据本发明的泵能够在广泛的流量范围内传送流量。

在操作过程中，调节装置工作如下。首先，驱动单元17接收应通过控制单元增加或减小流量的指令或命令。该指令可通过操作员经由操作单元手动地或通过例如控制单元而自动地产生。驱动单元17激励促动机构，其则使连接杆14在Y方向(即沿着传动轴7的轴线)上，根据增加或减少流量而在前进方向或后退方向上轴向移动。固定地安装在轭架12之间的连接杆14，其使轭架12移动，其则使调节机构5沿着轴向，即在Y方向上移动。

如果调节机构5在使得螺旋桨桨叶的螺旋角增加的方向上移动，那么则增加流量。例如，在调节机构5的前进方向的运动中，导销22将在相应的倾斜导槽6中滑动，导致连接板20沿着从图1中看去为逆时针的方向而旋转。因此，安装在相应连接板20上的各螺旋桨桨叶4在相同方向上旋转，并且增加螺旋桨桨叶的螺旋角。如上所述，参见图6，螺旋角被定义为在螺旋桨桨叶42的外周边40和中性线44之间的角度。

相反，如果调节机构5在使得螺旋桨桨叶的螺旋角减小的方向上移动，那么则减小了流量。在调节机构5的后退方向的运动中，导销22将在相应的倾斜导槽6中滑动，从而导致连接板20沿着从图1中看去为顺时针的方向而旋转。因此，安装在相应连接板20上的各螺旋桨桨叶4在相同方向上旋转，并且减小螺旋桨桨叶的螺旋角，因此降低了泵的流量。

螺旋角可优选在大约28度至5度的范围内变化，并且更优选在大约25度至6度的范围内变化。此外，优选的角度调节大约为+/-1度。由于角度调节1度所引起的流量变化依赖于绝对的角度位置。从大角度，例如24至23度进行的角度调节，相当于减少大约3％的流量。在从例如8至7度进行调节时，流量减少大约为5％。根据一个实施例，大约25度至大约8度的范围相当于在大约恒定效率，即在大约85-80％的效率下，大约50％至100％的流量的调节范围。

在泵的操作期间，尤其是在改变螺旋桨桨叶的螺旋角，以增加或减小流量的调节操作期间，泵和尤其诸如螺旋桨桨叶，包括连接板和导销的连接机构，以及调节套筒等部件会承受由于流量而引起的相当大的力。由于根据本发明的调节装置的结构，其中调节装置设有沿着套筒的X方向并垂直于Y方向(见图1)相对于中心线对称地成形的导槽，并且连接机构设置成可与导槽相互作用，所以这些相当大的力将对称地分布在垂直于传动轴，并且与所述连接机构的旋转轴线平行的轴线周围。因此，就获得了高的耐磨性和高的承受大作用力的能力，其则提供了长时间的耐用性和良好的可靠性。

虽然这里出于举例说明和示范的目的已经显示和描述了特定的实施例，但是本领域中的普通技术人员应该懂得，在没有脱离本发明的范围内可用广泛的各种备选和/或等效实施例来替代所显示和所描述的特定实施例。本申请旨在覆盖这里所论述的优选实施例的任何修改或变化。因此，本发明由所附权利要求的表述和其等效物来限定。

Claims (10)

1.一种螺旋桨泵(1)，包括桨毂(2)，结合在所述桨毂(2)中的轴承，以及安装在所述轴承中并从所述桨毂(2)中突出来的多个螺旋桨桨叶(4)，所述螺旋桨泵还包括调节装置，所述调节装置用于调节所述螺旋桨桨叶(4)关于与所述螺旋桨泵(1)的传动轴(7)相垂直的轴线的螺旋角，所述调节装置包括：

安装在所述桨毂(2)中，并设置成可在沿着所述传动轴(7)的方向上轴向移动的调节机构(5；25；35)，所述调节机构(5；25；35)设有围绕所述调节机构(5；25；35)的外壳面(8；28a-28d；38)而以一定的环向间隔设置的多个导槽(6；26a，26b；36)，其特征在于，所述装置还包括：

旋转地安装在所述桨毂(2)中的多个连接机构(20)，所述连接机构各自固定地连接在螺旋桨桨叶(4)上，并且包括至少两个导向机构(22)，所述导向机构(22)各自由导槽(6；26a，26b；36)滑动式地支撑，其中，每个导向机构(22)和所述相应的导槽(6；26a，26b；36)设置成用于相互作用，使得作用在所述连接机构(20)上的力围绕与所述传动轴(7)垂直并与所述连接机构(20)的旋转轴线平行的轴线而对称地分布；和

其中，所述导槽(6；26a，26b；36)设置成在所述调节机构(5；25；35)的轴向运动时，能够造成所述连接机构(20)围绕其自身旋转轴线而旋转，从而使相应的螺旋桨桨叶(4)旋转。

2.根据权利要求1所述的螺旋桨泵，其特征在于，各个连接机构(20)由两个倾斜导槽(6)支撑。

3.根据权利要求2所述的螺旋桨泵，其特征在于，所述两个倾斜导槽(6)包括一个沿着所述传动轴(7)方向的上导槽和一个沿着所述传动轴(7)方向的下导槽，所述上导槽和下导槽在沿着所述传动轴(7)的方向上关于所述调节机构(5)的中心周边线对称地设置，从而在各导槽(6)和所述周边线之间形成某一角度。

4.根据权利要求1所述的螺旋桨泵，其特征在于，各个连接机构(20)通过一个导槽(36)来支撑，所述导槽(36)具有V形的形状，并且在沿着所述传动轴(7)的方向上关于所述调节机构(35)的中心周边线而对称地设置。

5.根据前面权利要求中任一权项所述的螺旋桨泵，其特征在于，所述调节机构(5；35)是与所述传动轴(7)同心的圆筒，所述导槽(6；36)设置在所述圆筒的外壳面(8；38)上。

6.根据前面权利要求1-4中任一权项所述的螺旋桨泵，其特征在于，所述连接机构(20)包括上面安装有所述螺旋桨桨叶(4)的连接板(20)；且所述至少两个导向机构(22)为至少两个导销，所述导销由所述至少一个导槽(6；36)可滑动地支撑，并固定地安装在所述连接板(20)上，其中，在所述调节机构(5；35)的轴向运动时，所述至少两个导销在所述至少一个导槽(6；36)中滑动，从而造成所述连接机构(20)围绕其自身旋转轴线的所述旋转。

7.根据权利要求6所述的螺旋桨泵，其特征在于，所述两个导销固定地安装在所述连接板(20)上，在沿着所述传动轴(7)的方向上固定于沿直径方向相对的位置，其中，第一导销由上导槽可滑动地支撑，并且第二导销由下导槽支撑。

8.根据权利要求1-4中任一权项所述的螺旋桨泵，其特征在于，所述调节机构(5；25；35)连接在调节螺钉机构上，所述调节螺钉机构设置成可使所述调节机构(5；25；35)轴向移动。

9.根据权利要求8所述的螺旋桨泵，其特征在于，所述调节机构(5；25；35)的所述轴向运动受到电动机(17)的控制。

10.一种用于螺旋桨泵(1)的调节装置，所述螺旋桨泵(1)包括桨毂(2)，结合在所述桨毂(2)中的轴承，以及安装在所述轴承中并从所述桨毂(2)中突出来的多个螺旋桨桨叶(4)，其中，所述调节装置用于调节所述螺旋桨桨叶(4)关于与根据权利要求1-9中任一权项所述的螺旋桨泵(1)的传动轴(7)垂直的轴线的螺旋角。

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