CN101881282A - 离心式液压泵 - Google Patents

Abstract

一种离心式液压泵具有叶轮，该叶轮具有其上带有叶片的毂，叶片可以是螺旋桨形，并且可以沿其长度被扭转。具有入口的盖与叶片连接，从而在叶片之间限定出叶轮流体腔，每个流体腔的至少一部分具有基本恒定的流通面积，以增大泵送效率。还可以提供一个入口特征，以改善进入叶轮的入口流动状态，从而进一步提升泵送效率。

Description

离心式液压泵

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年5月8日提交的美国临时专利申请No.61/176,559的优先权，该临时申请的全部内容在此通过引用并入本申请中。

技术领域

本发明涉及一种离心式液压泵。

背景技术

轴驱动离心式叶轮泵经常用于汽车发动机的冷却。水或其它流体沿轴向被导入泵内，并沿径向排出到一个或多个蜗壳内。轴通常以机械方式由发动机曲轴直接或间接驱动，因此以与发动机速度成比例的某种速度旋转。泵的设计影响着泵的效率。泵效率的提升意味着驱动泵所消耗的功率更小，并能够产生改进燃油经济性的结果。不够理想的流体流动导致流体在流场中发生分离，从而降低了泵的能力，而且可能因为气穴现象而使泵产生非期望的噪声。空穴是因为在流体分离区域中的低压条件下，流体发生局部沸腾而产生的。其结果是导致流体中蒸汽泡的产生。随着流体从泵的压力相对较低的区域(例如流体入口)向压力相对较高的区域行进(例如排放或出口区域)，气泡会发生崩破或爆裂。

发明内容

一种离心式液压泵具有叶轮，该叶轮具有其上装有叶片的毂，叶片可以是螺旋桨形，并且可以沿其长度被扭转。具有入口的盖与叶片连接。叶片、叶轮以及盖协同作用，从而限定出介于叶片之间的流体腔。每个流体腔的至少一部分具有基本恒定的流通面积，以增大泵送效率。叶轮的叶片沿轴向从毂朝向盖延伸，并且可以从轴向入口沿着毂向外径向地弯曲。所述毂、盖和叶片在相邻叶片之间限定出流体腔。

每个叶片可以是螺旋桨形，其厚度从毂到邻近盖的尖端表面以及从轴向入口处的内端到外端逐渐减小。叶片的逐渐变细的螺旋桨形状使湍流程度最小化，从而使流体大体上以层流状态通过流体腔的流通面积基本恒定的部分，因而增大泵送效率。相邻叶片在径向内端处比在径向外端处更靠近彼此。这使得流体能够通过靠近出口端的旋转叶片被高效地沿切向排出。限定流体腔的盖表面和毂表面构造成在流体腔的至少一部分中维持恒定的流通面积。因此，尽管每个流体腔的宽度可以沿径向朝外的方向变大，但是盖却朝着轮毂沿径向向外的方向逐渐变细，从而使流体腔该部分内的流通面积保持恒定。

泵可以包括入口特征，所述入口特征有助于减少叶片入口端处的流动分离。该入口特征可以是大体上为筒状且与盖同轴的延伸部，也可以是从毂朝向盖延伸的大体上为锥形的延伸部，也可以同时采用这两种方案。

由于这种高效流动的设计，所述泵需要的功率比传统的离心泵更小，并且能够提供足够的能力，尤其是如果使用小型到中型汽车发动机时更是如此。如果采用机械驱动(比如使用旋转的发动机曲轴直接或间接驱动)，所述泵在发动机工作的宽范围内需要的功率大约相当于传统离心泵的一半，而在发动机节气门大开和处于高的每分钟转速(rpm)状态时，所需的功率仅为传统离心泵的1/4。如果采用电驱动，该泵可以通过一台使用现有车载电源供电的电动机来驱动(比如一台由12伏电池供电且供电电流不超过20安培的电动机)。电驱动泵使其转速的改变有可能独立于发动机的转速(rpm)，以及可以在工作条件允许时启动和关闭泵。在发动机工作的所有阶段，包括预热阶段、热怠速期间以及牵引时的巡航期间，都可以实现其节约能源的优点。

方案1.一种离心式液压泵，包括：

具有毂的叶轮，所述毂上带有螺旋桨形叶片；以及

具有入口的盖，其中所述盖与所述叶片连接，使得所述叶轮、所述盖和所述叶片共同限定出介于所述叶片之间的流体腔，每个流体腔的至少一部分具有基本恒定的流通面积。

方案2.如方案1所述的离心式液压泵，其中每个叶片都沿长度方向被扭转。

方案3.如方案1所述的离心式液压泵，其中每个叶片都具有尖端表面，所述叶片在所述尖端表面处与所述盖连接，并且其中每个叶片的厚度从所述毂到所述尖端表面方向减小。

方案4.如方案1所述的离心式液压泵，其中所述叶片构造为使得每个流体腔由相邻叶片的相对侧面限定边界，所述相对侧面中的一个比所述相对侧面中的另一个短并且限定所述流体腔的恒定流通面积部分的长度，从而流体在流动通过所述流体腔的恒定流通面积部分之后在较长侧面的作用下越过较短侧面被排出。

方案5.如方案1所述的离心式液压泵，还包括：

入口特征，所述入口特征在所述入口处从所述盖向外延伸并构造成使流体大体上分层流入所述流体腔。

方案6.如方案5所述的离心式液压泵，其中所述入口特征包括从所述盖延伸的筒状延伸部以及在所述筒状延伸部内从所述盖延伸的锥形延伸部。

方案7.如方案1所述的离心式液压泵，其中所述盖具有内表面，所述内表面沿径向向外的方向从所述入口朝所述叶轮逐渐变细。

方案8.一种离心式液压泵，包括：

具有毂的叶轮，所述叶轮构造为绕一根轴线被可旋转地驱动；

限定入口的盖，所述盖与所述轴线对准并沿径向向外朝所述毂倾斜；

其中所述叶轮具有从所述毂朝所述盖轴向地延伸且从轴向入口沿所述毂向外径向弯曲的叶片；其中所述毂、所述盖和所述叶片限定出介于相邻叶片之间的流体腔；

其中所述叶片中的每个均为螺旋桨形，其厚度从所述毂到邻近所述盖的尖端表面以及从轴向入口处的内端到外端逐渐减小；其中相邻叶片在内端处比在外端处更靠近彼此；并且其中限定出所述流体腔的所述盖、所述毂以及所述叶片的表面构造为在所述流体腔的至少一部分中维持基本恒定的流通面积。

方案9.如方案8所述的离心式液压泵，其中所述叶片中的每个都沿其长度被扭转。

方案10.如方案8所述的离心式液压泵，还包括：

位于轴向入口处的入口特征，所述入口特征构造为导引流体进入所述流体腔。

方案11.如方案10所述的离心式液压泵，其中所述入口特征是与所述盖同轴连接的筒状延伸部。

方案12.如方案10所述的离心式液压泵，其中所述入口特征是大体上为锥形的延伸部，所述延伸部安装至所述毂并穿过轴向入口同轴地延伸。

方案13.如方案8所述的离心式液压泵，其中所述毂和叶片是整体式注模成型部件；并且其中所述盖通过超声波摩擦焊接方式焊接到整体式毂和叶片。

方案14.一种离心式液压泵，包括：

具有毂的叶轮，所述毂上带有沿其长度被扭转的叶片；

与所述叶片连接的盖，所述盖从入口朝所述毂向外逐渐变细；其中所述毂、所述叶片和所述盖限定出流体腔，每个流体腔都包括流通截面面积基本恒定的一部分。

方案15.如方案14所述的离心式液压泵，其中每个叶片从所述毂到尖端逐渐变细，并且从内端到外端逐渐变细。

方案16.如方案14所述的离心式液压泵，还包括：

入口特征，所述入口特征在所述入口处从所述盖延伸并且构造为使流体穿过所述入口大体上分层流入所述流体腔。

方案17.如方案16所述的离心式液压泵，其中所述入口特征包括从所述盖延伸的筒状延伸部以及在所述筒状延伸部内从所述盖延伸的锥形延伸部。

本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点可通过下文中结合附图对实施本发明的最佳模式的详细描述而变得清楚。

附图说明

图1为离心泵的第一实施例的剖面示意图，所示离心泵由轴驱动并与形成蜗壳的泵壳连接；

图2为图1所示泵的示意性侧视图；

图3为图1和图2所示泵沿图2的3-3线截取的剖面示意图；

图4为图1-3所示泵的示意性立体图；

图5为图1-4所示泵的毂、入口特征以及叶片的示意性立体图，其中盖和筒状延伸部被移除；

图6为图5所示的毂、入口特征和叶片的示意性立体图；

图7为图5和图6所示的叶片和入口特征的示意性仰视图，其中毂被移除；以及

图8为与图1-4所示泵一起使用的叶片的替代性实施例的示意性俯视图。

具体实施方式

参阅附图，图中相同的附图标记代表相同的部件，图1所示为离心式液压泵10，在该实施例中为用于汽车发动机的水泵，但是其不限于此。泵10包括在中心腔13处安装至可旋转轴14的叶轮12。轴14绕旋转轴线16被可旋转地驱动。轴14可以采用机械方式驱动，比如公知的是通过齿轮或皮带与发动机曲轴或凸轮轴联接。替代性地，轴14可以由使用电源-比如标准12伏电池供电的电动机驱动。

参阅图3，叶轮12包括毂18，当如图1所示被安装时，毂18与轴14是同轴的。毂18具有表面19，叶轮叶片20从表面19伸出。毂18与叶片20可以采用压铸、注模或其它方式成型为一体化部件。如果毂18与叶片20是塑料的，盖22可以采用超声波摩擦焊接与叶片20相连。替代性地，整个泵10可以加工为一个单体部件。盖22的形状总体上为截头圆锥体，如图2中最好地示出的，其从内缘26弯曲到外缘28。盖22在内缘26处形成入口25。盖22具有弯曲的外表面27以及类似弯曲的内表面30(见图1)，内表面30通常面向毂18的表面19。此外，弯曲的内表面30通常循着叶片20的尖端表面32的轨迹，如图5中最好地地示出的，从而使盖22、毂18以及叶片20在相邻叶片20之间限定出封闭的流体腔34。流体腔34通常起始于入口25处，并结束于叶片20的外端24处(见图3)。流体腔34连通至一个或多个蜗壳38，蜗壳38由与叶轮12连接以便随之旋转的壳体40限定而成。轴密封件42密封地将壳体40接合到轴14。

可选的流动增强入口特征可包括大体上为筒状的环形延伸部44和大体上为锥形的延伸部46中的一者或两者，如图1所示。筒状延伸部44在入口26处与盖22连接，并与轴线16对准。大体上为锥形的延伸部46从与轴线16同轴的毂18的表面19延伸并延伸穿过筒状延伸部44的中心。入口特征44和46在使湍流最小的情况下导引进入流体朝叶轮12流动通过延伸部44的入口50并进入流体腔34。

现在参阅图5和图6，讨论叶片20的形状和定位的优点。叶片20从基座18处的相对较宽的底表面52(见图7)到定位成邻近盖22的内表面30的相对较窄的尖端表面32逐渐变细。此外，如图7所示，叶片20总体上沿径向方向从靠近内端60的相对较宽的部分到靠近外端24的相对较窄的部分逐渐变细。叶片20的整体外型在图7中最好地示出，并且被描述为螺旋桨形。

如图5最好地示出的，每个流体腔34由一个相邻叶片20的相对较短的侧面S1和另一个相邻叶片20的相对较长的侧面S2的限定边界。流体腔34的介于线L1和线L2之间的部分为流体腔的压缩部分。流体腔34在所述区域中的面积被构造成保持基本恒定。因此，尽管流体腔34的宽度随着叶片20彼此分开而向外沿径向增加，但是盖22在相邻叶片20上方向下倾斜，部分形成流体腔34，并且与毂18的表面19以及叶片20相结合，构造成在线L1和线L2之间维持恒定的截面流动面积A，如图6示意性地示出的。因此避免了流体从侧面S1、S2分离，并避免了L1和L2之间的相关压力损失。螺旋桨形设计使流动分离和摩擦损失最小化。离心力随着流体沿径向外移动而增大。一旦流过L2，流体便被沿切向甩出侧面S2，越过弯曲的相邻叶片20，进入蜗壳38。

除了叶片20的逐渐变细的螺旋桨形状之外，每个叶片20还沿其长度L3被扭转，如图7所示(即在其内端60和外端24之间)。在图5中可以明显看出叶片20沿长度方向的扭转，因为叶片20的尖端表面32不在底表面52的中心处。(底表面52在图7中被最好地示出，而在图5中是以虚线表示的。)这使得每个叶片20的侧面S1、S2相对于叶片20部分限定的相邻流体腔34向内和向外扭转。叶片20的扭转方向被构造成减少流体沿表面S1、S2的流动分离，从而提高了泵送效率。

参阅图8，其中示出了叶片20A的替代性实施例，所示叶片20A具有尖端表面32A，尖端表面32A在底表面52上方略微地更加靠近中心，其结果是沿每个叶片20A的长度方向L4的扭转幅度较小。该实施例的比较简单的形状可以采用压铸或注模制造而成，比其它实施例更容易制造。

对图1中的具有叶片20的泵10进行计算机模拟，结果表明泵10只需要300-400瓦的功率，就可以在压降120kPa的条件下每分钟泵送45加仑的流体，工作效率高达84％，相应地比效率较低的泵的燃料经济性高很多，通常可以达到40％-42％的功率，但在高转速(rpms)时使用高达5马力的动力。使用一台工作电压为12伏的电动机，并且以不超过20安培的电流为泵10供电，泵10就足以为小型到中型发动机(比如1.4升发动机)提供充足的能力。因此，泵10特别适用于典型的汽车电气系统。利用图8所示的叶片20A更简单的形状，计算机模拟表明其效率能够达到75％-76％。作为入口特征的筒状延伸部44和锥形延伸部46为泵10额外增加了2％的效率。如果采用机械驱动，仿真表明泵10在发动机的大部分工况下所需功率为传统叶片泵的一半，并且在节气门大开和高转速(rpm)条件下所需动力为传统叶片泵的1/4。如果采用电驱动，泵10能够以可变转速(rpm)工作，具备独立于发动机启动和停止的能力。

虽然已经详细描述了实施本发明的最佳模式，但是那些熟悉本发明所涉及领域的技术人员将会认识到所附权利要求范围内的用于实施本发明的各种替代性设计和实施方式。

Claims (10)

1.一种离心式液压泵，包括：

具有毂的叶轮，所述毂上带有螺旋桨形叶片；以及

具有入口的盖，其中所述盖与所述叶片连接，使得所述叶轮、所述盖和所述叶片共同限定出介于所述叶片之间的流体腔，每个流体腔的至少一部分具有基本恒定的流通面积。

2.如权利要求1所述的离心式液压泵，其中每个叶片都沿长度方向被扭转。

3.如权利要求1所述的离心式液压泵，其中每个叶片都具有尖端表面，所述叶片在所述尖端表面处与所述盖连接，并且其中每个叶片的厚度从所述毂到所述尖端表面方向减小。

4.如权利要求1所述的离心式液压泵，其中所述叶片构造为使得每个流体腔由相邻叶片的相对侧面限定边界，所述相对侧面中的一个比所述相对侧面中的另一个短并且限定所述流体腔的恒定流通面积部分的长度，从而流体在流动通过所述流体腔的恒定流通面积部分之后在较长侧面的作用下越过较短侧面被排出。

5.如权利要求1所述的离心式液压泵，还包括：

入口特征，所述入口特征在所述入口处从所述盖向外延伸并构造成使流体大体上分层流入所述流体腔。

6.如权利要求5所述的离心式液压泵，其中所述入口特征包括从所述盖延伸的筒状延伸部以及在所述筒状延伸部内从所述盖延伸的锥形延伸部。

7.如权利要求1所述的离心式液压泵，其中所述盖具有内表面，所述内表面沿径向向外的方向从所述入口朝所述叶轮逐渐变细。

8.一种离心式液压泵，包括：

具有毂的叶轮，所述叶轮构造为绕一根轴线被可旋转地驱动；

限定入口的盖，所述盖与所述轴线对准并沿径向向外朝所述毂倾斜；

其中所述叶轮具有从所述毂朝所述盖轴向地延伸且从轴向入口沿所述毂向外径向弯曲的叶片；其中所述毂、所述盖和所述叶片限定出介于相邻叶片之间的流体腔；

其中所述叶片中的每个均为螺旋桨形，其厚度从所述毂到邻近所述盖的尖端表面以及从轴向入口处的内端到外端逐渐减小；其中相邻叶片在内端处比在外端处更靠近彼此；并且其中限定出所述流体腔的所述盖、所述毂以及所述叶片的表面构造为在所述流体腔的至少一部分中维持基本恒定的流通面积。

9.如权利要求8所述的离心式液压泵，其中所述叶片中的每个都沿其长度被扭转。

10.一种离心式液压泵，包括：

具有毂的叶轮，所述毂上带有沿其长度被扭转的叶片；

与所述叶片连接的盖，所述盖从入口朝所述毂向外逐渐变细；其中所述毂、所述叶片和所述盖限定出流体腔，每个流体腔都包括流通截面面积基本恒定的一部分。

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