CN102007303A - "o"式头部设计 - Google Patents

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CN102007303A CN2009801062252A CN200980106225A CN102007303A CN 102007303 A CN102007303 A CN 102007303A CN 2009801062252 A CN2009801062252 A CN 2009801062252A CN 200980106225 A CN200980106225 A CN 200980106225A CN 102007303 A CN102007303 A CN 102007303A
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Abstract

一种排放头部的特征在于：能够安装在马达上的马达安装板；能够安装在泵组件上的底板；安装在底板上并能够从泵组件提供排放的弯管过渡部；连接到弯管过渡部并能够接收机械密封或包装装置的密封壳体管；配置在马达安装板和底板之间的支承管；以及配置在支承管和密封壳体管之间并能够基本上防止横向和扭转运动的凸肋，这些运动包括由于泵喷嘴处的反作用液压力和来自驱动器的惯性造成的运动。与本领域已知的技术相比，根据本发明的排放头部使其更加快速和方便地将VTSH泵内的泵的轴和马达的轴连接在一起。

Description

"O"式头部设计
相关申请的交叉参考
本申请要求2008年1月14日提交的临时专利申请序列号61/020902的权利，该临时申请通过引用整体结合于此。
技术领域
本发明涉及一种排放头部；并且更特别是涉及一种用于高压下的多级立式泵的排放头部，多级立式泵包括立式涡轮固体处理(VTSH)泵。
背景技术
VTSH泵在本领域是已知的，该泵在直立位置操作，并采用包括转动叶轮的碗式组件，转动叶轮浸没在夹带有纤维材料和其它固体的要被泵送的液体或流体的主体内。与传统固体处理泵相比，VTSH泵通常在宽能力范围上更加有效，并可以与多种标准的地上驱动器一起使用，因此不需要浸没式驱动器。
通过例子，图1和2表示通过Fairbanks Morse Pumps而为人所知的VTSH泵组件，其中图1表示通过Fairbanks Morse Pumps而为人所知的总体标示为10的立式涡轮固体处理(VTSH)泵组件的视图，其中图2a-2d表示图1所示的已知VTSH泵组件的视图。通常，VTSH泵10具有连接在总体标示为20的泵到马达30之间的头部12。通常，如所示，泵包括内部固体处理叶轮，叶轮具有钝的、经过良好倒圆的前导叶片和厚的水叶形状，以便确保大的固体和长纤维材料经过；排放扩散器具有三个对称配置的经过良好倒圆的叶片，该叶片用来平衡径向液压力，并消除叶轮的径向载荷；抽吸钟形体具有四个引导叶片，以便使得进入叶轮的流体层流，并且没有尾部轴承消除了流到叶轮的碎片的任何障碍；圆筒在整个长度上设有和碗式叶片的竖直出口对准的内部竖直分隔板；分隔板继续进入排放连接部，防止垃圾积累在轴封闭管上；可以设置表面或隐蔽式排放连接部；并且传动轴和轴承被完全封闭、分开润滑并与泵送液体隔离。特别是，头部12具有连接在弯管过渡部16和安装板18之间以便密封马达20的密封壳体管14；并且密封壳体管14具有径向相对的开口14a，从而使用连接器40连接泵20的轴20a和马达30的轴30a。这种VTSH泵设计的一个缺陷在于密封壳体管14使其难以使用连接器40将泵20的轴20a和马达30的轴30a连接在一起。
同样已知了其它的VTSH泵，包括美国专利No.4063849和No.5496150，其中’849专利公开一种具有带径向相对开口的排放弯管的排放泵，而其中’150专利公开一种具有排放弯管30但没有任何这种径向相对开口的VTSH泵。
在本领域中需要一种VTSH泵设计，使其更加快速和容易地将泵的轴和马达的轴连接在一起。
发明内容
本发明提供一种新型和独特的排放头部，其特征在于：能够安装在或安装到马达上的马达安装板；能够安装在或安装到泵组件上的底板；安装在底板上并能够从泵组件提供排放的弯管过渡部；连接到弯管过渡部并能够接收机械密封或包装装置的密封壳体管；配置在马达安装板和底板之间的支承管；以及配置在支承管和密封壳体管之间并能够基本上防止横向和扭转运动的凸肋，这些运动包括由于泵喷嘴处的反作用液压力和来自驱动器的惯性造成的运动。
与本领域已知的技术相比，根据本发明的排放头部使其更加快速和容易地将这种VTSH泵内的泵的轴和马达的轴连接在一起。
根据本发明的一些实施例，排放头部可包括一个或多个的以下特征：
支承管可包括具有四个支承管的构造，以便支承立式马达的重量、扭矩、泵的下推力以及喷嘴力和力矩。本发明的范围不意于局限于支承管的所述数量。例如，在本发明的范围内可以设想到包括多于或少于四个支承管的实施例。
排放头部能够对连接器和密封壳体提供360度的接近。
排放头部能够提供是根据包括API610-8TH和10TH版的API610标准的喷嘴承载能力的两倍的喷嘴承载能力，从而为排放头部提供刚性，以经受API的力和力矩。
排放头部能够形成高压多级立式泵的一部分。
与传统弯管相比，排放头部能够具有不带焊接凸肋的较短的三维斜接弯管，以便支承力和力矩。
排放头部能够具有缩短的高度长度，由于从基础到马达顶部轴承的悬臂距离较短，能够改善泵的总体振动。
由于密封壳体管和马达安装板之间大约0.003”的最大相对运动，排放头部能够具有较小的总体振动幅度。
排放头部的安装板、底板、弯管过渡部、密封壳体管、支承管和附加凸肋能够具有优化的设计构造，其尺寸通过针对特定设计条件进行结构静态和动态分析而得到，结构静态和动态分析使用排放头部的参数设计来限定特定构造。
与已知的壳体管相比，排放头部能够具有较小的密封壳体管，并且设置尺寸以便减小液压损失的量，在弯管过渡部处具有更好的液压压力分布，并且有助于机械密封或包装装置安装。排放头部能够具有较小的底板面积，使得管支承件角度在大约80°，而用于高压泵应用的已知竞争对手的装置的角度在60°到70°。
通过在其设计过程中进行有限元分析(FEA)以评估管偏移，从而优化所需的截面，排放头部能够具有最小的管支承件偏移。
附加的凸肋可包括从管支承件连接到密封壳体管的四个附加凸肋。本发明的范围不意于局限于附加凸肋的所述数量。例如，可以在本发明的范围内考虑到包括多于或少于四个附加凸肋的实施例。
排放头部可以没有外部凸肋，这是由于固有频率通过在其设计过程中进行有限元分析(FEA)并改变弯管过渡部和管支承件的截面的壁厚来控制。
弯管过渡部能够具有排放凸缘焊接部，该排放凸缘焊接部具有对焊连接部。本发明的范围不意于局限于所述焊接连接部的类型或种类。例如，可以在本发明的范围内考虑到包括使用焊接连接的其它类型或种类的实施例。
本发明提供增加的马达立柱结构刚性，该刚性大约为两倍的API喷嘴承载能力和最大喷嘴凸缘额定压力，其中密封壳体和马达支承板之间的最大相对运动为大约0.003”。对于所分析的相同尺寸来说，当前传统的设计使用1倍的API喷嘴承载能力的情况下具有大约0.012”的相对运动。
此外，在本发明中，可根据此前从没有过的用于多个排放头部/马达标准尺寸的优化参数模型，使用有限元分析(FEA)来专门设计每个组成部件。本领域普通技术人员将理解到用于有限元分析的技术在本领域是已知的，并且本发明的范围不意于局限于使用现在已知或将来开发的有限元分析的任何特定类型或种类。
附图说明
附图包括以下各图：
图1表示通过Fairbanks Morse Pumps而为人所知的立式涡轮固体处理(VTSH)泵组件的示意图；
图2包括图2a-2d，表示图1所示的已知立式涡轮固体处理(VTSH)泵组件的组装视图；
图3是根据本发明的一些实施例的“O”形头部设计的视图；
图4是图3所示的“O”形头部设计的截面图；
图5包括图5a-5d，表示根据本发明的一些实施例的图3-4所示“O”形头部设计的组装视图，其中图5c是沿着线B-B截取的图5b所示安装细节的截面图，而图5d是沿着线C-C截取的图5c所示密封细节的截面图；
图6包括图6a-6d，表示优化自动流程图，其中图6a-6c表示优化自动流程的步骤，而图6d表示与图6a-6c步骤中所述细节相关的图解。
具体实施方式
图3-5通过例子表示用于根据本发明的一些实施例总体标示为100的排放头部的“O”形头部设计。
排放头部100的特征在于：能够安装在或安装到马达200(见图5)上的马达安装板102；能够安装在或安装到图5中总体标示为300的泵组件上的底板；安装在底板104上并能够从泵组件300提供排放的弯管过渡部106；连接到弯管过渡部106并能够接收总体标示为400的机械密封或包装装置的密封壳体管108；配置在马达安装板102和底板104之间的支承管110；以及配置在支承管110和密封壳体管108之间并能够基本上防止横向和扭转运动的凸肋112，这些运动包括由于泵喷嘴处的反作用液压力和来自驱动器的惯性造成的运动。
根据本发明的“O”形头部设计可包括一个或多个以下特征：
-具有四个支承管110的构造，以便支承立式马达的重量、扭矩、泵的下推力以及喷嘴力和力矩。
-对连接器和密封壳体的360度接近：由于这有助于现场维护人员方便地移除连接器和密封部件，因此这是很重要的。
-总体O形头部设计用于为根据API610-8TH和10TH版的喷嘴承载能力的两倍的喷嘴承载能力：由于涉及排放头部的刚性以经受API力和力矩，这是最为重要的变化。
-总体O形头部设计符合石油&天然气和化学品市场的API610-8TH和10TH版：主要设计考虑满足了用于设计的ASME的VIII章节以及用于焊接的IX章节的要求，并可以用于高压的多级立式泵。
-如所示，弯管过渡部106形成为不焊接凸肋的较短的三维斜接弯管，以便支承力和力矩。
-缩短的高度长度：由于从基础到马达顶部轴承的悬臂距离较小，这可改善泵的总体振动。
-较小的总体振动幅度：由于密封壳体管108和马达安装板102之间的大约0.003”的最大相对运动而得以实现。
-优化的设计构造：每个任务命令具有针对特定设计条件而进行的结构静态和动态分析，这种分析使用排放头部的参数设计来限定特定构造。
-小密封壳体管108：这种特征减小了液压损失的量，在弯管过渡部内提供更好的液压压力分布，并且有助于机械密封或包装装置400的安装(图5)。
-较小的底板面积：4-管支承件角度在大约80°，而用于高压泵应用的已知竞争对手的装置的角度为60°到70°。
-最小的管支承件偏移：根据每个任务命令，进行有限元分析(FEA)，以便评估管偏移，从而优化所需的截面。从管支承件110到密封壳体管108的附加的四个凸肋112用来防止由于泵喷嘴处的反作用液压力和来自驱动器的惯性造成的横向和扭转运动。
-不需要外部凸肋：通过根据每个任务命令来进行FEA并改变弯管和管支承件的截面的壁厚来控制固有频率。
-弯管过渡部106具有带排放凸缘焊接部106b的排放凸缘106a，该排放凸缘焊接部106b具有对焊连接部。
O形头部设计100的尺寸将取决于特定应用，因此本发明的范围不意于局限于任何特定的尺寸组。在本申请要求其优先权的临时申请中，通过例子在图5a-5d中包含了多个尺寸，但是本发明不意于以任何方式局限于该尺寸。实际上，该尺寸形成用于特定用户的特定设计构造的一部分。由此，理解到可以设想本发明具有临时申请的图5a-5d所示之外的尺寸的实施例。
排放头部优化工具过程
图6表示具有图6a-6c中的用于排放头部优化过程的步骤的流程图，可以用来设计图3-5所示和所述的排放头部。
通过例子，本领域普通技术人员可以理解到，排放头部的优化过程将如下描述：
可以在四个主要步骤中完成优化工具(OT)的过程：
1.Eprism阶段
2.OT构造
3.OT分析和优化
4.OT图生成
Eprism阶段
优化工具的起始点在应用软件工程师根据液压条件完成泵选择时从本领域已知的基于Java应用软件的Eprism开始。重要的是要注意到本发明的范围不意于局限于只使用Eprism应用软件，这是由于可以设想到使用现在已知或将来开发的其它类型或种类的这种优化程序的实施方式。Eprism具有应用软件工程师通过传送Eprism的XML文件来启动优化工具应用软件的内置联接。Eprism的XML文件包含例如排放尺寸、液压测试压力、设计类型、马达BD、头部设计的更多尺寸细节的数据。使用80-20规则，此信息从前一任务和标准图发布到Eprism。在产生XML文件时，将经由互联网浏览器来打开优化工具应用软件。这种优化工具和Eprism从此独立操作。
OT构造
从Eprism产生的XML文件将以C：\Documents andSettings\username\PrismTemp\ePrism_Proe\*.xml存储在本地计算机。人们可以点击构造页面内的“保存为”按钮。此动作会使得主参数3D计算机辅助设计(CAD)模型(Pro/E Wildfire2.0)从服务器本身内的主目录带到用户目录(用户模型)，这将使用XML文件根据每次要求来进一步改变。一旦模型被复制到该目录，工具根据每个XML文件的数值来更新用户模型内的Pro/E模型参数。使用例如焊接、管尺寸、厚度、板伸出量等用于建造的VPO设计指南来建立3D参数CAD模型。管厚度使用作为标准/现成项目的Sch40来建立。在O形头部的情况下，在排放管和支承管任一侧上将具有1/2”的间隙。
工具为使用者以表格/下拉菜单的形式显示从Eprism的XML文件得到的数值。如果需要的话，使用者具有在构造页面内改变参数的选择。人们点击“设置参数”按钮，以便将新的数值设置到使用者3D CAD模型内。例如，使用者可更新马达BD、凸缘等级、头部设计类型等。如果设置了所有参数，那么使用者需要点击工具的“分析页面”。
设计者此时可使用登陆ID和密码直接访问工具，但是通常需要通过电子邮件/文件夹传送经由应用软件工程师从Eprism获得XML文件。
OT分析和优化
OT分析和优化是优化工具中的重要阶段，并且是该工具的核心。所有分析通常使用Pro/Mechanica来完成，但是本发明的范围不意于局限于此。此阶段具有五个分阶段：
1.静态分析
2.静态优化
3.簧片频率分析
4.簧片频率优化
5.静态分析(基于簧片频率模型)
工具显示将施加在头部模型上的所有载荷。虽然本发明的范围意于包括现在已知或将来开发的其它类型或种类的载荷，分析中所考虑到的载荷是例如喷嘴载荷(商用、API等)、液压测试压力、马达重量、马达转矩、泵的下推力、圆筒和碗形组件重量。使用者有更新网页中的载荷数值的灵活性。分析使用两种不同的模型、即壳体(Shell)和实体(Solid)来完成。所有应用软件工程师将访问壳体模型分析，并且设计者将可以使用壳体或实体模型来运行该分析。通常，壳体模型比实体模型花费较少的时间。与壳体模型相比，实体模型分析通常更加准确，但是壳体模型被细微调整，使得壳体模型和实体模型之间结果的差别可以最小化。
1.静态分析：
工具在该模型上采用所述载荷，并且进行线性静态分析。根据VPO结构分析指南，工具从分析中浏览模型的以下输出：
·所有板的垂直偏移通常必须小于例如大约0.005in/ft。
·顶板和安装有机械密封件的中央板之间的相对偏移(垂直于泵轴线)通常必须小于例如大约0.004英寸。
·根据商用或API标准，管交叉部处的最大剪切应力通常必须在许可应力以下。
·根据商用或API标准，螺栓应力通常必须在许可应力以下。
分析的结果概述在网页上显示，以便浏览和打印。如果任何输出不能满足分析指南，那么工具显示“模型需要优化”的讯息。这使得使用者继续到静态优化的分阶段。如果分析合格，那么建议使用者进行簧片频率分析。
2.静态优化分析：
工具具有得到不同情况的优化模型的预定逻辑。通过例子，下面描述O形头部的设计：
a)如果任何板不能满足垂直偏移标准，那么工具将现有板的厚度自动增加例如大约1/8”的增量，并且再次进行静态分析，直到板的偏移满足标准。
b)如果最大剪切应力超过极限，那么使用标准管表，将喷嘴管厚度增加到下一个管厚度。
c)如果相对偏移不满足要求，烟囱管厚度将如步骤b那样增加。在某些情况下，现有的管使用最大厚度也不能满足要求，那么工具将烟囱管更新到具有SCH40管厚度的下一个标准的可用管尺寸。同样，建立设计关系，使得烟囱不超过排放管直径。四个凸肋设置在支承管和中央板之间，以便具有更好的稳定性(垂直于泵轴线的较小偏移)。
由于是参数模型，烟囱管直径的变化将改变中央板外直径，同样自动保持用于密封壳体的所需板ID。
d)如果螺栓应力不满足要求，那么工具将更新螺栓直径，并重新分析。在一定尺寸之后，工具将螺栓尺寸重新设置到原始尺寸，并通过增加螺栓的数量来尝试。无论何时增加螺栓尺寸，工具检查板内材料的可用性。如果需要，工具更新板的直径和螺栓圆的直径。
e)如果多个标准都不能满足，那么工具将在一个单个运行内执行所述优化规则，总能减少解决时间。
f)根据最初模型结果的复杂性以及与安全区域的近似性，工具进行“N”次叠代。在完成叠代之后，那么工具达到具有更新结果的优化模型，以便浏览和打印。
g)对于给定载荷条件下，无论如何工具不能找到优化解决方案，则将为使用者提供弹出窗口，建议“咨询制造厂”。
3.簧片频率分析：
工具具有输入通过马达供应商提供的马达簧片频率信息的装置。工具在确定系统(头部和马达)簧片频率时考虑马达簧片频率。随后的分析指南是例如偏离操作速度的大约±25％。在进行簧片频率分析之后，结果以安全裕度打印，以便浏览和打印。在系统频率落入±25％的情况下，工具建议使用者进行“簧片频率优化分析”。
如果簧片频率正常，那么允许使用者进行最后阶段，即OT图生成。
4.簧片频率优化分析：
在O形头部的情况下，簧片频率将通过改变支承管厚度和尺寸来急剧变化。参数模型根据支承管直径和水井开口来处理底板直径。支承管总是必须在其底部具有刚性支承，所以管支承件根据水井开口直径定位在底板处。
一旦针对簧片频率条件优化模型，那么工具将进行最后一轮的静态分析。
5.静态分析(步骤4模型分析)：
在生成图之前，如果根据簧片频率分析模型中具有变化，工具再次运行静态分析(步骤3和4)。此步骤确保最后优化的模型经过静态和簧片频率分析。如果有不满足要求之处，则该过程将从步骤1以此模型重复，或者使用者将进行到最后阶段，即OT图生成。
OT图生成：
通过使用者计算机的“打开”/“保存”选项，工具根据优化模型产生PDF格式的用于排放头部的制造图。
对于应用软件工程师，根据XML文件或构造输入，该图列出部件的材料。同样在图上，显示“只用于引用的图”，确保该图不流入制造过程。
对于设计工程师，由于材料细节将在BM上显示，材料列表不进行显示。只用于引用的图将不显示。
以上的描述和图6所示的表格只通过例子给出。本发明的范围打算包括现在已知或将来开发的其它类型或种类的优化过程以及用于其它类型和种类应用的其它类型和种类的排放头部，这些优化过程可用于设计相对于图3-5表示和描述的排放头部，本领域的普通技术人员将理解到，这些都在本发明精神的范围内。
本发明的范围
将理解到，除非这里说明，针对这里的特定实施例描述的任何特征、性能、替代或改型还可与这里描述的任何其它实施例一起应用、使用或结合。同样，这里的附图没有按照比例绘制。
虽然相对于示例性实施例描述和说明了本发明，这里可以进行前述和各种其它的添加和省略，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (15)

1.一种排放头部，包括：
能够安装在或安装到马达上的马达安装板；
能够安装在或安装到泵组件上的底板；
安装在所述底板上并能够从所述泵组件提供排放的弯管过渡部；
连接到所述弯管过渡部并能够接收机械密封或包装装置的密封壳体管；
配置在所述马达安装板和所述底板之间的支承管；以及
配置在所述支承管和所述密封壳体管之间并能够基本上防止横向和扭转运动的凸肋，这些运动包括由于泵喷嘴处的反作用液压力和来自驱动器的惯性造成的运动。
2.根据权利要求1所述的排放头部，其中，所述支承管包括具有四个支承管的构造，所述支承管能够支承立式马达的重量、扭矩、泵的下推力以及喷嘴力和力矩。
3.根据权利要求1所述的排放头部，其中，所述密封壳体管能够对连接器和密封壳体提供360度的接近。
4.根据权利要求1所述的排放头部，其中，所述排放头部能够提供是根据API610标准的喷嘴承载能力的两倍的喷嘴承载能力，从而为所述排放头部提供刚性，以经受API的力和力矩。
5.根据权利要求1所述的排放头部，其中，所述排放头部能够形成高压多级立式泵的一部分。
6.根据权利要求1所述的排放头部，其中，所述排放头部能够具有不带焊接凸肋的三维斜接弯管，以便支承力和力矩。
7.根据权利要求1所述的排放头部，其中，所述排放头部能够具有缩短的高度长度，由于从基础到马达顶部轴承的悬臂距离较短，能够改善所述泵的总体振动。
8.根据权利要求1所述的排放头部，其中，所述排放头部能够具有由于所述密封壳体管和所述马达安装板之间大约0.003”的最大相对运动导致的总体振动幅度。
9.根据权利要求1所述的排放头部，其中，所述排放头部的每个部件，包括安装板、底板、弯管过渡部、密封壳体管、支承管和附加凸肋能够具有优化的设计构造，所述部件的尺寸通过针对特定设计条件进行结构静态和动态分析而得到，所述结构静态和动态分析使用所述排放头部的参数设计来限定特定构造。
10.根据权利要求1所述的排放头部，其中，所述排放头部能够使得所述密封壳体管的尺寸被设计成减小液压损失的量，在所述弯管过渡部处具有更好的液压压力分布，并且有助于所述机械密封或包装装置的安装。
11.根据权利要求1所述的排放头部，其中，所述排放头部能够具有使得管支承件角度在大约80°的底板面积，而用于高压泵应用的已知装置的管支承件角度为60°到70°。
12.根据权利要求1所述的排放头部，其中，通过在所述排放头部的设计过程中进行有限元分析(FEA)以评估管偏移，从而优化所需的截面，所述排放头部能够具有最小的管支承件偏移。
13.根据权利要求1所述的排放头部，其中，所述附加凸肋包括每一个均从四个管支承件中的相应一个连接到所述密封壳体管的四个附加凸肋。
14.根据权利要求1所述的排放头部，其中，所述排放头部没有外部凸肋，这是由于固有频率通过在所述排放头部的设计过程中进行有限元分析(FEA)并改变所述弯管过渡部和管支承件截面的壁厚来控制。
15.根据权利要求1所述的排放头部，其中所述弯管过渡部能够具有排放凸缘，所述排放凸缘具有带对焊连接部的排放凸缘焊接部。
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