CN102361698B - 用于离心泵的受控的力平衡的离心式叶轮和离心泵 - Google Patents

Abstract

一种用于离心泵的叶轮，其包括圆盘形的护罩，圆盘形护罩具有中心轴、正面、背面和圆形周边以及在护罩中心的毂，毂具有轴向的钻孔。叶轮还包括在护罩正面上的第一组叶片，第一组叶片从周边向毂径向向内延伸；在护罩背面上的第二组叶片，第二组叶片从周边向毂径向向内延伸；在护罩背面上的平衡区域，平衡区域从毂径向向外延伸；以及护罩上的多个开口，该多个开口被设置成允许液体从护罩的一侧流向另一侧。

Description

用于离心泵的受控的力平衡的离心式叶轮和离心泵

技术领域

本发明通常涉及离心泵，更具体地，本发明涉及用于离心泵的叶轮。

背景技术

叶轮是离心泵的转动部件，通过加速液体从旋转中心向外流，离心泵将来自驱动泵的电源的能量转移到被抽吸的液体。当输出运动被泵壳限制时，叶轮的速度转化为压力。通常，叶轮包括设置在泵的入口的中心毂或孔眼，以及沿径向驱使液体的多个叶片。中心毂通常包括轴向钻孔或开口，轴向钻孔或开口可以用花键连接以便接受用花键连接的传动轴。

离心泵设计的主要挑战之一是处理轴向负载。通常，由于叶轮大的横截面积，叶轮上的相对小的压差能够转化为泵的推力轴承上的高轴向负载。高的轴向负载能够导致泵过早失效和频繁的部件更换。结果，可使用大的昂贵的推力轴承处理轴向负载。

已经试图用几种方法降低轴向负载的影响。这些方法包括使用带有前护罩和后护罩的叶轮以便完全包住叶轮叶片，并且该叶轮是双面叶轮。但是，这些叶轮类型通常不提供机械装置以抵消插塞负载（来自泵的入口的液压负载），或施加于泵的传动轴的其他轴向负载。

用于降低轴向负载的其他方法包括使用带有后泵出叶片的叶轮和带有迷宫式密封的叶轮。但是，这些类型的叶轮对轴向间隙是非常敏感的。轴向间隙内的轻微变化可以明显地扰乱带有后泵出叶片的叶轮的轴向力平衡。由于由轴向间隙内的小变化引起的高泄漏变化，能够看到带有迷宫式密封的叶轮的性能明显退化。降低这些叶轮对于轴向间隙的敏感度涉及到昂贵的复杂的设计方面的变化，以至于增加重量并降低泵的可靠性。

因此需要有一种离心泵叶轮，其能有效地平衡轴向负载包括插塞负载，且不会明显受轴向间隙内的变化影响。其不需要昂贵的或复杂的设计特点，以至于增加重量并降低泵的可靠性。

本发明的实施例提供这样的叶轮。根据在此提供的本发明的说明，本发明的这些优点和其他优点与额外的发明特点一样将变得明显。

发明内容

在一个方面，本发明的实施例提供用于离心泵的包括圆盘形护罩的叶轮，该叶轮具有中心轴线、正面、背面和圆形周边，以及在护罩中心的毂，毂具有轴向钻孔。叶轮还包括在护罩的正面上的第一组叶片，第一组叶片从周边向毂径向向内延伸；在护罩背面上的第二组叶片，第二组叶片从周边向毂径向向内延伸；在护罩背面上的平衡面积，平衡面积从毂沿径向向外延伸；以及护罩上的许多开口，开口的数量被设置成允许液体从护罩的一侧通到另一侧。

在另一方面，本发明的实施例提供离心泵，该离心泵包括被设置成转动的传动轴，以及泵壳。泵壳包括入口、出口以及设置在入口和出口之间的腔。离心泵还包括设置在泵壳内并连接至传动轴的叶轮，叶轮包括圆盘形护罩，圆盘形护罩具有中心轴线、正面、背面和圆形周边，以及在护罩中心的孔眼，孔眼具有轴向钻孔。另外，泵具有在护罩正面上的第一组叶片，第一组叶片从周边向毂径向向内延伸；在护罩背面上的第二组叶片，第二组叶片从周边向毂径向向内延伸；在护罩背面上平衡区域，平衡区域从毂沿径向向外延伸；以及在护罩上的许多开口，开口的数量被设置成允许液体从护罩的一侧通向另一侧。

当结合附图时，根据下面的详细说明，本发明的其他方面、目的和优点将变得更加明显。

附图说明

被并入并且形成说明书一部分的附图示出本发明的几个方面，并与说明书一起用来说明本发明的原理。在图中：

图1、图2和图3是根据本发明的实施例的叶轮的前视图、侧视图和后视图；

图4、图5和图6是根据本发明的替代实施例的叶轮的前视图、侧视图和后视图；

图7、图8和图9是根据本发明的替代实施例的叶轮的前视图、侧视图和后视图；以及

图10是并入本发明的实施例的离心泵的剖视图。

虽然结合确定的优选实施例描述了本发明，但不是想将本发明限制于那些实施例。相反地，本发明将涉及如包含在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有的替代方案、变型和等效物。

具体实施方式

图1、图2和图3示出根据本发明的实施例的用于离心泵的叶轮100。叶轮100是双面半开式叶轮，即具有单独的圆盘形护罩102和中心毂或孔眼104。毂104具有弯曲轮廓106和轴向钻孔或开口108。轴向钻孔108可用键连接或用花键连接以接受有键的或有花键的传动轴。护罩102与毂104成一体，并且从毂104向外径向延伸。护罩102具有圆形周边110，圆形周边110的半径从位于轴向钻孔108的中心处的中心轴线112开始延伸。通常，毂104被设置在泵的入口，以便当液体从入口沿轴向流向叶轮100的毂104时，弯曲轮廓106使液流的方向从轴向转到径向。

叶轮100的正面114包括一组或多个弯曲长叶片116以及多个弯曲短叶片118，两种类型都沿旋转方向凸起地弯曲。多个弯曲叶片116、118中的每一个都从周边110向内地朝毂104延伸。多个长弯曲叶片116与多个短弯曲叶片118交替，它们围绕叶轮100的圆周均匀地间隔。长叶片116基本上延伸得比短叶片118更接近于毂104。在每个相邻的长叶片116和短叶片118之间，在护罩102上有弯曲长孔或槽口120。在本发明的一个实施例中，槽口120沿径向向内地朝毂104延伸，在大致与中心轴线112到短叶片118的距离相同的距离处终止。槽口120沿径向向外向周边110延伸。在替代的实施例中，槽口120的长度和宽度可能是不同的，这取决于横跨叶轮100的外部的预期的轴向负载。通常，横跨叶轮100的外部的预期的轴向负载越大，槽口120就需要越大，以便平衡预期的轴向负载。在本发明的实施例中，开口120被斜切以便减少当液体穿过开口120时的液体损失。斜切可以在一侧上，使得开口120在叶轮100的一侧上比在另一侧上大。替代地，可以在叶轮开口120的两侧都有斜切。

长叶片116和短叶片118沿基本上垂直于护罩102的正面122的方向延伸到某一高度。叶片116、118在叶片116、118最接近中心轴线112的端部处上升到它们的最大高度。从这个最大高度开始，叶片116、118的高度降低，同时它们沿径向向周边110延伸，使叶片116、118产生直线渐缩的或线性渐缩的轮廓，并且对于所有的叶片116、118来说都在周边110处具有最小的高度。在本发明的替代实施例中，叶片的轮廓是弯曲渐缩的而不是直线渐缩的或线性渐缩的。叶片的宽度还能够随离中心轴线112的距离变化。在图1的实施例中，每个叶片116、118在最接近中心轴线112的端部处都是最窄的。随着叶片向周边110延伸，叶片116、118的宽度增加。在本发明的实施例中，叶片116、118在周边110的内侧的端部处达到最大宽度。

叶轮100的背面124包括长孔120和多个弯曲后叶片126，弯曲后叶片126沿基本上垂直于护罩102的背面128的方向延伸到某一高度。后叶片126的高度明显小于正面的叶片116、118的高度。背面124还包括位于毂104和槽口120之间的平衡区域或平衡面积130。平衡面积130的大小实际上由槽口120到毂104的接近程度确定。在泵的运转过程中，来自入口的液体在平衡区域或平衡面积130上形成压力。该压力的强度由直径确定，因而由平衡区域130的表面面积确定。在平衡面积130上由压力引起的力起活塞作用，从而提供相反的轴向力以抵消来自作用在泵的传动轴上的插塞负载产生的力。期望的平衡力可以通过恰当地选择平衡面积130的直径获得，并且通过确定槽口120的向内延长来选择平衡面积130（得到期望的直径）。

在运转中，叶轮100被设置成驱使液体从入口沿轴向流向毂104，然后沿径向向外到泵的出口。在叶轮100的正面114上的弯曲叶片116、118和在叶轮100的背面124上的后叶片126被设置成有效地以最低限度的泄露驱使液体到泵的出口。槽口120允许液体在叶轮100的正面132和背面134之间自由流动，因此在泵的运转过程中平衡了在叶轮100的两个面132、134上的压力。如上所述，由在泵的入口处的插塞负载产生的轴向力被作用在平衡面积130上的由压力产生的力平衡。

各种轴向负载的平衡使叶轮100无需使用大的、昂贵的轴向推力轴承。叶轮100能够被制造得比全罩叶轮更轻更便宜，而且无需复杂的、昂贵的动态密封。此外，叶轮100具有低的内部泄露，而且对轴向间隙内的变化不敏感。

图4、5和6示出根据本发明的实施例的叶轮200。叶轮200包括护罩202和毂204，毂具有弯曲轮廓206以及轴向钻孔208，轴向钻孔可能是用键连接的或用花键连接的。叶轮200在大多数方面类似于上述叶轮100，除了在正面214上的多个弯曲叶片216都是相同长度。每个叶片216都延伸到距叶轮中心轴线212的相同距离内。在每对相邻叶片216之间是朝毂204径向向内地延伸的弯曲槽口220。相对于中心轴线212，槽口220的向内延伸比叶片216的向内延伸终止得更远。槽口220还沿圆形周边的方向径向向外延伸。在本发明的实施例中，槽口220被斜切以便减少当液体经过槽口220时液体的损失。斜切可以在一侧上以便叶轮200在槽口220的一侧上大于在其另一侧上。替代地，可以在槽口220的两侧上都有斜切。

叶片216沿基本上垂直于护罩202的正面222的方向延伸到某一高度。叶片216的高度沿直线渐缩，从在最接近中心轴线212的端部的最大值到在周边210处的最小值。在图4的实施例中，每个叶片216在最接近中心轴线212的端部是最窄的。叶片216的宽度通常随着叶片向周边210延伸而增加。在本发明的实施例中，叶片216在周边210内侧的端部处达到最大宽度。

叶轮200的背面224包括多个弯曲的后叶片226、多个槽孔220和平衡区域或平衡面积230，平衡区域或平衡面积230的直径和表面面积通过槽口220向内延伸而有效地确定。后叶片226沿基本上垂直于护罩202的背面228的方向延伸到某一高度。后叶片226的高度明显小于正面214的叶片216的高度。在运转中，叶轮200的动作很像前述的叶轮100。施加在平衡面积230上的压力起活塞作用，由该压力产生的力抵消来自泵的入口的液压插塞负载。

图7、图8和图9示出根据本发明的实施例的叶轮300。叶轮300包括单独的圆盘式护罩302，以及带有弯曲轮廓306和轴向钻孔308的中心毂304，轴向钻孔308可能是用键连接的或用花键连接的。叶轮300具有圆形周边310、在轴向钻孔308中心的中心轴线312和在正面314上的多个弯曲叶片316。环绕叶轮300的圆周均匀间隔的弯曲叶片316都是相同长度，并径向向内从圆形周边310向毂304延伸，各自终结在离中心轴线312相同的距离处。

叶轮300包括多个圆形开口或孔320，其中一个或两个被设置在每对相邻叶片316之间。多个孔320可被分成两组。第一组的多个孔320环绕叶轮300的圆周间隔，位于接近周边310的外侧区域321内。在第一组内的孔包括许多小孔323和许多大孔325，大孔325的数量是小孔323数量的一半。在本发明的实施例中，圆形开口320被斜切以便减少当液体经过槽口320时的液体损失。斜切可在一侧上，使得圆形开口320在叶轮300的一侧上大于其在另一侧。替代地，可以在圆形开口320的两侧上都有斜切。

第二组的多个孔320环绕叶轮300的圆周间隔，并且位于比用于第一组的外侧区域321更接近中心轴线312的内部区域327内。在本发明的一个实施例中，在第二组内的孔的数量是在第一组内的孔的数量的三分之二。但是在本发明的替代实施例中，在第二组中的孔的数量和在第一组中的孔的数量之比可以大于或小于三分之二。

弯曲叶片316沿基本上垂直于护罩302的正面322的方向延伸到某一高度。如在先前的实施例中，叶片316的高度在最接近中心轴线312的端部是最大值，并且渐缩成在周边310处达到最小高度。在图7的实施例中，每个叶片316都在最接近中心轴线312的端部处最窄。叶片316的宽度通常随着叶片向周边310延伸而增加。在本发明的实施例中，叶片316在周边310内侧的端部处达到最大值。

叶轮300的背面324包括多个沿径向从周边310向内朝毂304延伸的后叶片326。在实施例中示出，后叶片326是直的。在另一个实施例中，背面的叶片可以是弯曲的。背面的叶片326沿基本上垂直于护罩302的背面328的方向延伸到某一高度，但是达到明显比叶片316矮的高度。在每对相邻的后叶片326之间，有多个孔320中的一个或两个。

背面324包括由毂304和后叶片326之间的空间限定的平衡区域或平衡面积330。在运转中，叶轮300象上述叶轮100、200一样运行。多个孔320平衡在叶轮300的正面332和背面334上的压力。在泵的运转过程中，由作用在平衡面积330上的压力产生的力抵消由在泵的入口处插塞负载产生的轴向力。

图10是并入本发明的实施例的离心泵400的剖面视图。泵400包括传动轴402，传动轴402被设置成由在一端的电源（未示出）转动，在另一端被设置了叶轮404。电源可以是例如电动机或例如在喷气式发动机上的旋转轴。在泵的运转过程中，被设置在泵壳408的腔406内的叶轮404被传动轴402转动。腔406连接至入口410并连接至出口412。在运转中，液体通过入口410进入腔406。液体沿轴向流向叶轮404。叶轮404的转动驱使液体沿径向流向出口412。

包括公开物、专利申请和在此被引用的专利，所有参考资料通过参考相同的临时所有权令由此并入，每个参考资料都被单独地、特别地说明以便通过引用被并入，并且在此被全面阐明。

在描述本发明的上下文中（尤其在下列权利要求的上下文中）词“a”、“an”、“the”和类似的指示物的用法是翻译成即包括单数又包括复数，除非在此另有说明或上下文明显矛盾。词“包括”、“具有”、“包含”和“含有”将被翻译成无限制的措辞（例如“包括”不限于包括的意思）除非另有说明。数值范围的叙述在此仅希望作为单独参考属于该范围的每个单独数值的简略的表达方法，除非在此另有说明，每个单独的用途被并入说明书好像其在此被单独列举。在此描述的所有的方法能够按任意适当的顺序实行，除非在此另有说明或上下文明显矛盾。在此提供的任意的和所有的实例或典型的术语（例如“例如”）的使用仅希望用来更好地示出本发明，而不形成本发明范围上的限制，除非另有要求。在说明书中的语言应被解释为用来说明对本发明的实施非常重要的受保护的部件。

本发明的优选实施例在此被描述，优选实施例包括用于实现本发明的发明者已知的最佳方式。根据学习前述说明对于本领域的普通的技术人员，这些优选实施例的改进可以变得明显。发明者希望熟练的技工正确地使用这些改进，并且发明者除了希望本发明在此被明确地描述外，还希望本发明被实施。因此本发明包括所有的变型以及相关的适用法律允许的在所附权利要求中列举的标的物的等效物。此外，在其所有的可能的改进中上述元件的任意组合都被本发明包含，除非在此另有说明或上下文明显矛盾。

Claims (30)

1.一种用于离心泵的叶轮，其包括： 

圆盘形护罩，其具有中心轴线、正面、背面和圆形周边； 

在护罩的中心的毂，所述毂具有轴向钻孔； 

在护罩的正面上的第一组叶片，所述第一组叶片从周边朝向毂径向向内延伸； 

在护罩的背面上的第二组叶片，所述第二组叶片从周边朝向毂径向向内延伸； 

在护罩的背面上的平衡面积，所述平衡面积从毂径向向外延伸；以及 

在护罩上的多个开口，所述多个开口被设置成允许液体从护罩的一侧通到另一侧。 

2.如权利要求1所述的叶轮，其中，平衡面积的直径通过第二组叶片的向内延伸部限定。 

3.如权利要求1所述的叶轮，其中，多个开口包括多个圆孔。 

4.如权利要求3所述的叶轮，其中，多个圆孔包括具有第一直径的一个或多个圆孔和具有第二直径的一个或多个圆孔，其中第一直径不同于第二直径。 

5.如权利要求3所述的叶轮，其中，多个圆孔环绕护罩的周边对称地间隔。 

6.如权利要求5所述的叶轮，其中，至少一个圆孔被设置在第一组叶片中的每对相邻叶片之间。 

7.如权利要求5所述的叶轮，其中，多个圆孔包括第一组和第二组，其中，第一组中每个圆孔被设置在第一区域，而第二组中的每个圆孔被设置在第二区域，其中，第一区域比第二区域离中心轴线远。 

8.如权利要求7所述的叶轮，其中，第二组中圆孔的数量是第一组中圆孔数量的三分之二。 

9.如权利要求1所述的叶轮，其中，多个开口包括多个径向延伸的槽口。 

10.如权利要求9所述的叶轮，其中，平衡面积的直径通过槽口的向内延伸部限定。 

11.如权利要求9所述的叶轮，其中，至少一个槽口被设置在第一组叶片中每对相邻叶片之间。 

12.如权利要求9所述的叶轮，其中，多个径向延伸的槽口中的每一个都是弯曲槽口。 

13.如权利要求1所述的叶轮，其中，第一组叶片中的每一个都是弯曲的。 

14.如权利要求13所述的叶轮，其中，第一组叶片环绕护罩的周边均匀地间隔。 

15.如权利要求14所述的叶轮，其中，第一组叶片包括一组长叶片和一组短叶片。 

16.如权利要求15所述的叶轮，其中，长叶片和短叶片环绕护罩的周边按交替的顺序设置。 

17.如权利要求1所述的叶轮，其中，第二组叶片中的每一个都是弯曲的。 

18.如权利要求1所述的叶轮，其中，第一组叶片中的每一个都沿基本上垂直于护罩的正面的方向延伸，并且其中延伸的程度限定了叶片的高度。 

19.如权利要求18所述的叶轮，其中，第一组叶片中的每一个叶片的高度都从接近毂的最大高度向在周边处的最小高度线性地渐缩。 

20.如权利要求1所述的叶轮，其中，第二组叶片中的每一个都沿基本上垂直于护罩的背面的方向延伸。 

21.如权利要求1所述的叶轮，其中，当受到来自流体的压力时，平衡面积产生轴向的力，该力抵抗由在离心泵的入口处的插塞负载产生的作用在叶轮上的另一轴向力。 

22.一种离心泵，其包括： 

被设置成可转动的传动轴； 

泵壳，其包括： 

入口； 

出口； 

以及设置在入口和出口之间的腔； 

设置在泵壳内并连接至驱动轴的叶轮，所述叶轮包括： 

具有中心轴线、正面、背面和圆形周边的圆盘形护罩； 

在护罩中心处的孔眼，所述孔眼具有轴向钻孔； 

在护罩的正面上的第一组叶片，所述第一组叶片径向向内从周边向孔眼延伸； 

在护罩的背面上的第二组叶片，所述第二组叶片径向向内从周边向孔眼延伸； 

在护罩的背面上的平衡区域，所述平衡区域从孔眼径向向外延伸；以及 

护罩中的多个开口，所述多个开口被设置成允许液体从护罩的一侧通到另一侧。 

23.如权利要求22所述的离心泵，其中，在泵的运转过程中，叶轮上由在入口处的插塞载荷产生的轴向力受到由作用在平衡区域上的流体产生的压力引起的力的抵抗。 

24.如权利要求22所述的离心泵，其中，平衡区域的表面面积通过第二组叶片的向内延伸部限定。 

25.如权利要求22所述的离心泵，其中，平衡区域的表面面积由多个开口邻近孔眼的程度限定。 

26.如权利要求22所述的离心泵，其中，第二组叶片中的每一个都是弯曲的。 

27.如权利要求22所述的离心泵，其中，第一组叶片中的每一个都是弯曲的。 

28.如权利要求22所述的离心泵，其中，多个开口包括多个圆形开口。 

29.如权利要求22所述的离心泵，其中，多个开口包括多个径向 延伸的槽口。 

30.如权利要求29所述的离心泵，其中，多个径向延伸的槽口中的每一个都是弯曲的径向延伸的槽口。 

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