CN102369356A - 高效、多级离心泵及其装配方法 - Google Patents

Abstract

一种高效多级离心泵及其装配方法。泵可以包括三个泵级，这三个泵级的各泵级均包括前部壳体、后部壳体、叶轮和装有叶片的扩压器。前部壳体和后部壳体可拆卸地环绕叶轮和装有叶片的扩压器连接。在三级泵中，流体可以以大约每秒300升和大约每秒500升之间的流量且以大约86％和大约91％之间的效率来泵送。该方法包括单独地铸造、机械加工和抛光各前部壳体、后部壳体、叶轮和装有叶片的扩压器。

Description

高效、多级离心泵及其装配方法

相关申请

根据35U.S.C.§119，本申请要求美国临时专利申请No.61/095863的优先权，该美国临时专利申请No.61/095863的申请日为2008年9月10日，该文献的整个内容被本文参引。

背景技术

高容量和高流量泵壳体设计通常需要多个折衷。尽管更大的壳体可以提供更高的泵效率，但是更小的壳体通常用于降低成本。另外，单件式泵壳体通常包括很难接近的铸件内部部分。这些泵壳体成型为对铸造容易、成本减小、尺寸限制和流动效率的考虑因素进行平衡。在高容量和高流量的用途中(例如海水反向渗透(SWRO)用途)，增加几个百分点的效率将能够显著降低能量成本。

发明内容

本发明的一些实施例提供了多级泵，用于泵送流体并由马达驱动。多级泵可以包括三个泵级，且三个泵级各自包括前部壳体、后部壳体、叶轮和装有叶片的扩压器。前部壳体和后部壳体可拆卸地环绕叶轮和装有叶片的扩压器连接。流体可以以大约每秒300升和大约每秒500升之间的流量泵送通过三个泵级，且效率在大约86％和大约91％之间。

本发明的一些实施例提供了用于装配多级泵的泵级的方法。该方法包括分别铸造前部壳体、后部壳体、叶轮和装有叶片的扩压器，并机械加工前部壳体、后部壳体、叶轮和装有叶片的扩压器。该方法还包括抛光前部壳体的第一内表面、抛光后部壳体的第二内表面、抛光叶轮和抛光装有叶片的扩压器。该方法还包括使得前部壳体和后部壳体可拆卸地环绕叶轮和装有叶片的扩压器连接在一起。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的三级泵的剖视图。

图2是根据本发明另一实施例的三级泵的剖视图。

图3是根据本发明再一实施例的三级泵的剖视图。

图4是根据本发明一个实施例的单级泵壳体的分解透视图。

图5A是图4的单级泵壳体的分解剖视透视图。

图5B是图4的单级泵壳体的剖视图。

图6是使用根据本发明一个实施例的泵的海水反向渗透(SWRO)设备的示意图。

图7是显示根据本发明一个实施例的泵的性能的曲线图。

图8A-8C是根据本发明一个实施例的泵的侧视图、端视图和局部端视图。

图9是竖向安装泵的侧视图，该竖向安装泵具有表示为用于本发明一个实施例的尺寸。

图10是根据本发明一个实施例的泵的前部壳体的透视图。

图11是图10中的前部壳体和根据本发明一个实施例的叶轮的透视图。

图12是图10中的前部壳体、图11中的叶轮和根据本发明一个实施例的旋转轴的透视图。

图13是图10中的前部壳体、图11中的叶轮、图12中的旋转轴和根据本发明一个实施例的扩压器的透视图。

图14是第一和第二前部壳体、图12中的旋转轴、图13中的扩压器和根据本发明一个实施例的后部壳体和螺栓的透视图。

图15是第一和第二前部壳体、第二叶轮、图12中的旋转轴、图14中的后部壳体和根据本发明一个实施例的螺栓的透视图。

图16是根据本发明一个实施例的第一和第二前部壳体、第二扩压器、旋转轴、后部壳体和螺栓的透视图。

图17是根据本发明一个实施例的第一、第二和第三前部壳体、旋转轴、第一和第二后部壳体以及螺栓的透视图。

图18是根据本发明一个实施例的第一、第二和第三前部壳体、旋转轴、第一、第二和第三后部壳体、螺栓以及出口附件的透视图。

图19是根据本发明一个实施例的三级泵在组装后的透视图。

图20是根据本发明一个实施例的出口附件或排放头的透视图。

图21是根据本发明的一个实施例，图20中的排放头与图19中的三级泵连接的透视图。

图22是根据本发明的一个实施例，用于图19中的三级泵的马达和图20中的排放头的透视图。

图23是根据本发明的一个实施例，图22中的马达和图20中的排放头与管道连接的透视图。

图24是泵的一个实施例的测试数据的图表。

图25包括用于泵的一个实施例的测试数据的三个曲线图。

图26是根据本发明的一些实施例，用于较小反向海水渗透泵的极差控制图(range chart)。

具体实施方式

在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解，本发明并不局限为用于在下面的说明书中所述或在下面的附图中所示的部件的结构细节和布置方式。本发明能够有其它实施例，能够以各种方式来实现或实施。还有，应当理解，这里使用的措辞和术语是用于说明目的，而并不认为是限制。这里使用的“包括”、“包含”、或者“具有”和它们的变化形式的意思是涵盖后面是列出的项和它们的等效物以及另外的项。除非具体说明或以其它方式限制，术语“安装”、“连接”、“支承”和“联接”以及它们的变化形式将广义地使用，包含直接和间接地安装、连接、支承和联接。而且“连接”和“联接”并不局限于物理或机械连接或联接。

下面的说明使得本领域技术人员能够形成和使用本发明的实施例。本领域技术人员将很容易地清楚所示实施例的多种变化形式，且这里的总体原理可以用于其它实施例和用途，而并不脱离本发明的实施例。因此，本发明的实施例并不局限于所示实施例，而是相应于与所述原理和特征一致的最宽范围。下面的详细说明应当参考附图来阅读，其中，在不同附图中的相同元件具有相同的参考标号。并不必须按比例的附图显示了选定实施例，且并不限制本发明实施例的范围。技术人员应当理解，这里提出的实例具有多种有利的变化形式，并将落在本发明实施例的范围内。

图1显示了根据本发明一个实施例的多级离心泵10。该泵10包括进口12、出口14、泵级16和基座18。泵10可以与马达20连接。

在一些实施例中，泵10可以用于泵送流体，例如淡盐水、海水和/或饮用水。在一个示例中，泵10可以用于海水反向渗透(SWRO)用途。在淡盐水用途中，泵10可以由不锈钢(例如316级不锈钢)来制造。在海水用途中，泵10可以由双相不锈钢制造。在饮用水用途中，泵10可以由延性铁制造，并可以由涂层来涂覆，该涂层适合国家公共卫生基金会(NSF)饮用水标准。其它合适的材料也可以用于淡盐水、海水和/或饮用水用途。另外，泵10可以用于竖直或水平定位，且在一些实施例中可以用于抽吸罐或其它泵送容器(未示出)中。在一些实施例中，泵10可以是具有分体式泵壳的泵和桶式泵。

如图1和2中所示，在一些实施例中，泵10可以在吸入端(即邻近进口12)被驱动，与在排出端(即邻近出口14)被驱动的常规泵不同。通过这种吸入端结构，旋转轴密封件可以位于泵10的低压吸入端，而不是在高压排出端，且一个或更多个静止密封件可以位于高压排出端处。与常规设计(该常规设计需要高压轴密封件以便防止泄露)相比，布置在低压吸入端处的密封件能够增加可靠性。不过，在其它实施例中，泵10可以在排出端被驱动，如图2中所示。

在一些实施例中，各泵级16可以包括泵壳体22，该泵壳体22分成或者制造为两个或更多零件，如图1、2、4、5A和5B中所示。在一些实施例中，泵壳体22的各零件可以通过铸造处理来制造。图4和5A显示了单级泵壳体22的分解图。图5B显示了单级泵壳体22的剖视图。泵壳体22可以包括前部壳体24、后部壳体26、装有叶片的扩压器28和叶轮30。扩压器28可以是静止的，叶轮22可以由旋转轴32来驱动，该旋转轴32与马达20的轴连接。泵壳体22还可以包括螺栓33、键34、开口环35、O形环36、帽37、磨损环38、螺钉39和轴承40。在一些实施例中，磨损环38可以带有锯齿。

前部壳体24和后部壳体26可以通过紧固件42例如螺栓而连接，如图1和2中所示。在一些实施例中，螺栓42可以跨过全部泵级16，从而连接全部泵壳体22，如图1中所示。在其它实施例中，多个螺栓42可以分别与各泵壳体22连接，如图2中所示。例如，如图4、5A和5B中所示，后部壳体26可以包括通孔44，前部壳体24可以包括盲孔46，以便接收螺栓42。此外，螺栓(未示出)可以用于分别在前部壳体24和后部壳体26的盲孔50和通孔52处连接附加的泵壳体22。例如，如图4和5中所示，后部壳体26可以包括通孔52，前部壳体24可以包括盲孔50，以便接收螺栓(未示出)。

在常规的泵中，泵级通常为单件式设计，这些泵级通过铸造处理来制造。例如，图3的泵10包括单件式泵级22。图1、2、4、5A和5B的多件式设计可以有更高的铸造质量，且尺寸和形状可以设置成使得泵壳体22的所有内部通道能够完全进入。这种进入能够更好地制备铸件的表面，特别是扩压器28、前部壳体24和后部壳体26的表面。铸件和内部通道的更好表面光洁度可以大大降低摩擦损失。已经发现，更好的表面光洁度将在较低特定速度泵中增加泵效率。还有，多件式设计使得泵壳体22能够分开，并在需要时进行检查、重新抛光和/或清洁。

此外，与单件式设计相比，在多件式设计中，更多内部表面可以进行机械加工。在一个实例中，利用多件式设计可以消除在型芯分开线处的毛刺，因为各零件更容易接近，这使得任何毛刺都露出，并能够很容易除去它。在多件式设计的一些实施例中，扩压器28、背部盖26和前部盖24都可以进行机械加工。此外，扩压器28、后部盖26和前部盖24都可以抛光，以便有更好的表面光洁度。

如图5B中所示，流体可以穿过叶轮20的孔眼54，且叶轮的叶片56可以迫使流体高速通向收集器区域58。扩压器28可以使得高速流体慢下来，并将它导向下一个泵级16，从而增加流体的压力。在一些实施例中，叶轮30可以设计成减小或消除明显的轴向流动分量(该轴向流动分量可以降低泵效率)，从而使得泵送的流体能够基本径向地流向和进入收集器区域58。与常规设计相比(该常规设计产生了具有无效轴向分量的流体流)，这可以增加效率。

在一些实施例中，叶轮叶片56的角度可以在大约18度和大约22.5度之间。这些叶轮叶片角度使得泵送的流体能够作为实心体作用，并更直接地接近扩压器叶片60，从而提高泵的效率。还有，扩压可以在各泵级16的整个长度上进行。此外，扩压器28可以有比常规扩压器更好的表面光洁度(由于所述多件式设计的原因)，从而进一步提高泵效率。

一些实施例的多件式设计还可以使用不同尺寸的叶轮30和扩压器28，从而增加泵10用于不同用途的灵活性。例如，收集器区域58的通道高度可以通过降低扩压器叶片60的高度或者插入具有更长叶片60的新扩压器28而进行调节。在壳体部分22中调节扩压器叶片60的高度使得泵10能够通过允许或限制更多或更少流量而具有用于其用途的最佳效率(即获得最佳效率的流量点)。在单件式设计中，这将很难或者不可能实现。另外，通过能够更准确地控制扩压器28和具有更高效率的设计，泵10可以利用更少的泵级16而获得更快速度(与常规泵相比)。因此，泵10可以比常规的泵更紧凑，同时还获得类似的泵送压力和流动特征。

在进口14处可以使用各种进口附件。如图1和3中所示，可以使用包括短半径弯管(例如由Fairbanks Morse制造，商标为Turbo-Free^TM)的进口附件62。短半径弯管进口附件62也可以帮助泵10获得更高效率。在一些实施例中，进口14和进口附件62可以适应美国国家标准协会/液压协会(ANSI/HI)标准9.8。此外，也可以使用各种出口附件63。进口附件62和/或出口附件63可以通过紧固件(未示出)而与前部壳体24或后部壳体26连接。

在一些实施例中，泵10也可以用于能量回收装置(未示出)，以便进一步增加系统效率。泵10可以与驱动涡轮、容积式泵、活塞型旋转泵等连接。在一个实例中，高压流体可以压入泵10的出口中，从而使得泵能够往回运转。从进口释放的流体可以具有与进入泵10出口的流体相比更小的动能，且能量可以通过由流体在泵10中产生的运动而回收。此外，一个马达20可以用于两个分开的泵10，其中，一个泵10用作供给泵，另一个泵10用作反推泵。

图6显示了用于海水反向渗透(SWRO)设备64中的泵10，该海水反向渗透设备64具有能量回收装置66。低压海水在进口68处进入设备64，并向着泵10或回收装置66(例如压力交换器)行进。泵10使得高压海水朝着反向渗透(RO)隔膜70输送。反向渗透隔膜70在设备出口72处释放低压淡水。高压废水流也在出口74处离开反向渗透隔膜70，并进入回收装置66，然后，它再通过升压泵76而循环返回至反向渗透隔膜70。最初被导向回收装置66的低压海水也可以作为低压废水流而在出口78处释放。

图7是根据本发明一个实施例的泵10的泵性能的曲线图。图7中所示的泵性能可以是36RO类型竖直定向泵，具有包括三个泵级16的多件式壳体设计。泵10可以制造为具有以下特征，额定参数为：大约每分钟1489转(RPM)；进口直径为大约711毫米；出口直径为大约400毫米；五叶片叶轮具有大约590毫米直径；大约0.066平方米的叶轮孔眼；大约51毫米的球体(sphere)；以及大约13叶片的碗形件(bowl)。如图7中所示，泵10可以达到90％以上的效率(例如以大约每秒400升的流量)。此外，泵10可以以大约每秒300升和大约每秒500升之间的流量达到在大约86％至大约91％范围内的效率。

图8A-8C显示了根据本发明一个实施例用于44英寸水平泵10的尺寸。在图8A-8C中所示的泵10可以有大约27500磅的裸泵重量。在图8A-8C中所示的泵的抽吸喷嘴可以从所示位置旋转大约15度间距。图9是竖向安装的泵10的侧视图，具有用于本发明一个实施例的尺寸。在图8A-9中所示的尺寸单位为英寸，在括号中为毫米。在一个实施例中，图9中所示的泵10可为使用三相、2250马力马达驱动的36RO泵，其中输入电压为大约6600伏，交流电的频率为50赫兹。图9中所示的泵10可以以大约每分钟1489转的转速旋转，以便获得大约每秒400升的流量(每分钟6340加仑)，且总动压头为大约298米。由图9中所示的泵100泵送的流体的额定排出压力可以是大约每平方英寸400磅，泵效率可以为平均大约91％。

图10-23显示了根据本发明一个实施例的装配处理的阶段。前部壳体24、后部壳体26、叶轮30和装有叶片的扩压器28可以在装配处理之前进行分别铸造和机械加工。前部壳体24、后部壳体26、叶轮30和装有叶片的扩压器28的内表面可以机械加工和抛光，以便提供可用于流体流的最高效率。图10显示了泵10的前部壳体24，该前部壳体24准备用于组件的第一级。图11显示了叶轮30下降至前部壳体24中。如图11中所示，叶轮30可以包括推力平衡孔。推力平衡孔可以在各泵级16中使得各推力平衡，从而不需要平衡鼓或平衡盘。图12显示了叶轮30安装在前部壳体24中且轴32正降低至叶轮30中。图13显示了前部壳体24、叶轮30、轴32和扩压器28降低至前部壳体24中。图14显示了第一和第二前部壳体24、轴32、处于第一前部壳体24内部的位置中的扩压器28以及后部壳体26。图15显示了装配后的第一级以及通过定位第二叶轮30而正在装配的第二级。图16显示了通过定位第二扩压器28而装配的第二级。图17显示了通过定位第二后部壳体26而继续装配第二级以及通过定位第三前部壳体24而开始装配第三级。图18显示了通过定位第三后部壳体26而继续装配第三级，并显示了出口附件(即排放头)63的一部分。图19显示了在与马达20连接之前的、装配的三级泵10。在装配处理中的该时间点，可以检查轴32的直线性。

图20显示了根据本发明一个实施例的排放头63的另一部分。图21显示了与三级泵10连接的排放头63以及一段管。图22显示了用于三级泵10的马达20。图23显示了与排放头63和输出管连接的马达20。

图24是泵10的一个实施例的测试数据的表格。图25包括用于泵10的一个实施例的测试数据的三个曲线图。图26是用于小型海水反向渗透泵的极差控制图。

本领域技术人员应当知道，尽管上面已经结合特殊实施例的实例介绍了本发明，但是本发明并不需要这样限制，附加权利要求将包含多种其它实施例、实例、用途以及这些实施例、实例和用途的变化和改变。这里引用的各专利和文献的整个内容将被本文参引，就象各专利或文献均单独作为参考而结合于该文件中。本发明的各种特征和优点在下面的权利要求中提出。

Claims (8)

1.一种高效的多级泵，用于泵送流体，并由马达驱动，该多级泵包括：

三个泵级，这三个泵级中的各泵级均包括前部壳体、后部壳体、叶轮和装有叶片的扩压器；

前部壳体和后部壳体能够拆卸地环绕叶轮和装有叶片的扩压器连接；

流体以大约每秒300升和大约每秒500升之间的流量且以大约86％和大约91％之间的效率而被泵送通过所述三个泵级。

2.根据权利要求1所述的多级泵，还包括：进口和出口，其中，马达在进口处驱动所述多级泵。

3.根据权利要求2所述的多级泵，还包括：短半径弯管，该短半径弯管安装在进口上。

4.根据权利要求1所述的多级泵，其中，所述叶轮包括：叶轮孔眼，该叶轮孔眼接收流体；以及叶轮叶片，该叶轮叶片基本径向向外释放流体；其中，装有叶片的扩压器包括将流体朝所述三个泵级中的一个导引的扩压器叶片。

5.根据权利要求4所述的多级泵，其中：叶轮叶片的倾斜角在大约18度和大约22.5度之间。

6.根据权利要求1所述的多级泵，其中：前部壳体、后部壳体、叶轮和装有叶片的扩压器由不锈钢制造。

7.根据权利要求1所述的多级泵，其中：前部壳体、后部壳体、叶轮和装有叶片的扩压器通过铸造处理来制造。

8.一种用于装配多级泵的泵级的方法，该方法包括：

分别铸造前部壳体、后部壳体、叶轮和装有叶片的扩压器；

机械加工所述前部壳体、后部壳体、叶轮和装有叶片的扩压器；

抛光所述前部壳体的第一内表面、抛光所述后部壳体的第二内表面、抛光所述叶轮和抛光所述装有叶片的扩压器；以及

使得所述前部壳体和后部壳体能够拆卸地环绕叶轮和装有叶片的扩压器连接在一起。

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