CN103016362B - 一种用于提升粗颗粒固液两相浆体的多级电泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于提升粗颗粒固液两相浆体的多级电泵，其包括电泵外壳体，置于电泵外壳体内的带止推轴承的双出轴潜水电机、上部泵和下部泵，上部泵和下部泵分别置于潜水电机的上端出轴与下端出轴，电泵外壳体和潜水电机外壳之间设有两通道环形流道，该两通道环形流道的两端通过上部吸入壳和下部吸入壳与上部泵的流道和下部泵的流道无缝联接，形成电泵的整体流道，粗颗粒浆体可以畅通地从该流道流过或者回流，本发明解决了粗颗粒在流道中的滞留或者回流引起的流道堵塞问题，且具有结构合理、操作简单、通过与回流粗大颗粒和高扬程的特点。

Description

一种用于提升粗颗粒固液两相浆体的多级电泵

技术领域

本发明涉及固液两相水力提升装备领域，具体为一种用于提升粗颗粒固液两相浆体的多级电泵，主要用于海洋矿产资源开采系统通过管道将海底矿物从海底提升到水面采矿船上，亦可用于陆地深部矿产资源开采系统中将矿物从井底深部提升到地表面。

背景技术

海洋矿产资源开采作为21世纪最有前景的新兴产业，为世界各国所普遍重视。占地球表面49%的国际海底区域蕴藏着锰结核、富钴结壳、热液硫化物、多金属软泥等丰富的金属矿产资源，是地球上尚未被人类充分认识和利用的最大的潜在战略资源基地，其开采方法引起各国高度重视和极大研究热情，在研发的连续绳斗采矿系统、穿梭艇式采矿系统、管道提升采矿系统的三种采矿方法中，目前公认管道水力提升采矿系统最具有未来商业开采应用前景，该采矿方法的研究重点集中在采用提升电泵加竖直管道的水力提升方法，通过竖直管道和提升电泵将海底矿物提升到水面采矿船上，要求提升电泵串接在竖直管道中，其工作水深大，需承担电泵以下管道和水下采矿设备的重量及其动载荷，并要求提升电泵具有高扬程、通过和回流粗颗粒海底矿物浆体的能力，因此提升电泵是深海矿产资源开采系统中的核心装备，在未来的深海采矿中占据十分重要的地位。

国内外均对这种提升粗颗粒固液两相浆体的电泵进行研究开发。德国KSB研制了六级潜水提升电泵。该泵流道的当量内径为75mm，通过结核的最大粒径只有25mm，因此通过和回流粒径大于25mm的粗颗粒存在堵塞的问题，六级泵的六组叶轮和导叶安装在同一轴上，泵轴的荷载过大引起泵的振动与磨损；日本荏原制作所研制了八级离心式提升泵，该泵由上部泵和下部泵组成，潜水电机装在两个水泵中间，上下泵均为四级，下部泵的出口和上部泵的入口用短管连接，发生意外停泵的情况，上部泵出口位置安装的阀门关闭，同时安装在与泵体平行的旁路管道的阀门开启，提升泵以上管道中的颗粒通过旁路管道流入提升泵下部的管道，从泵型和泵结构分析，该泵存在停泵后海底矿物颗粒回流不顺畅的问题，并且泵的阀门控制易于发生故障。

国内申请人邹伟生在“十五”和“十一五”期间进行了海洋采矿提升电泵的研制，完成了四级提升电泵的设计，并按照四级电泵的设计加工制造了两级提升电泵，并在30米水深的泵试验井中进行了实验验证，发现电泵的流道和电泵的结构可以进一步优化和改进。

发明内容

针对现有提升粗颗粒固液两相浆体电泵目前存在易堵塞等技术难点，本发明旨在提供一种用于提升粗颗粒固液两相浆体的多级电泵，该电泵结构与受力合理、运行安全可靠、能畅通无堵塞地通过和回流最大粒径为50mm，可大幅度地提高泵的流道和电机外壳环形流道的粗颗粒过流和回流能力，解决由于电泵多级串联引起的堵塞等问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种用于提升粗颗粒固液两相浆体的多级电泵，包括电泵外壳体，装在电泵外壳体内的上部泵和下部泵，以及位于上部泵与下部泵之间的潜水电机；其结构特点是，所述电泵外壳体包括泵筒体、连接在泵筒体上端的吐出法兰和连接在泵筒体下端的吸入法兰；所述潜水电机的上端出轴通过上部吸入壳与上部泵联接，该潜水电机的下端出轴通过下部吸入壳与下部泵联接；所述上部泵和下部泵均包括泵轴和装在泵轴上的多级叶轮和相应级数的空间导叶，其中位于所述上部泵顶部的上部泵末级空间导叶通过法兰与所述吐出法兰联接，位于所述下部泵底部的首级空间导叶通过法兰与所述吸入法兰联接；所述电泵外壳体和潜水电机的外壳之间设有环形流道，该环形流道的上端通过上部吸入壳与上部泵的流道无缝联接，该环形流道的下端通过下部吸入壳与下部泵的流道无缝联接。

由此，整个多级泵的流道为畅通的流线型整体流道。

以下为本发明的进一步改进的技术方案：

作为一种优选方案，所述潜水电机为带止推轴承的双出轴潜水电机。

为了实时监测电泵进出口的压力，所述吐出法兰上装有在线测量提升电泵压力的进口压力传感器和出口压力传感器。

所述叶轮固定安装在泵轴上，并与空间导叶一一对应，泵轴与导叶通过轴承联结；为减少固体颗粒进入轴承，提高轴承的使用寿命，所述上部泵和下部泵的每级叶轮与相应的空间导叶之间均设置有过滤防砂圆盘。

所述吐出法兰与上部竖直提升管道相联，所述吸入法兰与下部竖直提升管道相联。

所述吐出法兰上通过电缆接头与电机电缆相连。

所述环形流道为对称设置在潜水电机外壳两侧的两通道环形流道，环形流道的当量直径为待提升颗粒直径的2.5倍~3.5倍。由此，所述泵筒体与潜水电机外壳之间的圆环中设置有环形流道，为提高粗颗粒在环形流道中的上升速度预防粗颗粒在环形流道中的滞留，环形流道采用左右对称分布的两通道的流道，两通道环形流道的当量直径的设计原则为最大粗颗粒粒径的3倍左右，并确保两通道环形流道中的设计流速为最大颗粒沉降流速的2.5倍，这样合理解决了粗颗粒在电机外壳环形流道中堵塞的问题。

所述上部泵内的叶轮级数和空间导叶级数与下部泵内的叶轮级数和空间导叶级数相同。

所述上部泵和下部泵均包括四级叶轮和四级空间导叶。

藉由上述结构，所述用于提升粗颗粒固液两相浆体的新型电泵主要包括电泵外壳体1、带止推轴承的双出轴潜水电机2、下部泵3、下部吸入壳4、上部吸入壳5、上部泵6和电机外壳两通道环形流道7等。所述电泵外壳体1由泵筒体8、吸入法兰9和吐出法兰10组成，根据提升电泵的级数，泵筒体8可以由三节圆筒组成，吸入法兰9的下端与下部竖直提升管道联接，吐出法兰10的上端与上部竖直提升管道联接，电泵外壳体1承担电泵以下提升管道和水下采矿设备的重量及其动载荷。所述下部泵3由下部泵轴11与下部的叶轮和空间导叶组成，上部泵6由上部泵轴12与上部的叶轮和空间导叶组成，上部泵3、下部泵6的级数为整体电泵级数的一半，并决定叶轮和空间导叶的组数。

所述双出轴潜水电机2的下端出轴与下部泵轴11采用下部套筒联轴器13刚性联接，下部泵3的水力轴向力及泵转子的重量通过套筒联轴器13传递到电机下端的止推轴承上；双出轴潜水电机2的上端出轴与上部泵轴12采用上部套筒联轴器14刚性联接，上部泵的水力轴向力及泵转子的重量通过套筒联轴器14传递到电机上端的止推轴承上。电机2的下端面通过下部吸入壳4与下部泵3的末级空间导叶15采用法兰联接，下部泵的首级空间导叶16与电泵的吸入法兰9通过定位销定位；电机2的上端面通过上部吸入壳5与上部泵6的首级空间导叶17采用法兰联接，上部泵6的末级空间导叶18与电泵的吐出法兰10联接。下部泵3和上部泵6的各级空间导叶之间亦采用法兰联接，各法兰联接面之间设有O形密封圈，空间导叶和吸入壳承受泵与电机的重量和轴向推力，并通过电泵的吐出法兰10传递电泵外壳体1上。

根据提升工况对电泵扬程的要求，提升电泵可设计成八级，甚至更多级数，所述的下部泵3和上部泵6为电泵总级数的一半，大大缩短了泵的流道，泵的叶轮和空间导叶具有混流泵的特性，使得泵的流道基本沿轴线方向，这样保证了异常情况停泵后粗大颗粒回流通过流道的能力，解决了粗大颗粒在泵流道内的堵塞问题。电泵每级扬程50米水柱，八级电泵可达400米水柱的扬程，完全可以满足深海采矿对提升电泵高扬程的要求。

海底矿物粗颗粒固液两相浆体从下部提升管道通过吸入法兰9流入下部泵3的首级叶轮20，经首级叶轮20加压后由导叶16引导进入第二级叶轮加压，直到浆体从下部泵的末级空间导叶15流出进入由下部吸入壳4和上部吸入壳5联接的电机外壳两通道环形流道7，浆体从上部吸入壳5流出进入上部泵6的首级叶轮21并加压，浆体从上部泵末级空间导叶18流出经吐出法兰10流入上部提升管道。

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，提升电泵外壳体1呈圆柱形结构，带止推轴承的双出轴潜水电机2的下出轴和上出轴分别通过下部吸入壳4和上部吸入壳5与下部泵3和上部泵6用法兰联接，同时将电机外壳的双通道环形流道7与电机2的外壳固定好，并保证电机外壳双通道环形流道7的两端与下部吸入壳4和上部吸入壳5无缝联接，从而组成畅通的流线型整体流道，然后将上部泵6的末级空间导叶18与电泵的吐出法兰10联接，其次将上部泵6、下部泵3、电机2和吐出法兰10的联接体整体装入到电泵筒体8中，对准好下部泵3的首级空间导叶20和吸入法兰9的定位销，最后将电泵筒体8的上部法兰与吐出法兰10固定联接，将电泵筒体8的下部法兰与吸入法兰9固定联接。

下部泵3的首级空间导叶20与吸入法兰9之间的联接、下部泵的末级空间导叶15与下部吸入壳4之间的联接、上部吸入壳5与上部泵6的首级空间导叶17之间的联接、上部泵6的末级空间导叶18与吐出法兰10之间的联接以及各级空间导叶之间的联接均为法兰联接，为保证电泵流道的密封性，各法兰联接面都均设有O形圈密封。

空间导叶承受泵和电机的重量与水力轴向力，由上部泵6的末级空间导叶18传递到电泵的吐出法兰10上，泵外壳体1承受电泵以下提升管道和水下设备的静载荷及其动载荷。电泵两端的吸入法兰9和吐出法兰10均具有与提升管道相同的联接方式，以实现提升电泵和提升管道的串接，这样提升电泵就像一节管道一样串接在提升管道中，因此提升电泵的受力更为合理。

所述每级叶轮后、导叶的轴承前均设有过滤防砂圆盘，可以减少或防止浆体进入轴承，减少轴承的磨损，延长轴承的有效使用寿命。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明“提升粗颗粒固液两相浆体的多级电泵”将“多级泵”设计成上部泵3和下部泵6两部分，有效地减小了泵流道的长度，解决了意外停泵粗颗粒通过导叶和叶轮回流引起泵流道堵塞的潜在问题，并可使泵的级数达到八级以上，以满足深海采矿对提升电泵高扬程的要求，使用单台提升电泵便可将5000至6000米水深的海底矿物提升至海面采矿船上，这样大大简化了深海采矿系统。

2)本发明将联接下部泵3和上部泵6的电机外壳环形流道设计成左右对称的双通道流道，确保最大颗粒在流道中的上升速度和流道通过与回流最大粗颗粒的几何尺寸，解决了粗颗粒在电机外壳环形流道中的堵塞问题。

3)通过下部吸入壳4、上部吸入壳5和电机外壳的双通道环形流道7将下部泵3的流道和上部泵6的流道实现无缝隙联接成一体，形成电泵的整体流道，该整体流道几乎沿电泵轴线平行上升，具有很好的流线型，使得整体流道的畅通性好，具有满足海底粗颗粒矿物通过与回流的能力。

本发明专利是在本专利申请人研制的四级提升电泵的基础上提出的，主要用于锰结核、富钴结壳、海底硫化物和多金属软泥等深海底矿物资源开采的管道提升系统中，亦可用于陆地深部矿产资源开采系统中将矿物从井底深部提升至地表面。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构原理图；

图2是图1的轴向剖视图；

图3是图2中Ⅰ处的局部放大图。

在图中

1-外壳体；     2-潜水电机；  3-下部泵下部；      4-下部吸入壳；

5-上部吸入壳； 6-上部泵；    7-环形流道；        8-泵筒体；

9-吸入法兰；  10-吐出法兰；       11-下部泵轴；  12-上部泵轴；

13-下部套筒联轴器；   14-上部套筒联轴器；   15-下部泵末级空间导叶；    

16-下部泵首级空间导叶；     17-上部泵首级空间导叶；

18-上部泵末级空间导叶；     19-过滤防砂圆盘；  20-下部泵的首级叶轮；

21-上部泵的首级叶轮；       22-下部泵的末级叶轮；23-进口压力传感器；

24-出口压力传感器；         25-电缆接头；        26-电机电缆；

27-上部竖直提升管道；       28-下部竖直提升管道。

具体实施方式

本发明的核心为深海矿物资源开采系统提供一种提升固体粗颗粒浆体的电泵，可将海底粗颗粒矿物浆体提升至海面采矿船上，具有畅通地通过与回流粗颗粒的能力和满足深海矿物开采系统所需高扬程的能力，具体实施方式如下：

一种用于提升粗颗粒固液两相浆体的多级电泵，如图1所示，以八级电泵为例，包括由直段圆筒体8和吸入法兰9和吐出法兰10共同组成的电泵外壳体1，电泵外壳体1具有圆柱体对称结构，便于承受电泵以下静载荷及其动载荷和便于串接在提升管道中一起随采矿船拖航运动。电机2的上端出轴采用套筒联轴器14与上部泵轴12刚性联接，上部吸入壳5与电机上端面法兰联接，上部泵3首级叶轮21通过键固定在上部泵轴12上，其次将上部泵首级空间导叶17与上部吸入壳5法兰联接，这样完成上部泵6的首级泵的联接，依次完成上部泵6的第二、第三、第四级泵的联接后，将末级空间导叶18的法兰与电泵吐出法兰10联接。下部泵的联接与上部泵的联接类似，电机2的下端出轴采用套筒联轴器13与下部泵轴11刚性联接，下部吸入壳4与电机下端面法兰联接，下部泵3的末级空间导叶15与下部吸入壳4的法兰联接，其次将下部泵3的末级叶轮22通过键固定在下部泵轴11上，这样完成下部泵3的末级泵的联接，依次完成下部泵3的第三、第二、首级泵的联接后，将电机外壳的双通道环形流道7与电机2的外壳固定好，并保证电机外壳环形流道7的两端与上部吸入壳5的流道和下部吸入壳4的流道无缝对接并固定联接，从而构成畅通的流线型整体流道，最后将上部泵6、下部泵3、电机2和吐出法兰10的联接体装入泵外壳1的圆筒体8中，对准好电泵吸入法兰9与下部泵3首级空间导叶16的定位销，将电泵吸入法兰9和吐出法兰10与圆筒体8下部法兰和上部法兰固定联接。

在本实施例中，每级泵的叶轮与导叶之间设置有过滤防砂圆盘19，可减少或者避免固体颗粒进入轴承，以提高泵轴承的使用寿命。

在本实施例中，在电泵的吐出法兰10附近安装有电泵进口压力传感器23和出口压力传感器24，其信号线与电机2供电铠装电缆沿上部提升管道接入采矿船的测控系统，可瞬时监测电泵工作时扬程的变化情况。

在本实施例中，吸入法兰9的下端和吐出法兰10的上端具有与提升管道相同的联接方式，可实现提升电泵与提升管道的快速串接。

在本实施例中，电泵的正常启动采用软启动方式，电泵的整个工作过程由采矿船上测控系统控制，控制画面上显示电泵的启动步骤和工作过程扬程曲线的变化情况。

本发明的工作原理与过程：

提升电泵串接在提升管道中，随采矿系统一起布放，采矿系统布放完毕且准备好后，电泵被淹没在一定水深的位置，通过软启动装置启动提升电泵，电机双出轴分别带动下部四级泵叶轮和上部四级泵叶轮开始旋转，并至额定转速，提升管道中的清水通过电泵一级一级加压后，形成一定流速的管道上升流动，当海底集矿机工作，采集的海底矿物经破碎后通过给料机给入海底提升管道的吸入口，提升管道中形成固液两相浆体上升流，固液两相浆体经过下部泵的加压后，通过电机外壳的双通道环形流道，再经过上部泵的加压后，将海底矿物颗粒提升至水面采矿船上。采矿系统正常停车要求集矿机停止工作后，提升电泵仍然工作一段时间，直到把整个提升管道中的固液两相浆体提升至水面采矿船上，然后停止电泵的运行。如果出现异常，电泵紧急情况停车，电泵以上提升管道中的海底矿物颗粒回流经过电泵的上部泵流道、中间的电机外壳两通道环形流道和电泵的下部泵流道，经下部提升管道，从提升管道底部的吸入口落回海底，这样提升电泵即使在紧急情况下停车，也不会出现颗粒在电泵流道中堵塞的现象。

以上所述仅是本发明专利的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施案例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域或者相关领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰都应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1. 一种用于提升粗颗粒固液两相浆体的多级电泵，包括电泵外壳体（1），装在电泵外壳体（1）内的上部泵（6）和下部泵（3），以及位于上部泵（6）与下部泵（3）之间的潜水电机（2）；其特征在于，所述电泵外壳体（1）包括泵筒体（8）、连接在泵筒体（8）上端的吐出法兰（10）和连接在泵筒体（8）下端的吸入法兰（9）；所述潜水电机（2）的上端出轴通过上部吸入壳（5）与上部泵（6）联接，该潜水电机（2）的下端出轴通过下部吸入壳（4）与下部泵（3）联接；所述上部泵（6）和下部泵（3）均包括泵轴和装在泵轴上的多级叶轮和相应级数的空间导叶，其中位于所述上部泵（6）顶部的上部泵末级空间导叶（18）通过法兰与所述吐出法兰（10）联接，位于所述下部泵（3）底部的首级空间导叶（16）通过法兰与所述吸入法兰（9）联接；所述电泵外壳体（1）和潜水电机（2）的外壳之间设有环形流道（7），该环形流道（7）的上端通过上部吸入壳（5）与上部泵（6）的流道无缝联接，该环形流道（7）的下端通过下部吸入壳（4）与下部泵（3）的流道无缝联接；所述潜水电机（2）为带止推轴承的双出轴潜水电机。

2. 根据权利要求1所述的用于提升粗颗粒固液两相浆体的多级电泵，其特征在于，所述吐出法兰（10）上装有在线测量提升电泵压力的进口压力传感器和出口压力传感器。

3. 根据权利要求1所述的用于提升粗颗粒固液两相浆体的多级电泵，其特征在于，所述上部泵（6）和下部泵（3）的每级叶轮与相应的空间导叶之间均设置有过滤防砂圆盘（19）。

4. 根据权利要求1所述的用于提升粗颗粒固液两相浆体的多级电泵，其特征在于，所述吐出法兰（10）上通过电缆接头（25）与电机电缆（26）相连。

5. 根据权利要求1所述的用于提升粗颗粒固液两相浆体的多级电泵，其特征在于，所述环形流道（7）为对称设置在潜水电机（2）外壳两侧的两通道环形流道，环形流道（7）的当量直径为待提升颗粒直径的2.5倍~3.5倍。

6. 根据权利要求1所述的用于提升粗颗粒固液两相浆体的多级电泵，其特征在于，所述上部泵（6）内的叶轮级数和空间导叶级数与下部泵（3）内的叶轮级数和空间导叶级数相同。

7. 根据权利要求1或6所述的用于提升粗颗粒固液两相浆体的多级电泵，其特征在于，所述上部泵（6）和下部泵（3）均包括四级叶轮和四级空间导叶。