CN103069171A - 离心泵 - Google Patents

Abstract

一种离心泵，具有至少一个叶轮（32）、泵壳和电动机。泵具有Q-H泵曲线（4），该曲线具有零流量时的水头H₀（28）和对应最高液压功率的水头H_ref（30），且H_ref（30）大于H₀（28）。泵的能耗率低，对应于泵在大多数时间里的运行状态的低流量时尤其如此。因此，根据本发明的泵比现有技术的离心泵能耗更低。

Description

离心泵

技术领域

本发明主要涉及单速循环泵。本发明更具体而言涉及在典型操作模式中能耗率低的循环泵。

背景技术

通过调节泵的速度来降低泵的能耗率是公知的。这例如可通过使用泵中的变频器来进行。然而，该方案的技术要求和成本较高。因此，期望有比该方案更廉价的替换方案。

当在操作期间能够改变泵的速度时，可以使泵速适合实际压力和流量要求，然而当操作单速泵时，大量能量会被用来形成比所需压力更高的压力。因此，不能调节的泵通常是耗能的。通常，只有大约5-10%的时间要求泵执行到其最大功率，所以通过按实际需求来调节泵能够节约许多能量。

通过使用各种调节方法（诸如比例压力调节和恒定压力调节等），可以调节泵。然而，泵的速度调节需要诸如变频器等调节装置，而变频器对泵而言是昂贵的附加部件。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种降低能耗率的较便宜的泵。

本发明的目的由具有权利要求1中限定的特征的泵来实现。

从下文给出的权利要求书和说明书，本发明的适用性的优选实施例、优点和进一步的范围将变得明显。

根据本发明的离心泵包括至少一个叶轮、泵壳和电动机。泵具有Q-H泵曲线，该曲线具有零流量时的水头H₀和对应最高液压功率的水头H_ref，且H_ref大于H₀。因此，泵的能耗率低，对应于泵在大多数时间里的运行状态的低流量时尤其如此。因此，根据本发明的泵比现有技术的离心泵能耗更低。

在本发明的一个实施例中，至少一个叶轮包括成形为使得H_ref大于H₀的叶片。举例而言，如果叶片向前弯，在Q-H泵曲线上，H_ref将大于H₀（其中，H₀表示零流量时的水头，H_ref表示对应最高液压功率的水头）。

前掠叶片从径向内侧沿旋转方向向径向外侧偏斜或弯曲。

在本发明的泵的一个实施例中，Q-H曲线的第一部分是流量的上升函数。由此，能够实现具有H_ref大于H₀的Q-H曲线，更明确地实现在低流量时能耗低的泵。

还可以具有整个Q-H曲线是流量的上升函数的泵。

在本发明的另一实施例中，Q-H曲线的末尾部分是流量的下降函数。由此，能够实现泵具有减小的功耗率，使得能够避免电动机过载。可以有若干方式来实现Q-H曲线的末尾部分下降。举例而言，这可通过选择以高水头限制流速的泵壳的几何尺寸来实现。例如泵壳可以被设计成使得横截面积以蜗壳的形式被减小或能够作为水头的函数被减小。这将导致在高水头时被限流。进一步，例如还可以使用特殊设计的叶轮来实现高水头时的限流。例如，叶轮可构造为使得前板与后板之间的距离能够作为水头的函数来改变。

在本发明的一个实施例中，泵壳和/或叶轮被构造为引起流量限制，该流量限制使得作为流量的函数的Q-H曲线的末端部分下降。术语流量限制的意思是限制流量。流量限制装置例如可以是具有特定几何结构的叶轮或泵壳。

在本发明的另一实施例中，叶轮具有前掠叶片。前掠叶片可有助于上升的Q-H曲线。此外，叶轮的尺寸可最小化，因为如果条件相同，则具有前掠叶片的叶轮能够比具有后掠叶片的叶轮产生更高的流量。即使叶轮具有前掠叶片，叶轮也可以按各种方式构造。

在本发明的另一实施例中，泵具有同步电动机。由于同步电动机的效率相对高（尤其是在低流量时），所以这是一个优势。

同步电动机以行频率同步操作。转速由电极对的数量和行频率确定。同步电动机非常高效，因此通过使用同步电动机可以实现能耗率低的泵。

在根据本发明的一个实施例中，电动机在运行期间以恒定速度工作。这能够通过使用同步电动机来实现。

在根据本发明的一个实施例中，泵是循环泵。循环泵可以是无压盖（湿操作器，wet-runner）泵。这个泵例如可用于高温的家用热水和空气调节的应用。

在根据本发明的另一实施例中，电动机是直接起动的永磁电动机。直接起动的永磁电动机基本上是具有固定磁化强度的同步电动机和异步电动机的组合体。在直接起动的永磁电动机中，没有磁场绕组，而是使用永磁体以便提供必需的励磁通量。

没有转子绕组的同步电动机在不同步的速度时没有净转矩。为了由稳频电源（例如电力网）起动电动机，不得不在转子中使用一些种类的起动绕组。在起动期间，在转子绕组中感生电流。这些电流与定子磁通量场相互作用，以产生加速转子的异步转矩。当转子的速度充分接近同步速度时，而且在负载转矩和惯性不太高的条件下，转子将被拉入同步。在转子被同步后，异步转矩消失，电动机充当同步电动机，只是转子的磁化强度由永磁体供应而非由磁场绕组中的DC电流供应。

在根据本发明的一个实施例中，叶片呈弧形，并沿叶轮板的周边对称分布。通过该叶轮构造，可以产生大流量并实现期望的Q-H泵曲线，其中

-Q-H曲线的第一部分是流量的上升函数；

-Q-H曲线的末尾部分是流量的下降函数；以及

-H_ref大于H₀（其中，H_ref是对应最高液压功率的水头，而H₀是在零流量时的水头）。

根据本发明的另一实施例中，叶轮包括第一组叶片和第二组叶片，第一组叶片中的叶片比第二组叶片长，而且第一组叶片和第二组叶片沿叶轮板的周边交替分布。由此，能够实现具有期望属性的Q-H曲线。

在根据本发明的一个实施例中，在（2/3）处，H_ref≥H₀。具有含这些属性的Q-H曲线的泵消耗的能量将比现有技术的离心泵消耗的能量少得多。

根据本发明还可以具有这样的泵，其中在（3/5）处，H_ref≥H₀。具有这样的Q-H曲线的泵消耗的能量同样将比现有技术的离心泵消耗的能量少得多。

附图说明

从下文给出的详细描述和只作为解释给出并因此不限制本发明的附图，本发明将能够被更全面地理解，其中：

图1示出根据本发明的一个实施例的Q-H曲线；

图2是现有技术的Q-H曲线；

图3a示出图2所示的现有技术的Q-H曲线；

图3b示出具有图3a所示的Q-H曲线的泵的功率-流量曲线；

图4a示出图1所示的现有技术的Q-H曲线；

图4b示出具有图4a所示的Q-H曲线的泵的功率-流量曲线；

图5是图3a和图4a中所示的功率-流量曲线的对比；

图6a示出根据本发明的另一实施例的Q-H曲线；

图6b示出根据本发明的第三实施例的Q-H曲线；

图7a示出不同的叶片角度的Q-H曲线的示意图；

图7b示出三种不同叶轮的示意图；以及

图8示出根据本发明的一个实施例的叶轮。

具体实施方式

从下文给出的详细描述，本发明的适用性的其它目的和进一步范围将变得明显。然而，应理解，在说明本发明的优选实施例时，详细描述和具体示例仅作为示例给出，因为从该详细描述中，权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的各种改变和更改对于本领域技术人员而言将变得明显。

离心泵的泵吸性能通常表现为Q-H曲线的形式，该Q-H曲线描绘了作为泵的流量（例如以m3/h计量）的函数的水头H（head H，通常以m计量）。Q-H曲线的斜率由泵的构造、具体地由叶轮的设计确定。

大部分循环泵设有具有后掠叶片的叶轮。这种类型的叶轮产生的是水头随着流量增大而减小的Q-H曲线（见图2）。

液压功率P_h由以下等式（1）给出

（1）   P_h=H·g·ρ·Q

其中H是水头，g是重力，ρ是流体的密度，Q是流量。

为了计算泵的液压部分（泵壳和叶轮）的液压效率η_h，需要知道供应到泵的液压部分的功率P_n以及泵传递到流体的功率P_h。这由以下等式（2）给出：

(2) ${\mathrm{\η}}_h=\frac{P_h}{P_n}$

为了计算泵的总效率η_t，需要知道供应到控制器（如果有的话）和电动机的总功率P_t以及泵传递到流体的功率P_h。这由以下等式（3）给出：

(3) ${\mathrm{\η}}_t=\frac{P_h}{P_t}$

泵的总效率由以下等式（4）给出：

（4）   η_t=η_控制·η_电动机·η_h

其中η_控制是控制器的效率，η_电动机是电动机的效率。

泵的效率最高处的流量被称为最佳点。

当按照Q-H曲线工作时，一般关注的是零流量时的水头H₀和对应最高液压功率P_h最大的水头H_ref。这些点是泵的特性所在。在现有技术的离心泵的Q-H曲线上，H₀大于H_ref，而且H曲线通常是Q的下降函数。如果我们观察现有技术的离心泵的功率-流量曲线，其功耗较高，在低流量时尤其如此。泵在大部分时间里都是在低流量区域里运行。因此，能耗较少的泵是有利的，在低流量区域里尤其如此。

速度调节泵用于根据实际需要调整产生的压力。速度调节需要调节电动机。在许多泵中，变频器用于调节电动机的速度，然而，该方案昂贵且有技术要求。另一方面，许多不能调节的电动机效率低下。高效（尤其是在低负载下的高效）能够通过使用直接起动的永磁电动机来实现。直接起动的永磁电动机典型地具有显著的位置电感差（在D轴和Q轴的电感差）。这个差给出磁阻转矩，使得电动机产生的总转矩由回正转矩（alignment torque）和磁阻转矩的组合给出。通过调节液压负载和具体应用的几何构造，磁阻转矩能够用于增大电动机在较低负载下的效率（在最大负载下的效率稍微减小）。由此能够降低能耗。

将直接起动的电动机和具有H_ref大于H₀的Q-H曲线的泵进行组合可避免使用变频器。高效泵可通过将直接起动的电动机和具有H_ref大于H₀的Q-H泵曲线的泵进行组合而实现。因此，本发明可以制成比现有技术的高效泵更便宜的高效泵。

传统上，不能调节的泵装配有手动的速度转换装置（例如可设定三种不同速度的旋转球形柄）。大多数泵制造商关注于生产具有不同调节曲线的泵。直接起动的电动机通常用于需要准确且恒定的速度的应用。一种这样的应用的示例是传送带。

如果泵设有直接起动的电动机，则没有速度调节配件。因此，泵制造商为他们的泵提供其它类型的电动机。然而，本发明的泵装配有直接起动的电动机。由此，与传统的（尤其在较低负载下的）异步电动机相比，效率得以增大。

为了解释本发明的优选实施例，下面详细参照附图，图1中示出了根据本发明的优选实施例的Q-H曲线4。Q-H曲线4示出了作为流量（Q）6的函数的液压头（H）2（在下文被称为“水头”）。从图1中能够看到，Q-H曲线4的第一部分8（大约前2/3）具有正斜率。这意味着Q-H曲线4的第一部分8上升。此外，能够看到，Q-H曲线4的后一部分10（大约后1/3）具有负斜率。因此，Q-H曲线4的后一部分10下降。能够看到，H_ref30大于H₀28（H_ref是对应最高液压功率的水头，H₀是零流量时的水头）。此外，指出了Q-H曲线4的总体最大处24，而且能够看到，（QH）_ref向Q-H曲线4的总体最大处24的右侧稍微偏离。

图2示出了现有技术的Q-H曲线4（水头2作为流量6的函数）。能够看到，水头（H）2是流量（Q）6的下降函数。该Q-H曲线4对应于典型的离心式循环泵的Q-H曲线。能够看到，H₀28大于H_ref30（H_ref是对应最高液压功率的水头，H₀是零流量时的水头）。

图3a示出了图2中所示的Q-H曲线4，图3b示出了具有图3a中所示的Q-H曲线4的现有技术的泵的对应的功率-流量曲线12（功率（P）14作为流量（Q）16的函数）。在图3b中能够看到，最大流量Q_100%22、与最大流量Q_100%22的25%相对应的流量Q_25%16、与最大流量Q_100%22的50%相对应的流量Q_50%18、与最大流量Q_100%22的75%相对应的流量Q_75%20在功率-流量曲线12上都位于较高处（所示的功率值16、18、20和22）。

图4a示出图1所示的Q-H曲线4，图4b示出具有图4a中所示的Q-H曲线4的泵的功率-流量曲线12（功率（P）14作为流量（Q）6的函数）。在图4b中能够看到，与最大流量Q_100%22的25%相对应的流量Q_25%16、与最大流量Q_100%22的50%相对应的流量Q_50%18、与最大流量Q_100%22的75%相对应的流量Q_75%20都与较低功率值16、18、20关联，不同于图3b所示的现有技术的泵的曲线4的情况。

图5示出了图3a和图4a所示的功率-流量曲线的对比。从图5中能够看到，现有技术的功率-流量曲线38以及对应具有根据本发明的Q-H曲线4（图4a所示）的泵的功率-流量曲线40两者的最大流量Q_100%22’、22’’几乎一致。如果我们观察对应本发明的功率-流量曲线40，则能够看到与最大流量Q_100%的25%相对应的流量Q_25%16’’的功率值显著地低于现有技术的流量Q_25%16’的功率值。还能够看到，与最大流量Q_100%的50%相对应的流量Q_50%18’’的功率值显著地低于现有技术的流量Q_50%18’的功率值。除此之外，与最大流量Q_100%的75%相对应的流量Q_75%20’’的功率值显著地低于现有技术的流量Q_75%20’的功率值。因此，根据本发明的泵将具有低能耗率。

图6a示出根据本发明的实施例的Q-H曲线4。在Q-H曲线4中，水头（H）2相对于流量（Q）6进行绘制。Q-H曲线4的大约前2/3处8具有正斜率，因此Q-H曲线4的第一部分8上升。Q-H曲线4的大约后1/3处10具有负斜率，因此Q-H曲线4的后一部分10下降。H_ref30大于H₀28（H_ref是对应于最高液压功率的水头，H₀是在零流量时的水头）。除此之外，Q-H曲线4的总体最大处24与（QH）_ref26几乎一致。

图6b示出根据本发明的另一实施例的Q-H曲线4。该Q-H曲线4与图6a中所示的Q-H曲线4大致相同，然而；该Q-H曲线4的总体最大处24与（QH）_ref26相对于彼此错开。（QH）_ref26位于Q-H曲线4的总体最大处24的右侧。

图7a示出了对于不同的叶片角度的理论Q-H曲线42、44、46的示意图。在这些曲线42、44、46中，高度2相对于流量6进行绘制。在图7b中示出叶片角度β，其代表叶轮的外周边与叶片的外侧之间的角度。图7a示出后掠叶轮具有减小的理论Q-H曲线46。图7a还示出前掠叶轮具有增大的理论Q-H曲线46。还能看到，叶轮的外周边与叶片的外侧之间的叶片角度β为90°的中性叶轮结构的理论Q-H曲线44是平的（水平）。

术语前掠叶片的意思是角度β大于90°，其中角度β被定义为叶轮32的外周边与叶片34的外侧之间的角度。术语后掠叶片的意思是角度β小于90°。术语中性叶片34的意思是角度β等于90°。

图7b示出叶片角度β分别小于90°、等于90°和大于90°的三种不同叶轮32类型的示意图。图中示出了叶轮36的旋转方向和叶片34。

图8示出根据本发明的一个实施例的叶轮32。叶轮32包括第一组叶片34和第二组叶片35，其中第一组叶片34比第二组叶片35长，而且第一组叶片34和第二组叶片35沿叶轮板48的周边交替分布。第一组叶片34包括十个叶片，第二组叶片35也包括十个叶片。当沿着叶轮32的转向36观察时，能够看到因为叶轮32的外周边与叶片34、35的外侧之间的角度大于90°，第一组叶片34和第二组叶片都向前弯。

图9示出具有大量后掠叶轮34（即，叶片相对于转向36偏斜或弯曲）的典型叶轮32。如图所示，转向36为逆时针，转速表示为ω，还示出了叶轮32的半径r。流体的绝对速度C由叶轮32的切向速度U与相对于叶轮32的相对速度W之和给出。这些速度C、U和W用箭头指示。叶轮32的切向速度U的大小由半径r与转速ω的乘积给出：

(5)   |U|=r·ω

叶片角度β小于90°。

图10示出具有前掠叶片34（即，叶片沿转向36偏斜）的叶轮32。如图所示，转向36为逆时针，与图9中相同。C沿切平面的投影C_u被示出，并能够看到该前掠叶轮具有以下特性：

(6)    C_u＞U

附图标记清单

2                 液压头

4                 Q-H曲线

6                 流量

8                 Q-H曲线的第一部分

10                Q-H曲线的末尾部分

12                功率-流量曲线

14                功率

16,16’,16’’’  Q_25%

18,18’,18’’    Q_50%

20,20’,20’’    Q_75%

22,22’,22’’    Q_100%

24                Q-H曲线的总体最大处

26               （QH）_ref对应P_h，最大

28                H₀

30                H_ref

32                叶轮

34                叶片

35                叶片

36                转向

38                功率曲线

40                功率曲线

42                理论Q-H曲线

44                理论Q-H曲线

46                理论Q-H曲线

β                叶轮的外周边与叶片的外侧之间的角度

48                叶轮板

Claims (12)

1.一种离心式循环泵，具有至少一个叶轮（32）、一泵壳和一电动机，所述泵具有Q-H曲线（4），所述Q-H曲线（4）具有零流量时的水头H₀（28）和对应最高液压功率的水头H_ref（30），其特征在于，H_ref（30）大于H₀（28）。

2.根据权利要求1所述的离心泵，其特征在于，所述至少一个叶轮（32）包括成形为使得H_ref（30）大于H₀（28）的叶片（34）。

3.根据权利要求1或2所述的离心泵，其特征在于，所述Q-H曲线（4）的第一部分（8）是流量（6）的上升函数。

4.根据前述权利要求之一所述的离心泵，其特征在于，所述Q-H曲线（4）的末尾部分（10）是流量（6）的下降函数。

5.根据前述权利要求之一所述的离心泵，其特征在于，所述泵壳和/或所述叶轮（32）被构造为引起流量限制，该流量限制使得作为流量（6）的函数的所述Q-H曲线（4）的末端部分（10）下降。

6.根据前述权利要求之一所述的离心泵，其特征在于，所述叶轮（32）具有前掠叶片（34）。

7.根据前述权利要求之一所述的离心泵，其特征在于，所述电动机是同步电动机。

8.根据前述权利要求之一所述的离心泵，其特征在于，所述离心泵是湿操作器式的泵。

9.根据前述权利要求之一所述的离心泵，其特征在于，所述电动机是直接起动的永磁电动机。

10.根据前述权利要求之一所述的离心泵，其特征在于，所述叶片（34）呈弧形，并沿叶轮板（48）的周边对称分布。

11.根据前述权利要求之一所述的离心泵，其特征在于，所述叶轮（32）包括第一组叶片（34）和第二组叶片（35），所述第一组叶片（34）比第二组叶片（35）长，所述第一组叶片（34）和所述第二组叶片（35）沿所述叶轮板（48）的周边交替分布。

12.根据前述权利要求之一所述的离心泵，其特征在于，在（2/3）处H_ref≥H₀，优选（3/5）处H_ref≥H₀。

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