CN103597217A - 低磨损浆料泵 - Google Patents

Abstract

一种用于浆料的离心泵，结合了相对于常规配置的设计改变，其产生准层流并实质性地延长了外壳的寿命。外壳的分水间隙增大到叶轮直径的0.20至0.25倍。该外壳包括重新设计的可移除环形衬里，该衬里的直径增大到叶轮直径的至少1.15倍。该泵优选地还具有可轴向调节的磨损环，该磨损环地直径增大到使得其延伸超过磨损环与叶轮之间的接合处区域的直径的至少10%。

Description

低磨损浆料泵

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2011年4月14日的第61/475,631号的美国临时专利申请的优先权。

技术领域

本发明总体涉及用于浆料的泵的领域。尤其是，本发明涉及具有改良的模块化几何构造的离心泵，该改良的模块化几何构造降低了磨损，并允许外壳（casing）部件的更换，从而延长了泵的使用寿命。

背景技术

液体和固体的混合物，诸如在采矿和矿石处理操作中的浆料，典型地通过使用离心泵来移动。泵的旋转叶轮产生压差，该压差将浆料从轴向输入端口移动到泵的径向排出部分。叶轮生成的离心力在输入端口处产生吸力，并使浆料以具有径向分量的相对高的速度排出，这在外壳外围部分的内壁上产生磨蚀（abrasion）。

此外，被卡在旋转叶轮与外壳的静止壁之间的浆料颗粒在泵的这两个部件上都会产生磨损。这个问题在叶轮的吸入侧上更普遍和严重，因为在排出口中的高压液体倾向于通过旋转叶轮与静止前外壳壁之间的间隙流向泵的吸入部分中的低压区。由于这种旁通流产生的磨蚀加宽了此间隙，浆料再循环的量增大，并导致泵液压性能和效率的损失。因此，叶轮前吸入侧上的磨损是尤其不希望出现的。另一方面，叶轮后侧上的磨损不那么明显，因为没有旁通流到达叶轮的轴侧。

由于浆料在叶轮和外壳壁上的这种连续磨蚀，浆料泵最终会发生故障，造成意外停机，并带来高额经济损失。因此，优选需要定期的维护停机，并定期规划班次，以便最小化停机时间。典型地，外壳的寿命确定了泵的最终工作年限，但是在此期间，在计划的维护停机时在外壳吸入侧处的衬里和叶轮需要被更换一次或多次。

为了减少由在叶轮与外壳之间移动的浆料颗粒造成的磨损，在叶轮与围绕其的外壳壁之间的间隙中排出叶片（expelling vane）已经使用了数十年。这些叶片促进了颗粒的排出并且还降低了旁通再循环，但此问题始终是造成不合要求的停机时间的重要因素，无论该停机时间是计划性的还是意外性的。

在美国专利第5,921,748号中解决了这个问题，该专利公开了密封装置，该密封装置实际上消除了在叶轮吸入侧与外壳相应壁之间的间隙的任何增大，因此在泵的寿命期间维持了相对恒定的间隙水平和液压性能。可轴向调节的磨损环被添加到常规的泵配置中，以基本上消除在泵的吸入区中叶轮与外壳壁之间的间隙。由于环会随时间磨损，通过将其向内推来调节其位置，以便维持适当的密封，仅留下足以适合叶轮自由旋转而不产生显著旁通的间隙。此外，为了避免由俘获（trapping）造成的磨损，‘748专利还教导了增大排出叶片的高度，以及将叶片与外壳前吸入壁的衬里之间的间隙的增大到超过浆料中预期的最大颗粒尺寸。

尽管美国专利第5,921,748号中教导的密封和间隙在本技术领域带来了显著的改进，但长期的使用显示额外的磨损问题仍未解决。在外壳的内周壁上的磨损和破损仍然是限值泵外壳寿命的关键因素。此外，尽管‘748发明通过降低叶轮与磨损环之间相接处的压力而显著减小了旁通再循环，但较高的排出叶片以及叶轮与外壳前壁之间的间隙被证明会造成浆料湍流的局部增强，这会发生在外壳衬里与外壳的相接处和外壳衬里与磨蚀环的相接处，该浆料湍流在外壳衬里上产生非常高的磨蚀。结果是，泵的性能被极大地改善，但在外壳的周壁上以及外壳与前衬里的相接处的磨损和破损仍然成为问题，并且仍旧需要一种泵外壳设计，这种设计能提供与泵外壳的其他部分相称的使用寿命。

发明内容

本发明提供了一种离心泵，其结合了相对于常规配置的若干设计改变。该泵具有外壳，该外壳具有叶轮区域和带有分水间隙的蜗壳区域，如常规限定的那样，叶轮适于在叶轮区域内旋转。该分水间隙增大到叶轮直径的0.20倍至0.25倍，这意味着比现有技术的常规设计增大近似50%。此外，该外壳包括限定外壳吸入侧的重新设计的可移除环形衬里。与基本上等同直径的常规设计相比，衬里的外直径增大到为叶轮直径的至少1.15倍。在本发明的用于矿业应用的优选实施例中，环形衬里的直径为叶轮直径的约1.18倍至约1.22倍。

本发明的泵优选地在环形衬里与叶轮吸入侧之间还结合了由美国专利第5,921,748号教导的可轴向调节的磨损环。此外，同样的多个增高排出叶片被添加到叶轮吸入侧，在叶片与环形衬里之间留下的间隙大于浆料颗粒尺寸分布中预计的最大固体颗粒的尺寸。在这样的情况下，根据本发明，磨损环的直径被增大，使得其延伸超过磨损环与叶轮之间的相接区域的直径的至少10%。

根据说明书中的描述且根据在所附权利要求中特别指出的新颖的特征，本发明的不同其他目的和优点将变得很明显。因此，为了完成上述的目标，本发明包括在附图中说明的，在优选实施例的具体描述中充分描述的以及在权利要求中特别指出的特征。然而，这样的附图和说明书公开了可实施本发明的不同方式的仅仅一种。

附图说明

图1是由美国专利第5,921,748号教导的现有技术的泵的剖面图。

图2是根据本发明的泵的剖面图。

图3是本发明的泵的叶轮和蜗壳区域的示意性断面示图，其粗略地示出了在由本发明的泵泵送的浆料中存在的固体的尺寸分布。

图4是通过图1的泵的浆料流分布的示图，显示了产生湍流的不规则速度梯度。

图5是通过图2的泵的改进浆料流分布的示图，显示了根据本发明通过扩大蜗壳的深度产生的准层流。

图6示出在图1的泵上实现的蜗壳深度的增大，以便实现由图2的泵展现的流的改进。

图7示出了由本发明教导的增大的分水（cutwater）间隙与叶轮直径比率。

图8是图3的同一剖面图，更详细地示出了根据本发明的外壳前部的模块化衬里部件。

图9是图8中被圈出的区域的放大视图。

图10是示出根据本发明优选实施例的泵的主要部件的分解图。

具体实施方式

本发明包含对美国专利第5,921,748号中公开的类型的离心浆料泵中使用的外壳常规配置的改变的组合。因此，此现有技术的泵用于描述这些改变。本发明的一个方面包括扩大外壳直径与叶轮直径的比率，以增加浆料在泵的蜗壳部分中的驻留时间，因此减小了浆料中较大固体颗粒碰撞和擦伤外壳的外围表面的速度的径向分量。外壳面向叶轮吸入侧的部分被转变成具有磨损衬里的模块化部段，因此实现了按照需要在计划维护停机期间更换该模块化部段，以与外壳其余部分的更长工作寿命相匹配。根据本发明的另一方面，此部段被重新设计成已被证实会极大地影响其寿命的几何构造。

在本领域中使用时，离心泵外壳上接收由叶轮泵送的流体的部分被称为“蜗壳”。即，蜗壳是限定在由叶轮占据的空间以外的体积的泵外壳部分。通过成形为弯曲的漏斗形，其距离排出端口越近该漏斗形的横截面越大，泵的蜗壳通过降低流体速度将叶轮给予的动能转变成压力，因此平衡了作用在泵轴上的液压。叶轮与外壳之间的最小间隙被称为“分水间隙”，这种间隙最佳地在仅仅水被正在泵送时最小。作为定语，术语“吸入”和“前”可以互换使用，指的是泵的吸入侧。泵的相反、轴侧可互换地称为“后”侧或“压盖（gland）”侧。术语“浆料”按其普通意义使用，指的是固体颗粒在液体中形成的流体混合物，这样的混合物是流体的意义是指其能在泵的推进作用下在管子中被传输。

参考附图，其中相同的参考数字和符号用于相似的部分，根据美国专利第5,921,748号的离心泵在图1中示出，以示出由本发明引入的改变。该泵10包括轴12、叶轮14和静止外壳16。叶轮包括吸入侧14a和压盖侧14b。叶轮14由电机（未示出）经由轴12驱动，并在泵的静止外壳16内绕轴线X—X旋转。浆料经由进入喉部18进入泵，并以高速被强制穿过旋转叶轮（见箭头A）进入泵蜗壳20内的高压区域，浆料从该高压区域经由排出管22排出。

叶轮的吸入侧14a优选地配备有多个径向布置的排出叶片24。叶片24与泵外壳16之间的间隙26优选地大于要泵送的浆料的正常设计输出中最大固体颗粒的预计尺寸。这是为了避免磨蚀固体被俘获在旋转的叶轮叶片24与泵外壳16之间。当泵运行时，叶片24降低了在叶轮吸入侧14a与外壳16之间的区域中的液压，以帮助防止浆料流入该间隙26中。优选的，叶轮的压盖侧14b也配备了形成在叶轮表面中的多个径向设置的叶片28。

基本上为环形的磨损环30设置在泵外壳14的凹进处中，并且在使用时被轴向调节以便紧邻于叶轮吸入侧14a的表面。磨损环30有效地密封叶轮与泵外壳之间的空间，减少了从高压蜗壳20返回到低压入口18中的浆料的旁通流。因此，磨蚀颗粒较不可能被俘获在叶轮与外壳之间。磨损环30被安装在托架（carrier）32上，其在由于磨损而产生需要时，可以借助于从泵外壳外部调节螺钉（未示出）来进行轴向调节。因此，可以有利地在不停止泵的情况下做出调节。

如图2中所示，与‘748号专利中公开的泵的常规设计相比，本发明的泵40的外壳42具有扩大的直径，以便提供更厚的旋转浆料沉积层（bed），以偏转退出叶轮的较大固体的径向轨迹和降低正在泵送的固体颗粒碰撞外壳周壁34的速度。此外，如图3中所示，在外壳外围处较慢地转动的浆料中的大颗粒提供了材料的沉积层，该沉积层还降低了固体对外壳壁34的磨蚀碰撞。

然而，除了上述内容以外，已经发现增大外壳/叶轮直径比还被能提供预料不到的结果，这能显著改变泵蜗壳20中的浆料流的性质。如图4中的轴向截面图中所示，在图1的泵10中的浆料的流速分布图（velocity profile）显示在靠近泵外壳的壁34的位置处有多个高速区域。流速分布图还示出很高程度的紊流（也由径向速度梯度示出），尤其是在泵的排出管22附近的区域。如本领域中技术人员很容易理解到的，浆料流中的紊流是产生管道壁的磨蚀和磨损的重要因素。相比起来，已发现，除以上提到的优点外，本发明教导的增大分水间隙还能在浆料中产生准层流，如图5中的速度图所示。图5中所示出的流速均匀性以及由此带来的紊流消失是完全未预料到的，但它们提供了非常有利的附加优点，因为在等同条件下工作时，相对于图1中的泵10所经受的磨损，它们对显著降低图2中泵40外壳周壁34上的磨损做出了相当大的贡献。

本领域技术人员将认识到，离心泵的蜗壳的特征在于直径逐渐增大。因此，为了清楚起见，增大外壳直径指的是增大泵的分水间隙，而并不显著改变外壳的逐渐增大的轮廓。例如，如图6中所示，图5中的流体分布是通过将泵10外壳的分水间隙C1增大ΔC的量以获得泵40的间隙C2而实现的。尽管可以理解，为实现本发明的目标所需的精确扩大量取决于被泵送的浆料的类型，但为了获得本发明的改进流动和磨损结果，估计分水间隙与叶轮直径的比C/D需要在0.20至0.25的范围内，如图7中所示。

对于图1中的泵配置的另一个问题是在外壳16吸入壁的环形区域36中所经受的相对较高的磨损（见图1）。为了解决这个问题，一些泵外壳设计成包括模块化吸入侧部件，该部件具有计划定期更换的环形衬里。这些衬里的尺寸制造成具有近似于叶轮直径的外直径和使得衬里贴靠磨损环的内直径，其中环与叶轮相接。然而，如从图4提供的信息所见，高紊流的环形区域36从叶轮14的外边缘38径向延伸出约为叶轮半径的15%的距离。区域36还在叶轮的边缘38以下延伸约10-15%。图4示出在此区域中出现的高度紊流，这说明了与外壳其余部分（包括周壁34）相比，外壳16在环形区域36中遭受到相应的非常高的磨损。尽管通过如图2中的泵40这样的泵，利用扩大分水间隙设计能在总体上显著减少紊流，但在外壳前壁的相同环形区域中仍然存在相对较高程度的紊流，如图5中所见。长期以来，此问题已经被证实是泵寿命的限制因素，即使是在使用可更换的衬里时，因为尽管叶轮和衬里可在计划停机时间被定期更换，但外壳永久部分在此区域经常同时遭受的损伤并不能申请更换叶轮和衬里。因此，任何能延长外壳永久部分寿命的解决方案也会延长泵的寿命。

此问题已通过在外壳前部中设置模块化部件44来解决，该外壳前部支撑衬里46，衬里46构成外壳的内壁，如图2、3和7中所示。根据本发明，环形衬里46的尺寸制造成其外直径比叶轮14的直径D大15%到25%（优选的为18%-22%）（尤其是参见图8）。常规做法是，用于衬里46的优选材料基于被泵送的浆料选择。然而，当靠近叶轮边缘的区域36所经受的磨损到较高程度以至于需要进行更换时，外壳前壁的此模块化结构使得能更换该结构，而不需换掉整个外壳，这通常且最好是在已经计划的用于叶轮维护的停机时间期间时进行。

如上所提到的，当使用如美国专利第5,921,748号所教导的磨损环30时，在磨损环与叶轮之间相接的区域中由排出叶片24产生紊流，在吸入衬里与磨损环相接处对吸入衬里造成相当大的侵蚀。此磨损最终引起作为密封件以及磨损环支撑结构的衬里的故障。因此，这是影响两个部件寿命的严重问题。这样，根据本发明的另一方面，增大磨损环的直径，使得该磨损环延伸超过在磨损环与叶轮之间的相接处附近由增大的排出叶片产生的紊流区域。如图9中所示，磨损环30的直径E增大到比磨损环与叶轮14之间的相接处表面48的直径F大10%至14%。已发现此尺寸足以按需要从叶片24产生的紊流中除去环30与衬里46之间邻接处的部分50，以提供对衬里的磨损的实质性改进。

实验性测试已经证明：和那些不具有本文中公开的扩大直径设计和可更换吸入衬里特征的类似泵相比，本发明的泵40无故障运行的工作寿命更长。实际上，由于扩大外壳直径与如所述尺寸的可更换吸入衬里46和磨损环30相结合能实现周壁34磨损的显著减少，这使得能用同一个永久外壳42继续运行很长的工作寿命时间，只需要例行维护停机，以按需要更换叶轮、衬里、磨损环和其他部分。

图10示出本发明优选实施例的不同部件的简化分解视图。本质上，泵40的主要部件包括外壳42和叶轮14，该叶轮14被模块化外壳部件44和衬里46包围。磨损环30在蜗壳与泵的吸入区域之间提供密封。外壳的压盖侧被常规的后衬里52和背板54包围。尽管磨损环30并非新概念，但其具有新颖性的尺寸优化以及与本发明的扩大分水间隙和较大吸入衬里的结合使用，对于实现本发明是优选的。

在本文中由随附权利要求说明和限定的本发明的精神和范围内，可由本领域技术人员对所描述的细节、步骤和部件做出不同改变。因此，尽管在本文中示出和描述的发明被认为是最实际的和优选的实施例，可以认识到在本发明的范围内可偏离该实施例，该偏离不限于本文中公开的细节但符合权利要求的整个范围，以便包含任意和全部的等同处理和产品。

Claims (6)

1.一种用于浆料的离心泵包括：

泵外壳（42），其限定出叶轮区域、蜗壳区域（20），和相应的分水间隙（C，C2）；和

叶轮（14），其适于在所述叶轮区域内旋转，所述叶轮具有预定直径；

其中，所述外壳（42）包括在所述外壳（42）的吸入侧中的可移除环形衬里（46），所述衬里（46）的直径（G）为所述叶轮（14）的所述直径（D）的至少1.15倍；并且所述分水间隙（C，C2）在所述叶轮（14）的所述直径（D）的0.20倍至0.25倍之间。

2.如权利要求1所述的泵，其中所述可移除环形衬里（46）的直径（G）为所述叶轮（14）的所述直径（D）的约1.18倍至约1.22倍。

3.如权利要求1所述的泵，还包括位于所述环形衬里（46）和所述叶轮（14）的吸入侧之间可轴向调节的磨损环（30），所述环（30）的直径（E）比所述磨损环（30）与所述叶轮（14）之间的相接处的表面（48）大10%至14%。

4.如权利要求1所述的泵，还包括在所述叶轮（14）的吸入侧上的多个增高的排出叶片（24），所述叶片（24）限定出在所述叶片（24）与所述环形衬里（46）之间的间隙，该间隙大于所述浆料的颗粒尺寸分布中的最大固体颗粒的尺寸。

5.如权利要求1所述的泵，还包括位于所述环形衬里（46）与所述叶轮（14）的吸入侧之间可轴向调节的磨损环（30），所述环（30）的直径（E）比所述磨损环（30）与所述叶轮（14）之间的相接处的表面（48）大10%至14%；所述泵还包括在所述叶轮的吸入侧上的多个增高的排出叶片（24），所述叶片（24）限定出在所述叶片（24）与所述环形衬里（46）之间的间隙，该间隙大于所述浆料的颗粒尺寸分布中的最大固体颗粒的尺寸。

6.如权利要求5所述的泵，其中所述可移除环形衬里（46）的直径（G）为所述叶轮（14）的所述直径（D）的约1.18倍至约1.22倍。

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