CN103813815B - 包括转子和输送元件的旋转泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转泵，该旋转泵包括具有输送元件(3，3’，3”，4，4’，4”)的转子(1，1’，1”)，所述输送元件在转子的轴向方向上输送流体的至少一部分。两个输送元件或两组输送元件被设在转子上用于输送流体，它们在转子的轴向的相互反向的方向上输送要输送的流体，从而使得轴向推力分量基本上彼此抵消。彼此反向流动的流体流共同地沿转子的轴向方向退让并能够共同地通过蜗形壳体(9)被排出和利用。

Description

包括转子和输送元件的旋转泵

技术领域

本发明属于机械领域，更特别地属于泵技术，涉及旋转泵。

背景技术

所述旋转泵已知的形式有轴流泵和辐流泵，它们都包括转子，转子包括输送元件，其例如采用叶片的形式。根据输送元件/叶片的几何形状，流体输送主要在轴向方向、径向方向或混合方向上进行。

所述旋转泵可被有利地例如用于输送内源性液体的医疗技术，比如作为血泵。

值得注意的是，在轴流泵中出现了与轴承装置的质量和类型相关的问题。因为这样的泵一般都运转得非常快，例如高达10,000或20,000rpm，只能承受非常小的损耗，另外因为还要将这种泵的发热、磨耗和破损，以及耗能降到最低，这些都对轴承装置提出了更高的要求。

因此，要为轴向轴承装置寻找到一种简单又节约成本的解决方案就尤其有难度。

发明内容

因此，本发明的目的是设计出一种上述类型的旋转泵，其对于轴承装置的要求尽可能低同时又具有简单的设计。

该目的通过根据第一方面的发明特征实现。

为此目的，输送元件被设置在旋转泵的转子上，其将待输送的流体在转子的轴向方向上沿第一方向进行输送，并且附加的输送元件被设置在转子上，其同样将流体在轴向方向上进行输送，不过是在相反的方向上。各个输送元件优选地设于转子的外周上。

作用于相反方向上的两个输送元件或两组输送元件各自所生成的轴向推力因此也分别作用于相反方向上，在理想状态下它们相互抵消。尽管能够使流体沿轴向输送，这使得泵的轴向推力被降到最低。

转子是空心的并且包括具有内腔的轮毂，所述内腔内形成有流体通道，该流体通道在第一轴向区域中，更具体地说是在轮毂的第一端面端处具有吸入口，在第二轴向区域中，更具体地说是在第二端面端处具有排出口。流体通道被设计成在轴向方向上是连续的，开口可有利地被开设在端面处，而且在轴向端部区域中在径向上位于外表面侧上。

流体通道可被设计成轮毂中的中央钻孔，优选地具有圆形横截面，其优选地在长度上是恒定的。但是，也有可能使轮毂具有圆柱形的内腔，其外表面被可旋转地安装在被设计成直径略小的内部空心圆筒上。内部空心圆筒然后可通过固定的方式被连接到泵壳，并且其内腔可形成连续的流体通道。

根据泵的其余变型，转子本身形成了轮毂中的流体通道，并且转子通过磁性和/或液压动力被装配在泵壳上。

如从流动方向上可见，转子直径和/或输送元件有效的输送横截面对于一个和另一个输送元件有利地应当是相同的，特别是差异要小于各个较大表面的50％，优选地不大于10％。

另外有利的是，两个流体流的差异不大于较大流体流的50％，优选地小于30％，更优选地小于20％，更特别地小于10％。

在一个和另一个输送元件的区域中，轮毂可具有基本上相同的直径，其中差异应小于较大直径的20％，更特别地小于较大直径的5％。

通常来说，理所应当需确保的是具有相反方向的流体流受到控制以使得形成最终的合成流体流，其对应于期望的输送。但是，对流体流的这种控制或引导可以在不产生作用于转子上的额外轴向作用力的情况下进行，正如基于本发明的示例性实施方式将要在此后进行介绍的那样。

特别地，有利的是由第一输送元件或第一组输送元件输送的第一流体流和由第二输送元件或第二组输送元件输送的第二流体流是彼此分开的。

为此，有利的是第一和第二流体流要在与第一和另外的输送元件，或第一和第二组输送元件接触之前彼此分开。

例如，这可以通过使第一输送元件、或第一组输送元件，和另外的输送元件或多个元件从流体储器的不同区域引入流体并将这些流体彼此分开地输送。进而，分开的流体流在由各自的输送元件输送后可通过适当的方式汇合。

根据本发明有利的实现方式，第一和第二流体流在穿过第一和另外的输送元件或第一和第二组输送元件之后被合并。

为此目的，第一和第二输送元件，或第一和第二组输送元件可将第一和第二流体流以朝向彼此的方式进行输送，并且第一和第二流体流可被共同地沿径向向外部偏转。

例如，第一输送元件，或第一组输送元件可由多个输送叶片或由以螺旋形式绕转子轮毂设置的单独的输送叶片形成，叶片独立地或通过协同作用实现流体的轴向输送。另外的输送元件或多个元件也可被设计成如同第一输送元件或多个元件那样，但是相应地以相反的布置方式布置，从而可沿相反的轴向方向进行输送。理想情况下，不同组的输送元件所生成的各个轴向推力大小应当相同。这可以通过将输送元件设计成反向地相同来实现，或者例如，通过为第一输送元件提供不同的节距(pitch)但在转子的轴向长度上对应地具有与第二组输送元件不同的适应表面(adapted surface)或分布范围(distribution)。进而，产生对应的轴向推力的方式可以由于输送元件的几何形状不同而有所差别，其中由于所有输送元件布置在公共转子上，它们的旋转速度自然都是一样的，其中附加地所产生的轴向推力在大小上尽量相同。

如果具有相反方向并朝着彼此流动且由不同组的输送元件产生的流体流在转子的外周上被朝着彼此引导的话，这会自动地导致径向偏转，例如偏转到外部或在外周方向上发生偏转。当分流混合时，在它们之间形成了交界面，分流沿交界面彼此平行地行进并可选地以同样地方式混合。

另外，引导装置可被有利地附接至转子，用于使流体流从轴向方向偏转到径向方向上。该装置可由转子上环状外周升高部形成，其在两侧上具有凹进的倾斜止挡面。但是，也有可能仅在转子上设置圆环，该环具有三角形样式的径向剖面。

为了排出流体流，第一和另外的输送元件被有利地设置在转子的不同区段中，并且在这些区段之间沿轴向设置有蜗形壳体(出口机壳)，该蜗形壳体环绕转子。这样的蜗形壳体可简单地由具有一体的径向出口的泵壳的外周隆起部形成。该隆起部的外周外表面也可具有螺旋形的几何形状，以支持流体的排出。

根据本发明特别有利的实施方式，在泵壳内设有几个分开的流体通道，其将流体腔连接到转子的各个轴向区段，特别是连接到转子的端部。其上设置有沿相反方向进行输送的输送元件的转子的各个轴向区段中的每一个因此可以被供给分开的流入流体流。

转子也可以与各组输送元件一起在轴向上将两股单独的流体流输送到转子的各个端部上并且在转子的轴向中心区域中整体地沿径向方向吸入流体。在这种情况下，分开的流体流可经由各个流体通道流出并在流体腔中被汇合。

特别有利的是，转子的轮毂是空心的并形成了流体通道。在这种情况下，转子可在端面端中的一个端面端处吸入流体，其中流体流的第一部分沿转子的径向外部区域流动，第二部分的流体通过转子轮毂的内部流动到转子的相对端处。在那里，在转子的相对端处，该流体流在发生偏转之后与另外的输送元件发生冲击，这导致沿轴向方向的反向输送并在与第一流体流相反的相反方向上对输送到那里的流体流进行输送。通过使偏转元件适当地成形，偏转也能够适当地通过产生预旋转的方式影响向输送元件的流入。

为此，可在转子泵的静止部分上设置用于流体流的静止的引导装置。例如，在轮毂为空心的情况下，可具体地在转子轮毂的轴向延长部中设置一扰流器，其作为使流体流从轴向方向偏转到一个或多个径向方向上的引导装置，特别地包括中央升高部。该中央升高部，例如可以是圆锥形，或者可具有类圆锥形的形状，有利地包括凹侧翼。

特别地，固定引导叶片在转子的延长部中可被设于一侧或两侧上，其作为流体流的另外引导装置，其可以是直的引导叶片，也可以是螺旋设置的引导叶片，从而整体螺旋定向的流体流借此可沿转子被优化。因此，在入流到输送元件上的过程中，可产生适当的预旋转。

在任何情况下，前述的流体流的产生和定向或引导使得作用在转子上的最终的总轴向推力降低，从而可以选择比现存的惯用解决方案的复杂度低的推力轴承设计。例如，可以使用有源的或无源的轴向磁性轴承或受控磁性轴承。通常地，转子的电机驱动器的磁性元件也可被用来作为轴向磁性轴承。有利的情况下，仅仅这些元件就已经足够了。

附图说明

下面，将基于图中示例性的实施方式进行来示出并描述本发明。在图中：

图1示出了包括空心转子的旋转泵的纵向剖视示意图；

图2是包括敞开壳体的旋转泵的三维视图；

图3是包括空心转子和轴承装置的旋转泵的纵向剖视图；

图4是包括转子的旋转泵的纵向剖视图，其具有用于安装的支撑环和磁性轴承；

图5是与图4旋转泵类似的旋转泵的纵向剖视图，包括多个磁性轴承装置；

图6是包括空心转子、轴承装置和固定引导叶片的旋转泵的纵向剖视图；

图7示出了包括空心转子和沿轴向设于其上的有源磁性轴承装置的旋转泵的另外的纵向剖视图；以及

图8示出了包括空心转子的旋转泵的另外的纵向剖视图，其被装配在亦为空心的中心定子上。

具体实施方式

图1是包括转子1的旋转泵的纵向剖视示意图，所述转子具有轮毂2以及位于外周上的第一输送元件3和第二或另外的输送元件4。转子的轴承装置并未详细示出，但是从示意性的角度看，轴向磁性轴承装置用磁体5和固定定子磁体7来表示，所述磁体5被引入轮毂2中并相应地旋转，而所述固定定子磁体在泵壳6上被附接至外部。未示出附加的轴承元件，但是将会在下文中更详细地介绍安装的示例。

磁体5也可被设计成电机驱动的转子磁体，其中定子绕组必须要设置在机壳上。

泵壳6具有基本为圆柱形的样式，其相对于轴8旋转对称。

在转子1的区域内，机壳8由所谓的蜗形壳体9所环绕，要输送的流体从转子1开始沿径向朝向外侧被输送到所述壳体中。蜗形壳体9在限定区域中在周边上具有径向出口10。在所示的实例中，流体例如血液，存在于泵壳6的流体腔11中并从那里被吸入输送元件3，4的区域中。第一箭头12，13表示的是流体被吸入到第一输送元件3中，其可由例如作为分布在转子轮毂2外周上的输送叶片来实现。输送叶片3实现了在箭头12，13的方向上沿着转子轮毂2的基本上轴向的输送。

另外，轮毂2具有内腔16，其以同心连续的方式形成在轮毂的内部并且流体被吸入上述内腔内，如第二箭头14，15所指示的那样。结果，另外的输送元件4使流体在轴向方向上进行输送，也就是说平行于转子的纵轴8，但是方向与第一输送元件3的输送方向相反，如箭头17，18所指示的那样。进而，流体被吸入转子2的一端，并继续吸入到流体腔11。被吸入的流体在转子1的一端被引导件或偏转元件19所偏转而面向远离流体腔11的方向，所述引导件或偏转元件可被设计成一种扰流器，其具有圆锥形结构例如还具有凹侧翼。从该处开始，流体流从轴向方向14，15沿径向方向偏转并且以总计接近180°偏转至输送元件4。

内腔/流体通道16可以像圆柱形内腔一样是连续的并具有平滑壁，但是为了支撑流体的输送过程，其也可以包括位于内壁上的输送元件，例如以输送叶片53的形式。因此，由于所产生的推力会在转子上产生轴向作用力，在其余输送元件3，4的尺寸设计中有必要考虑驱动作用力，以便尽可能大程度地平衡轴向作用力的总和。

在由虚线20标示出的交界面区域中，来自于输送元件3，4的两股轴向流体流在轴向上相互冲击并发生径向偏转，如由箭头21，22所指示的那样。这里，除了径向分量之外，流体流具有方位角分量，从而使得蜗形壳体9也可利用方位角分量将流体流通过出口10径向地输送到泵外。

尽管轴向吸入并且两组输送元件3，4沿轴向在相反的方向上进行输送，可产生流体输送流，其中作用于输送元件上的轴向推力至少部分地，理想情况下完全地相互抵消。轴向轴承装置，其示意性地由磁体5，7指示，因此其设计复杂性可被降到最低。

图2是与图1中相似的旋转泵的三维实施方式的示意图，它们仅有很少的设计差异。用开放视图显示的是蜗形壳体9的一部分，其中能够看到包括具有相反设计的输送元件3’，4’的转子1’。

转子1’具有在轮毂2’中纵向连续的内腔16’。另外，转子1’包括被称为支撑环23，24的部件，其相应地在转子上旋转并可被安装在泵壳6的壁上，例如通过液压动力。被吸入的流体，在上面实例中是指血液，可作为主输送流在支撑环23，24和转子轮毂2’之间的主流通通道中自由地流动，同时支撑环和泵壳的壁之间的次级流流过其中，形成了起到滑动层作用的稳定液层，由此形成了液压动力轴承。

图3以纵向剖视图示出了图2中三维图像中示出的泵。支撑环23，24显然位于转子轮毂2’和机壳6之间的区域中。另外，示出了更复杂的磁性轴承装置，其包括控制线圈25，两个定子磁体26，27和转子磁体28。该受控的磁性轴承装置被用于轴向定位和安装转子轮毂2’。

图4示出了旋转泵的纵向剖视图，所述旋转泵包括：空心转子，在其内部具有为一部分流体提供的通道16；以及第一输送元件3’和第二输送元件4’，它们在转子外周上沿相互相反指向的轴向方向输送流体。在端部的区域内，转子具有两个支撑环23，24，它们实现了在机壳6上的径向安装。

在蜗形壳体9的内部，具有绕转子的外周延伸的圆形翅片形状的引导装置29被示为位于交界面20的区域内，由输送元件3’，4’进行输送的两股分流流体流在该处汇合，翅片使从两侧沿轴向流动的各股流体流至少部分地沿径向方向偏转。

图5中示意性示出的旋转泵不带有引导装置29，由此，在蜗形壳体9的区域内沿轴向相互冲击的两股分流沿着流动边界共同地发生径向偏转。图5特别地显示的是一种更复杂的磁性轴承装置，其包括无源磁性轴承，该轴承具有位于转子中的磁性环30和位于泵壳6的外部上的铁环31。另外，转子具有磁性环32，其同样被附接至转子并以环形方式被设于其内部，位于圆柱形内腔16和装载着输送元件的圆柱形外板33之间，并且其与具有两个环形磁体34，35和控制线圈36的有源磁性轴承装置协同作用，由此来控制磁场强度。

此外，可设置采集转子轴向位置的传感器，其测量转子当前的轴向位置并将之作为控制变量反馈到控制进程。

图6显示的是旋转泵的另一变型，其中转子的端部37，38被安装在径向轴承点39，40中，在其外侧附加地装载有固定引导叶片41，42，所述引导叶片位于轴承和机壳6的机壳壁之间。该引导叶片被定位和成形为使得它们能够在分流流体流流入到输送元件的区域中之前使流体流产生适当的预定位(预旋转)。转子附加地包括磁性体43，其与有源受控磁性轴承44协同作用以形成轴向轴承装置。

图7示出了包括转子1”的旋转泵，其具有在相反的方向上起作用的两组输送元件3”，4”，其中分流流体流在流体流被偏转并被引导到输送元件4”之前流过空心轮毂2”的内腔16。

转子两端设有两个有源磁性轴承装置。在第一端处，转子具有磁性环45，其与固定磁性环46相互作用。另外，固定磁性环46由控制线圈47控制。

在转子的相对端处，磁性环48也被设置在转子中，该环与机壳中的固定磁性环49协同作用，其中磁性环49在周边上具有位于外侧的引导叶片并且与在泵壳上被设于外部的控制线圈51协同作用以形成受控的轴向轴承。

由于两组输送元件在相反的方向上进行输送，使得该装置具有两个在转子端部处的受控轴向轴承和在转子上的轴向推力补偿。

通过设计出具有补偿轴向作用力的泵，轴向轴承的性能和控制复杂性被显著地降低。

图8是包括转子2”’的泵壳6的纵向剖视示意图，其圆柱形内腔被推到固定空心圆筒52上并被可旋转地装配于其上。轴承间隙56可被设计成液压动力轴承，但也可以提供不同的轴承机构，例如滑动轴承。在扰流器19的区域中，空心圆筒52被附接在泵壳6的端面端处。

流体从第一端面端54通过位于空心圆筒52内部的流体通道16’进入，在朝向扰流器19的第二端面端处离开，在那里流体发生了偏转。空心圆筒的支撑件55能够提供足够的空间供流体流动。转子2”通常地可通过使用基于其他示例性实施方式已经介绍过的相同的手段进行装配、驱动和轴向定位。

根据本发明的设计方案使得所有要被运输的流体都能够由流体腔吸入，其位于转子端面端的前方。由此，流体被分成若干分流。因此，泵壳的整体必要直径被降到最小。

Claims (15)

1.一种旋转血泵，该旋转血泵包括具有输送元件的转子(1，1’，1”)，所述输送元件在所述转子的轴向方向上输送流体的至少一部分，其中

至少一个第一输送元件(3，3’，3”)或第一组输送元件被设置用于在所述轴向方向上沿第一方向(12，13)输送所述流体的至少一部分，并且至少一个第二输送元件(4，4’，4”)或第二组输送元件被设置用于在所述轴向方向上沿与所述第一方向相反的第二方向(17，18)输送所述流体的至少一部分，

其中，

所述转子的轮毂(2，2’，2”，2”’)是空心的，其中在所述轮毂(2，2’，2”，2”’)的内部沿着所述轴向方向形成连续的流体通道(16，16’)，所述流体通道在第一轴向区域中具有吸入口，并且在第二轴向区域中具有排出口，

其中，所述转子通过有源轴向磁性轴承或所述转子的有源轴向磁力而悬置。

2.根据权利要求1所述的旋转血泵，其特征在于，由所述第一输送元件(3，3’，3”)输送的第一流体流和由所述第二输送元件(4，4’，4”)输送的第二流体流彼此分开。

3.根据权利要求2所述的旋转血泵，其特征在于，所述第一流体流和所述第二流体流在接触所述第一输送元件和所述第二输送元件之前彼此是分开的。

4.根据权利要求2所述的旋转血泵，其特征在于，所述第一流体流和所述第二流体流在经过所述第一输送元件(3，3’，3”)和所述第二输送元件(4，4’，4”)之后汇合。

5.根据权利要求4所述的旋转血泵，其特征在于，所述第一输送元件和所述第二输送元件使所述第一流体流和所述第二流体流在朝向彼此的方向上进行输送，并且所述第一流体流和所述第二流体流被共同地沿径向向外部偏转。

6.根据权利要求5所述的旋转血泵，其特征在于，所述第一输送元件和另外的输送元件被布置在所述转子(1，1’，1”)的不同区段中，并且沿轴向在这些区段之间设置有蜗形壳体(9)，并且所述蜗形壳体环绕所述转子。

7.根据权利要求1所述的旋转血泵，该旋转血泵包括环绕所述转子的泵壳(6)，其特征在于，多个分开的流体通道(16)被设置在所述泵壳内部，所述流体通道将流体腔(11)连接到所述转子的各个轴向区段。

8.根据权利要求7所述的旋转血泵，其特征在于，所述转子的所述轮毂(2，2’，2”)具有用于排出所述流体的径向开口。

9.根据权利要求5所述的旋转血泵，其特征在于，所述转子(1，1’，1”)具有引导装置(29)，该引导装置位于两股被沿轴向导向的流体流彼此冲击的点处。

10.根据权利要求1所述的旋转血泵，其特征在于，在转子泵的静止部分上设置用于流体流的静止的引导装置(41，42)。

11.根据权利要求10所述的旋转血泵，其特征在于，在所述轮毂为空心的情况下，在所述转子的所述轮毂(2，2’，2”)的轴向延长部中设置扰流器(19)，用于将流体流从轴向方向偏转到一个或多个径向方向上。

12.根据权利要求1所述的旋转血泵，其特征在于，所述流体通道在第一端面端处具有吸入口。

13.根据权利要求1所述的旋转血泵，其特征在于，所述流体通道在第二端面端处具有排出口。

14.根据权利要求7所述的旋转血泵，其特征在于，所述流体通道将所述流体腔(11)连接到所述转子的端部。

15.根据权利要求11所述的旋转血泵，其特征在于，所述扰流器(19)包括中央升高部。