CN104662301A - 固体涡流泵 - Google Patents

Abstract

一种泵包括限定泵室的泵壳体，所述泵壳体具有入口和出口。叶轮相对于所述室布置以将流体从所述入口转移到所述泵室中。涡流成形机构被布置在所述泵室中并且被配置来将所述泵室内的流体约束为围绕旋转轴的旋流模式。至少所述壳体和所述涡流成形机构被配置，从而所述流体的一部分被激励来建立固体涡流，其中所述固体涡流的外周边由所述涡流成形机构确定，并且所述流体的一部分限定与所述出口流体连通的中扩散区，从而流体可以扩散通过所述固体涡流和所述扩散区之间的流体界面，以在出口处产生泵送压力。

Description

固体涡流泵

技术领域

以下的说明书描述泵的各种示例性实施方案。

背景技术

2010年11月25日公开的澳大利亚专利申请2010241317(“新流体'317”)描述了利用固体漩涡原理的泵的各种实施方案。在适用情况下，新流体'317的内容是被视作并入本说明书的。

附图说明

图1示出泵的一示例性实施方案的内部三维视图。

图2示出图1的泵的内部二维视图。

图3示出图1的泵的示意性侧剖视图。

图4示出适合于图1的泵的叶轮的示例性实施方案的从入口侧观察的三维视图。

图5示出图4的叶轮的从传动侧观察的三维视图。

图6示出图4的叶轮的另外的三维视图。

图7示出图示说明图1的泵的工作原理的图形。

图8示出包括测试设备的叶轮的一个视图，所述测试设备用来测试图1的泵的工作原理。

图9示出图8的叶轮和测试设备的另一个视图。

图10示出具有流率和效率曲线的图表，所述流率和效率曲线是由商业上可获得的泵，以及由在新流体'317中描述的泵产生的。

图11示出具有流率和效率曲线的图表，所述流率和效率曲线是由泵的一示例性实施方案，以及在新流体'317中描述的泵产生的。

图12示出具有流率和效率曲线的图表，所述流率和效率曲线是由泵的一示例性实施方案，在新流体'317中描述的泵，以及由商业上可获得的泵产生的。

图13示出具有升每瓦时和效率曲线的图表，所述升每瓦时和效率曲线是由泵的一示例性实施方案，以及由商业上可获得的泵产生的。

图14示出具有流率和效率曲线的图表，所述流率和效率曲线是由泵的一示例性实施方案，以及由另外的商业上可获得的泵产生的。

图15示出具有升每瓦时和效率曲线的图表，所述升每瓦时和效率曲线是由泵的一示例性实施方案，以及由另外的商业上可获得的泵产生的。

图16示出具有升每瓦时和效率曲线的性能图表，所述升每瓦时和效率曲线是由泵的一示例性实施方案，以及由另外的商业上可获得的泵产生的。

图17示出泵的另外的示例性实施方案的示意性侧剖视图。

图18示出图17的泵的叶轮的三维视图。

图19示出泵的另外的示例性实施方案的三维内部视图。

图20示出泵的另外的示例性实施方案的三维内部视图。

图21示出图20的泵的壳体的三维内部视图。

图22示出图21的壳体的二维内部视图

图23示出泵的一示例性实施方案的三维部分分解视图。

图24示出从图23的泵的一侧观察的三维视图。

图25示出从图23的泵的另一侧观察的三维视图。

图26示出泵的一示例性实施方案的二维内部视图。

图27示出图26的泵的通过图28中的A-A的侧剖视图。

图28示出图26的泵的通过图27中的B-B的前剖视图。

图29示出图26的泵的内部视图。

图30示出适合于与图26的泵一起使用的叶轮的一实施方案的剖开的三维视图。

图31示出图30的叶轮的侧剖视图。

示例性实施方式的描述

在图1、2和3中，参考编号10一般地表示泵的示例性实施方案。

泵10包括泵外壳12。在图1和2中，盖体14(在图3中示出)被移除以示出叶轮16和插入体52，所述插入体52包括在所述外壳12内的涡流成形机构。

外壳12是具有后壁20(图3)和圆柱形侧壁22的大体上的圆柱形，所述圆柱形侧壁22从后壁20的周边延伸。后壁20限定大体上平的内部表面24。内部表面24和侧壁22限定具有小于约10mm的内半径的拐角。盖体14限定前壁26。侧壁22限定周边肩部28，从而盖体14可以嵌(nest)在侧壁22中，在肩部28上。前壁26限定大体上平的内部表面30(图3)。

内表面30和侧壁22限定具有小于约10mm的内半径的拐角。

叶轮16被安装在驱动轴32上，所述驱动轴32延伸通过后壁20并且可以以常规方式驱动叶轮16。

在该实施方案中，叶轮16被定尺寸为至少部分地轴向跨越壳体12。此外，叶轮16的入口构造34被接收在由前壁26限定的圆柱形肩部36中。前壁26包括在肩部36处终止的入口38，从而入口38与叶轮36的入口构造34是流体连通的。

叶轮16包括叶轮前壁40.1和叶轮后壁40.2。壁40是在径向相连的。

叶轮16包括从后壁40.2延伸的轴安装件17(图5和6)，从而叶轮16可以被安装在驱动轴32上。

壁40限定与入口38流体连通的区42。叶片44被布置在壁40之间并且在区42中，从而叶轮16的旋转可以将流体拉入到区42中，并且将那些流体引导到圆柱形侧壁22和叶轮16之间的室46中。叶片44与壁40也是在径向相连的。结果就是叶轮16的径向轮廓限定大体上平行于叶轮的旋转轴的平的边缘。

前圆柱形壁和后圆柱形壁48.1和48.2分别从叶轮16的前壁和后壁40.1、40.2延伸。壁48以紧靠后表面和前表面24、30的方式终止。壁40、48相对于彼此是大体上垂直的。因此，室46具有包括基本上90°的角的径向轮廓。这为室46提供一环形形状，所述环形形状具有大体上平的前侧和后侧以及外部的或周边的圆柱形侧面。

泵10被配置以在外壳12中产生固体涡流。固体涡流的产生在图7中图示说明。叶轮16的旋转在围绕叶轮16的区50中创建大量流体的旋流，所述流体在该实施方案中为液体(如水)。叶轮46的轮廓，如上文描述的，激励(encourages)区50中固体涡流的建立。具体地，由区50的径向轮廓限定的角不会超出基本上90°这一事实抑制轴向流动的产生，所述轴向流动会倾向于瓦解固体涡流。

插入体52被安置在圆柱形侧壁22的内部表面54上。插入体52具有被成形为对应于内部表面54的外侧56。内侧58在前沿表面60处与外侧56隔开，并且在尾端62与外侧56相交。前沿表面60具有一径向轮廓，所述径向轮廓被弯曲以提供液体流动转捩，同时抑制空化作用。外侧56、内侧58和前沿表面60被置于大体上平的侧面64之间。

在使用中，插入体52被安置，从而前沿表面60使由叶轮16产生的液体旋流在本实施方案中(当从前面看时)以逆时针方向转向，从而在区50中创建旋转液体流。因此，插入体52用来限定区50的直径或者外周边。更具体地，内侧58的前沿部分59具有以对于区50期望的外半径或最大半径设置的一致的半径。前沿部分的弧长度被选择，从而前沿部分59可以约束足够创建环流或旋流模式的流体。适合的弧长度的一个实施例是20mm到30mm。然而，这将取决于泵的整体尺寸，例如泵室直径。因此，前沿部分59限定上文提到的涡流成形机构。

将被领会的是，对于流体可能会有这样的倾向，即使用插入体充当水翼，流体在前沿部分59的下游朝向内侧58的尾部分61被偏离，并且因此偏离到区域50的外部。因此，插入体52在前沿表面60处或者靠近前沿表面60处限定通向内侧58的轴向凹陷或者“绊子(trip)”66。凹陷66为前沿部分59和尾部分61划分界限。凹陷66用来打破或者扰乱沿部分59的层流，以便将区50中的液体与插入体52分离或者转向，从而液体可以留在区50中。

将被领会的是，插入体52的尺寸可以被选择以适合外壳12的尺寸。例如，插入体52可以被选择，从而具有约120mm到180mm(例如170mm)的内直径的泵室可以与定尺寸的插入体一起提供，从而区50的直径在约90mm和150mm之间(例如145mm)。这意为在该实施例中，插入体52沿前沿部分59的弧具有在约20mm和30mm之间(例如25mm)的径向厚度。这为名义上的技术人员提供一些用于制造插入体52的指导。例如，1:5到1:10(例如1:7)的比率可以是适合于插入体径向厚度与室直径的关系的。插入体的轴向厚度或者宽度可以基于其他因素被选择。一个因素将是叶轮尺寸。例如，20mm到30mm的弧长度可以是适合于具有在约100mm和120mm之间的直径的叶轮的。因此，使用沿前沿部分的弧在约20mm和30mm之间的厚度，可以得到具有直到60mm的径向厚度的固体涡流。还可以使用针对前沿部分59的20mm到30mm的弧长度，通过按比例放大或缩小为尺寸不同的插入体来提供凹陷部分66的位置指示。

将被领会的是，具有不同尺寸的插入体可以替代插入体52。替代可以取决于要与插入体一起使用的泵的特性。

发明人想到，本领域普通技术人员将考虑到，尝试不同的尺寸和比率以得到不同的泵特性是合适的。

在一些情形中，插入体和叶轮可以被用来改装常规泵。现有的叶轮可以被实施方案的叶轮替代。插入体可以以与叶轮大体上轴向对齐的方式位于现有的泵的泵外壳中。泵外壳需要具有适合的内部配置。然而，要想到的是，可以提供内部壳体来装配在现有的泵的壳体内。内部壳体随后可以提供必需的适合的内部配置。

如图7示出的，自然形成的界面68产生在区50中的流体和区50外面的扩散区70中的流体之间。界面68的半径由部分59的半径确定。界面68的产生起因于固体涡流原理。目前所知，在固体涡流中的流体分子之间基本上不存在切变。流体分子倾向于，说到方式，以径向和轴向两种方式在区50的固体涡流内“排队”。结果，区50中的流体的角速度在遍及区50中是恒定的。换言之，遍及区50，流体的RPM值保持恒定。

因此，区50中的固体涡流的径向外表面具有显著高于区70中的水的速度的速度。差速与区50中的液体或水的特性一起用来建立和维持界面68。出人意料并且与直觉相反的是，区50中的水在界面68处相对较高的速度没有导致将水驱动到扩散区70中的向心力。水的这种运动会导致固体涡流的瓦解。

发明人已经进行了许多与区50中固体涡流的产生有关的实验。在一个实验中，叶轮16的圆柱形壁48被提供有沟槽(图8和9)。环74被安置在每个沟槽中，以相对于叶轮16自由旋转。桨76以距区50内的叶轮16不同的径向距离借助于适合的臂部78被安装，所述臂部78使环74和桨76相互连接。

被发现，当泵10在运行中时，桨76的相对位置保持恒定。这表明区50内存在固体涡流。更具体地，它表明水分子保持对齐，如上文描述的。情况并非是桨76会相对于彼此运动。

将被领会的是，对于要发生的泵送，必要的是水穿过界面68。考虑到固体涡流的存在，水的这种运动仅可以经由扩散通过界面68。

因此，水实际上不会由于向心力流出涡流，而是宁可通过扩散从区50被逐出。被逐出的水在扩散区70中立即减速，其结果是区70充当扩散器。扩散器用来使流体减速，从而提高静态压力以便产生泵送压头。在这种情况下，结果就是区70中的水具有比区50中的水更高的静态压力。静态压力随着水在内部表面54周围从凹陷66行进到在80处表示的位置(图1和2)而增加。

因此，出口82被布置在圆柱形侧壁22上，所述圆柱形侧壁22在80处与区70是流体连通的。

在常规泵(例如离心泵)中，扩散器具有完全限定扩散区的壁。这些壁可以是任何形状的，只要它们在径向剖面上围绕扩散区延伸。这样的扩散器被称为蜗壳(volutes)。

然而，在这个实施方案中，并且在各种示例性实施方案中，扩散区70被界面68部分限定，所述界面68可以被视作动态分离壁。这类似于向下吹到建筑物门前的空气帘。尽管没有实际的实体墙来分离区域，这可以将空调调节过的空气保持在建筑内部。另一个类比是具有涡流环。这些涡流环经常被称作“烟圈(smoker's rings)”，因为烟雾使其可见。在涡流环的周边处的低压区与相对较高的环境压力交界。这用来暂时维持涡流环。由于维持环必需的能量只递送一次，涡流环会衰减。

非实体界面的存在提供流体从区50到扩散区70没有显著的拖曳的传输。这与常规泵是相反的，在所述常规泵中，固体扩散器将必然导致拖曳和效率损失。基于扩散的速度(在水中约1497m/s以及在空气中343m/s)，流体的传输还是以高于流体在常规泵中从叶轮到扩散器的传输的速度。

在这个和各种示例性实施方案中，能量是由叶轮连续不断地供应或提供的，从而固体涡流和随后的扩散区70在外壳12内的产生是动态的、连续的过程。

在各种实施方案中，发明人已经发现固体涡流周边的速度可以比扩散区70中的水的速度高8到10倍。结果，与区70中相对较高的静态压力相比，区50中存在相对低的静态压力。通常，流体将从相对高的静态压力区域流动到相对低的静态压力区域。然而，在这个和各种示例性实施方案中，叶轮连续不断地将流体注入到区50中，导致流体扩散出区50并且扩散到区70中。

区50中流体的相对低的压力导致一旦建立涡流，流体在大气压力下从叶轮16被驱动到区50中。这与常规泵形成对照之处在于，在常规泵中叶轮充当将流体从叶轮引导或驱动到静态或结构性扩散器中。因此，与直觉相反的是，叶轮16首先被需要来创建涡流而不是维持通过泵的流动。跨在入口和涡流中的流体产生的压力差造成流体从叶轮16被引导到区50中。直觉上，可以假设流体是被叶轮“扔”或“引”到区50中的。然而，用来保证流体流到区50中的是涡流和区50中产生的相对低的压力的存在。从叶轮16进入区50的流体被约束在涡流内。扩散是流体离开区50并进入区70以维持区50中的平衡的机制。因此，叶轮16的叶片44可以被配置用于起始流体流动以及随后调节通过叶轮的流体流动。结果，当与常规的叶轮相比时，在叶轮的各种示例性实施方案中具有较少的设计约束。例如，如下文陈述的，使用这样的叶轮是可能的，在所述叶轮中，从叶轮的叶片到扩散区的直接通路或通道被阻挡以造成叶轮内流体压力的上升。

如在上文描述的实施方案中指出的，当水从叶轮16被注入到区50中时，任何产生的干扰基本上立即被分子在所有方向上的扩散缓和并调整。这还抵消可能由水从叶轮到区50中的连续注入所导致的紊乱倾向。如果干扰被维持，桨76将相对于彼此转动。

固体涡流的原理教导，只要给予流体足够的能量，固体状态可以被无限期地维持。流体还应该被保留在这样的结构中，所述结构被配置成激励固体涡流的产生和维持。在这个实施方案中，能量由叶轮给予。插入体52，叶轮16的形状和表面24、30、54提供必需的结构配置。

如上文所描述的，涡流的存在在区50中产生相对低压力的区域。在一些情形中，低压力区的产生可以导致不符合期望的空化作用。空化作用可以降低泵效率并且还可能导致涡流自毁。壁48用来占据在其中可能发生这样的空化作用的区。因此，壁48限定抗空化装置。当叶轮16旋转时，壁48也旋转。壁40、48是相对平滑的。因此，当叶轮16旋转时，壁40、48夹带(entrain)流体并且有助于形成涡流。夹带还起因于从叶轮16被逐出的流体。

发明人已经针对许多商业上可获得的泵，并且还针对新流体'317的泵的实施方案测试了所述泵的实施方案。图9到15中示出的图表是作为这些测试的结果产生的。被测试的所述泵的实施方案、流体'317泵和常规泵具有在约120mm到180mm之间的泵直径。

在图10中，图表具有压力(KPA)轴84，“电-水(wire to water)”效率或者电气效率轴86和流率(升/分钟)轴88。在该图表中，线90是流体'317泵的效率曲线。线92和94是在测试的时候可获得的两个其他常规泵的效率曲线。线96是新流体'317泵的流率曲线。线98和100是两个其他常规泵的流率曲线。

如从图表中清楚的，新流体'317的实施方案具有被认为比在测试的时候可获得的两个其他常规泵更好的特性。

在图11中，同样的参考编号指图9中同样的部件。线102是本发明的泵的被测试的实施方案的效率曲线。线104是新流体'317泵的效率曲线。线106是本发明的泵的被测试的实施方案的流率曲线。线108是新流体'317泵的流率曲线。

在图12中，同样的参考编号指图10和11中同样的部件。线110是本发明的泵的被测试的实施方案的效率曲线。线112是新流体'317泵的效率曲线。线114是图10中表现的常规泵中的较好者的效率曲线。线111是本发明的泵的被测试的实施方案的流率曲线。线113是新流体'317泵的流率曲线。线115是常规泵的流率曲线。

在图13中，同样的参考编号指图10到12中同样的部件。图表包括升每瓦时轴116，而不是之前图表中的流率轴。线118是本发明的泵的被测试的实施方案的效率曲线。线120是在测试的时候可获得的常规泵的效率曲线。线122是本发明的泵的被测试的实施方案的升每瓦时曲线。线124是常规泵的升每瓦时曲线。

在图14中，同样的参考编号指图10到13中同样的部件。线126是本发明的泵的被测试的实施方案的效率曲线。线128是在测试的时候可获得的常规泵的效率曲线。线130是本发明的泵的被测试的实施方案的流率曲线。线132是常规泵的流率曲线。

除了基本上相同的泵尺寸，被测试的泵都具有2880RPM的公称速度。

在许多行业中，具体地如那些与泳池过滤和水疗有关的行业，新兴的趋势是需要泵较慢运转。因此，这样的行业中的许多主要品牌的泵具有可变的速度。

泵的慢的运转由于压力上的减少而降低泵效率。然而，由于泵的慢的运转减少了泵送水的财务成本，表示为升每瓦时的能量效率是增加的。能量效率变得被视为比泵效率更重要。对此的一个原因是大多数的泵送应用仅需要这样的泵送压头，所述泵送压头显著小于泵能够生成的泵送压头。结果就是泵越来越多地为了最高的“能量效率”二被选择。

在图15中，同样的参考编号指图10到14中同样的部件。线129是本发明的泵的被测试的实施方案以降低的RPM运行的效率曲线。线131是在奢华行业中使用的常规泵的效率曲线。线134是本发明的泵的被测试的实施方案的升每瓦时曲线。线133是常规泵的升每瓦时曲线。

在图16中，同样的参考编号指图10到15中同样的部件。线136是本发明的泵的被测试的实施方案以降低的RPM运行的效率曲线。线138是在奢华行业中使用的另一个常规泵的效率曲线。线140是被测试的实施方案的升每瓦时曲线。线142是常规泵的升每瓦时曲线。

在图17和18中，参考编号200一般地表示泵的另一个示例性实施方案。参考在前的附图，同样的参考编号指同样的配件，除非另外说明。

泵200图示说明叶轮202的另外的可能位置。在该实施例中，叶轮202部分位于泵外壳206的入口204中。在使用中，流体被供给到或者拉入到区208中，涡流产生在区208中。

叶轮202具有前壁212、后壁214和一系列被置于壁212、214之间的叶片216，如叶轮16一样。外壳206的后壁218被成形来容纳叶轮16的后壁214。

如上文描述的，涡流的产生可以导致围绕涡流的旋转轴的区或区域中的空化作用。因此，泵200包括鼓状构件210的形式的抗空化构造，所述鼓状构件210从前叶轮壁212延伸到外壳206的前壁220。结果，构件210占据其中可能会发生空化作用的区。因此，鼓状构件210在那个区的存在抑制空化作用。

为了便利当构件210旋转时构件210周围流体的夹带，鼓状构件210具有大体上光滑的、连续的外表面。当构件210旋转时，流体被构件210夹带。这有助于涡流的产生。流体的夹带还起因于通过叶轮的流体注入，并且起因于相对平滑的壁212的旋转。

将被理解的是，在一些实施方案中，室直径与鼓状构件直径的比率可以被用作制造指南。在该实施方案中，约200mm的泵室直径将适合约100mm的鼓构件直径。因此，选择具有泵室直径的约一半的直径的鼓可以提供有用的结果。

发明人想到，本领域普通技术人员可以进行一定数量的测试，以取决于所需要的泵特性确定其他尺寸。

在图19和20中，参考编号150一般表示泵的另外的示例性实施方案。参考在前的附图，同样的参考编号指同样的配件，除非另外说明。

泵150包括壳体152，所述壳体152在图21和22中被示出为单独的部件。壳体152被配置来安置在现有的泵外壳153中。壳体152包括后壁154，所述后壁154具有基本上平的或平坦的内部后表面156(图21)。后壁154限定入口158，所述入口158被成形来容纳叶轮160，从而叶轮160可以将流体从入口158驱动到由壳体152限定的泵室162中，以便创建涡流。如上文描述的，一旦涡流被建立，大气压力随后将流体从入口150驱动通过叶轮160并且进入到室162中。叶轮160可以被安装在壳体152中并且以常规方式被驱动。因此，驱动轴可以穿过盖体被接收(未示出)，以接合叶轮160的毂164，从而叶轮160可以被驱动。

叶轮160可以被配置来替代常规泵的现有的叶轮。

因此，在使用中，现有的叶轮可以被移除。壳体152被插入到外壳153中。叶轮160被布置在壳体中，并且经由盖体被连接到驱动轴。

壳体152包括侧壁166，所述侧壁166以相对于后壁154大体上垂直的方式延伸，并且限定内部表面167。出口168被布置在侧壁166上，与泵室162是流体连通的。盖体(未示出)可以被紧固到侧壁166，以限定基本上平的或平坦的内部前表面。与泵10一样，内部表面限定具有小于约10mm的内半径的拐角。

叶轮160与叶轮16的类似之处在于径向轮廓限定大体上90°的角。因此，室162的整体径向轮廓限定大体上90°的角。对此的原因被参考泵10描述。

取代插入体52，涡流成形构造169以与叶轮160的壁40大致轴向对齐的方式从内部表面167径向向内突出。涡流成形构造169形成壳体152的一体的部分，并且具有与插入体52的尺寸基本上相同的尺寸。结果就是，固体涡流可以以类似于上文描述的方式的方式被创建在室162中。共同的参考编号以与插入体52和构造169相关的方式被使用。

涡流成形构造169的前沿表面60相对于出口168被安置，从而叶轮壁40的周边和内部表面167之间的径向距离在出口168处最大。结果，因为参考泵10时描述的原因，扩散区中的静态压力在出口168处最大。

要被理解的是，参考图7描述的环境也被设置在泵150中，并且在泵的各种示例性实施方案中。

要被理解的是，壳体152可以被配置成适合各种各样不同的泵。例如，壳体152的外部配置可以是适合于各种各样不同的泵的外壳的。

发明人想到，壳体152和外壳153可以是以一体的部件的形式。那种实施方案不会被用来改装现有的泵，而是宁可构成泵自身的基础。

在图23到25中，参考编号230一般表示泵的示例性实施方案。参考在前的附图，同样的参考编号指同样的配件，除非另外说明。

由于内部体积与围绕泵壳体壁的表面面积的几何比率变化，常规离心泵具有尺寸限制。一旦达到某个尺寸，对于入口和出口将具有不足的泵壳体壁面积。体积流动容量不能够由入口和出口的截面积来调节。如果不是不可能的话，生产直径4米大的常规离心泵可能是极其困难的。一般，3米被认为是上限。

如上文描述的，各种示例性实施方案没有利用物理或结构性扩散器来产生必需的静态压力。在较低的速度下，结构性扩散器是流体流动的阻碍物。在某个尺寸之上，使用常规的扩散器要达到足够的速度以避免这个问题是困难的。

没有结构性扩散器允许在比离心泵可获得的尺寸更大的尺寸下，适合的或者功能性的流率。然而，将被理解的是，涡流的周边速度必须被保持在实际极限内。

泵230具有水库状外壳232。外壳232是浇注在地面的。外壳232可以以混凝土浇注。外壳232可以具有大于4米的直径。

间隔墙234将外壳232沿直径分开。外壳232限定由壁234分开的泵室236(图23)和入口室238。壁234限定用于检查与维修的进入孔248。

叶轮240被安装在泵室236中。叶轮240被马达轴242驱动，所述马达轴242延伸通过外壳232的顶部244。顶部244限定用于检查与维修的进入孔248。

适合的出口(未示出)可以以早先描述过的方式被提供在外壳232上。

叶轮240和外壳232具有早先描述的实施方案的按比例放大的配置。因此，涡流可以被创建在区250中。涡流成形布置(未示出)可以被提供在泵室中。

发明人想到，泵230可以以与流率相比低的速度运转。发明人还想到，建造泵230的成本将少于生产具有类似的流率性能的离心泵的成本。对此的原因包括使用低成本材料(如混凝土)的能力。被想到的是，泵230将被现场建造。因此，完成的泵的运输成本被避免。

发明人想到，叶轮240还可以由适合的材料现场浇注。这样的材料的实施例是混凝土。

至少涡流成形机构将各种示例性实施方案与新流体'317中描述的泵区分开。

在图26到29中，参考编号260一般表示泵的示例性实施方案。参考在前的附图，同样的参考编号指同样的配件，除非另外说明。

泵260包括不同于上文描述的叶轮的叶轮262。

叶轮262被配置来限制流体流出叶轮262，以允许在流体被释放到泵室46中之前积聚叶轮262内的流体压力。结果，通过叶轮262的流少于在前的实施方案中通过叶轮262的流，但是在更高的压力或者泵送压头下。结果就是，该示例性实施方案对于那些在降低的流率下需要更高的压力的应用是有用的。

限制流率可以以许多种不同方式实现。例如，如在图27中可以看出的，周边唇部或者遮盖部264从叶轮后侧40.2轴向延伸。遮盖部264和叶轮前壁40.1的周边边缘266一起限定环形槽268。因此，当叶轮262旋转时，流体在一定程度上被限制免于从叶轮262排出。在该实施方案中，流体从叶轮262被径向逐出或排出。

取决于需要的特性，槽268在尺寸上可以变化。例如，1mm和4mm之间的槽宽度可以更适合具有约105mm和110mm之间的直径的叶轮。这样的叶轮可以在前壁和后壁40.1和40.2之间具有在约8mm和15mm之间的间隙。入口构造可以具有约40mm和50mm之间的直径。

如在附图中可以看出的，遮盖部264和后壁40.2大体上上以与彼此成直角的方式被创建。因此，如之前，泵室46包括由大体上限定相对于彼此大致90度的角的部件。

如上文描述的，当叶轮262旋转时，壁40、48夹带流体并且有助于形成涡流。遮盖部264还是相对平滑的并且因此有助于流体的夹带和涡轮的产生。

“加帽”或者“限制”从常规离心泵的叶轮的流动将是与直觉相反的。对此的原因是叶轮需要直接作用在流体上以在扩散器中积聚压力。相反，泵的示例性实施方案可以从限制通过叶轮的流动以增加泵送压头(同时在某些泵送应用中减少流动)中受益。

在图30和31中，参考编号270一般表示可以替代上文描述的叶轮中任一个的叶轮组件。

叶轮组件270包括叶轮16。因此，在前使用的与叶轮16相关的参考编号被再次使用来指同样的配件或部件。

叶轮组件270包括具有前遮盖部272的遮盖部结构。前遮盖部272包括第一本体或壁274。遮盖部272限定具有周边凸缘278的孔276，所述周边凸缘278被配置来装配到入口构造34上，以将该遮盖部272安装到前叶轮壁40.1上。

遮盖部272具有与叶轮16的半径基本上相同的半径。环形轴向壁280从壁274向后延伸，以嵌在前壁48.1内。因此，前遮盖部272可以被装配到叶轮前壁40.1和壁280，所述叶轮前壁40.1具有周边凸缘278，所述壁280在入口构造34和壁48.1之间。

叶轮组件270包括后遮盖部282。后遮盖部282具有径向延伸的壁284。壁284限定孔286，以容纳叶轮16的毂288。为了那个目的，壁284的内部周边凸缘290接合毂288。

环形轴向壁292从壁284向前延伸，以嵌在后壁48.2内。因此，后遮盖部282可以被装配到叶轮后壁40.2和壁284，所述叶轮后壁40.2具有周边凸缘290，所述壁284在毂288和壁38.2之间。

壁284的直径比叶轮后壁40.2的直径大预先确定的程度。环形唇部或者遮盖部294从壁284的外周边大体上轴向延伸。遮盖部294以与前壁274对齐的方式终止，从而限定朝向轴向向前的或者轴向向前打开的环形间隙或者槽296。

因此，内部室298被叶轮组件270和遮盖部272、282限定，其中室298的入口被叶轮16限定，并且出口被槽296限定。

当叶轮组件270旋转时，流体以常规方式被驱动到室298中。槽296被确定尺寸以允许在室298内积聚压力。换言之，槽296限制流体流出室298。一旦流体在室298外面，固体涡流就围绕叶轮组件270被创建，如上文描述的。

如在前的实施方案一样，遮盖部272、282是相对平滑的材料，毂288也是。此外，后遮盖部282的壁284大体上垂直于毂288。因此，流体可以围绕叶轮组件270被夹带，以激励固体涡流的产生并且抑制空化作用。叶轮组件270和泵室46的几何结构，如上文描述的，抑制固体涡流的瓦解。

如上文陈述的，在常规泵中限制流体从叶轮到扩散器的流动将是与直觉相反的。固体涡流以上文描述的方式的建立和维持导致在那些应用中，限制流体流动到固体涡流中是符合期望的，在所述那些应用中需要减少流量并且增加泵送压力或者泵送压头。

发明人想到，槽可以被定位在许多不同位置中的任一处。例如，如图30中示出的，槽268可以朝向轴向向前或向后，而不是朝向径向。同样，槽296可以朝向轴向向后而不是向前。同样，槽296可以朝向径向。

由于压力差，从槽排出的流体被旋转的叶轮组件270夹带并且被供给到固体涡流中。如上文描述的，这导致流体通过扩散通过界面68进入扩散区70，如上文描述的。

流动被限制通过叶轮16的事实允许具有叶轮组件270的泵的效率在较低的流率下被提高。例如，发明人已经发现，用来产生图10和16中的图表的本发明的泵的实施方案可以在较低的流率下具有这样的效率，所述效率比具有类似物理特性的常规泵更低。例如，参见图14和15。发明人已经发现，当使用叶轮202或者叶轮组件270时，沿整个轴88、116，泵的效率曲线可以比常规泵的效率曲线更高。

在该说明书中，使用术语“固体涡流”。这是与“旋转涡流”和“强制涡流”等同的术语。这些术语是泵送和流体动力学领域的普通技术人员一般所理解的术语。

固体涡流在泵壳体中的产生，为泵的各种示例性实施方案提供功能性。在固体涡流中的流体分子之间基本上不存在切变。结果就是水分子，说到方式，以径向和轴向两种方式在固体涡流内“排队”。结果，固体涡流中的流体的角速度在固体涡流内是恒定的。

固体涡流的原理教导固体状态可以被无限期地维持，只要给予流体足够的能量，并且流体被保留在一结构中，所述结构具有激励固体涡流产生的几何结构。

在各种示例性实施方案中，叶轮为建立和维持涡流给予需要的所有能量。一旦固体涡流被产生，涡流中的相对低压力引起流体在大气压力下被驱动到泵壳体中并且进入涡流中。流体通过扩散进入扩散体积，以便维持涡流中的体积平衡。那在扩散体积中产生泵送压力或者泵送压头。

符合期望的是，固体涡流在平面中具有大体上平的侧面，所述平面垂直于涡流的旋转轴。因此，在各种示例性实施方案中，壳体和叶轮可以被配置来限定泵室，所述泵室具有被成形的轮廓，从而流体的实体环形主体可以在泵室内旋转。

例如，在一个实施方案中，叶轮可以是具有圆周周边的大体上圆柱形或者盘状的。因此，壳体和叶轮可以被配置，从而流体的实体环形主体可以在体积中旋转，所述体积至少位于叶轮的径向向外，并且与叶轮是流体连通的。体积的外圆周周边可以因此由固体漩涡原理限定，所述固体漩涡原理将适用于在那个体积中的流体主体。扩散体积可以因此具有被流体界面限定的内部圆周周边。

如上文提到的，固体涡流中的流体在通过涡流的径向上具有恒定的RPM。这导致在界面处的涡流率度，所述在界面处的涡流率度比在界面处的扩散体积中的流体的速度更高。在速度方面的这种差别和固体漩涡原理用来维持扩散体积中的固体涡流和流体，如单独的流体主体。因此，流体仅可以基本上通过扩散移动通过界面。

与直觉相反地，固体漩涡原理用来维持固体涡流的形状，抑制流体在向心力下进入扩散体积。

泵的各种示例性实施方案因此包括

泵壳体，所述泵壳体限定泵室，所述泵壳体具有入口和出口；

叶轮，所述叶轮相对于所述室布置以将流体从所述入口转移到所述泵室中；以及

涡流成形机构，所述涡流成形机构被布置在所述泵室中并且被配置来将所述泵室内的流体约束为围绕旋转轴的旋流模式，至少所述壳体和所述涡流成形机构被配置从而所述流体的一部分被激励来建立固体涡流，其中所述固体涡流的外周边由所述涡流成形机构确定，并且所述流体的一部分限定与所述出口流体连通的扩散区，从而流体可以扩散通过所述固体涡流和所述扩散体积之间的流体界面，以在所述出口处产生泵送压力。

涡流成形机构可以被配置来将所述泵室内的流体约束为所述旋流模式。所述壳体、所述涡流成形机构和所述叶轮可以被配置，从而所述流体的所述部分被激励来限定固体涡流。

泵壳体可以具有前壁、后壁和侧壁，所述侧壁被置于所述前壁和后壁之间。所述前壁和后壁可以限定基本上平的内部表面。所述入口可以被布置在所述前壁和后壁中的一个上，并且所述出口可以被布置在所述侧壁上。所述侧壁与所述前壁和后壁可以在拐角处相交，所述拐角具有小于10mm的曲率半径。

叶轮可以是安装在所述壳体中围绕所述旋转轴被旋转地驱动的大体上盘状的叶轮，并且所述叶轮可以具有一对相对的、大体上平的壁以及具有周边的径向轮廓，所述周边是大体上平的并且平行于所述叶轮的旋转轴。

叶轮的出口可以被配置，从而流体流出所述叶轮的流动被限制，以在所述叶轮内产生流体压力的积聚。所述叶轮的所述出口可以被轴向打开的周向槽限定。取而代之，所述叶轮的所述出口被径向打开的周向槽限定。

泵可以包括遮盖部结构，其中所述叶轮被布置。所述遮盖部结构可以限定流动限制孔，从而从所述叶轮到所述泵室中的流动被限制，以在所述叶轮内产生流体压力的积聚。

涡流成形机构可以被插入体限定，所述插入体被配置为位于所述侧壁的内部表面上。

插入体和侧壁的所述内部表面可以被配置，从而所述插入体可以以与所述叶轮大体上轴向对齐的方式被安置在所述内部表面上。

插入体可以具有外侧，所述外侧被成形以对应于所述侧壁的所述内部表面。内侧可以在前沿表面与所述外侧隔开，并且在尾端向所述外侧逐渐变小。

插入体可以具有前沿部分和尾部分，所述前沿部分具有沿一弧长度从所述旋转轴测量的恒定半径，所述尾部分具有从所述前沿部分到所述尾端不断增加的半径。

前沿表面可以具有弯曲的径向轮廓，以提供流动转捩同时抑制空化作用。

所述外侧和内侧以及所述前沿表面可以被轴向置于大体上平的径向侧面之间。

涡流成形机构可以是形成所述壳体的一体的部分并且轴向突出到所述泵室中的涡流成形构造的至少一部分。

涡流成形构造可以具有内侧，所述内侧在前沿表面与所述侧壁的内部表面径向隔开，并且可以在尾端向所述外侧逐渐变小。

前沿表面可以具有弯曲的径向轮廓，以提供流动转捩同时抑制空化作用。

涡流成形构造可以具有至少一个大体上平的径向侧面。

内侧的前沿部分可以具有从所述旋转轴测量的恒定半径，以限定涡流成形机构。内侧的其余的尾部分可以具有连续不断地增加的半径，以在所述尾端向所述内部表面逐渐变小。

泵组件的各种示例性实施方案包括

泵壳体，所述泵壳体限定泵室，所述泵壳体具有入口和出口并且被配置成布置在泵外壳内；

叶轮，所述叶轮相对于所述室布置以将流体从所述入口转移到所述泵室中；以及

涡流成形机构，所述涡流成形机构被布置在所述泵室中并且被配置来将所述泵室内的流体约束为围绕旋转轴的旋流模式，至少所述壳体和所述涡流成形机构被配置，从而所述流体的一部分被激励来限定固体涡流，其中所述固体涡流的外周边由所述涡流成形机构确定，并且所述流体的一部分限定与所述出口流体连通的扩散区，从而流体可以扩散通过所述固体涡流和所述扩散体积之间的流体界面，以在所述出口处产生泵送压力。

用于泵的涡流成形机构的各种实施方案，所述泵具有泵壳体和叶轮，所述泵壳体限定泵室，所述泵壳体具有入口和出口，所述叶轮相对于所述泵室布置以将流体从所述入口转移到所述泵室中，所述涡流成形机构适合于泵室中的布置并且被配置来将所述泵室内的流体约束为围绕旋转轴的旋流模式，从而所述流体的一部分被激励来建立固体涡流，其中所述固体涡流的外周边由所述涡流成形机构确定，并且所述流体的其余的部分限定与所述出口流体连通的扩散区，从而流体可以扩散通过所述固体涡流和所述扩散区之间的流体界面，以在所述出口处产生泵送压力。

在整个说明书包括权利要求书中，遵循以下的解释和定义：

a.表示取向或方向的词的使用不被认为是限制性的。因此，如“前”、“后”、“侧”、“向前”、“向后”、“后面”、“朝”的词及其同义词、反义词和派生词仅为了方便起见被选择，而不被视为限制性的。

b.“轴向”指叶轮或者固体涡流的旋转轴，其中叶轮不旋转。

c.“径向”指相对于上文描述的旋转轴大体上垂直地延伸的线或者轴。

d.当在流体流动中参考一部件使用时，“前沿”指朝向流体的流动中的局部(part)或部分(portion)。

e.当在流体流动中参考一部件使用时，“尾部”指与前沿局部(part)或部分(portion)相反的局部(part)或部分(portion)。

f.“流体”指物质的气态和液体状态两种。

g.“叶轮”指泵中能够从泵入口物理驱动流体并使其进入泵壳体或外壳中的部件中的任何部件或组件。

在整个说明书包括权利要求书中，在上下文允许的情况中，术语“包括(comprising)”及其变化如“包括(comprise)”或者“包括(comprises)”要被理解为包括所陈述的整体或者不必然排除任何其他整体的整体。

要理解上文采用的术语是为说明的目的，而不应该被视为限制性的。所描述的实施方案意为本发明的举例说明，而不是限制其范围。具有各种修改和增加的本发明能够被实践，正如对于本领域技术人员而言容易发生的那样。

本文以文字方式和/或图表方式描述所要求保护的主题的各种基本上和明确地实用的和有用的示例性实施方案，包括发明人已知的用来实施所要求保护的主题的最佳方式(如果有的话)。在阅读本申请的基础上，本文描述的一个或更多个实施方案的变化(例如，修改和/或增强)可以变成对于本领域普通技术人员是明晰的。发明人预期技术人员将酌情采用这样的变化，并且除了被详细地描述在本文中，发明人意在所要求保护的主题被实践。因此，当法律允许时，所要求保护的主题包括和涵盖所要求保护的主题的所有等同物以及对所要求保护的主题的所有改进。而且，上文描述的元件、活动及其所有可能的变化的每种组合都包含在所要求保护的主题中，除非另外在本文中清楚指出，清楚并且明确地放弃，或者在其他方面与上下文明显矛盾。

本文提供的任何和全部实施例或者示例性语言(例如，“如”)的使用，仅意在更好的说明一个或更多个实施方案，而不在对任何所要求保护的主题的范围构成限制，除非另外说明。说明书中没有语言应该被解释为表示任何未要求保护的主题对于所要求保护的主题的实践是必不可少的。

因此，不管本申请的任何部分(例如，标题、领域、背景技术、发明内容、描述、摘要、附图等)的内容，针对任何权利要求，除非清楚指出是相反的，如通过明确限定、声明或论证，或者与上下文明显矛盾，无论是本申请和/或要求本文优先权的任何申请的任意权利要求中的哪个，并且无论是最初呈递的或者其他方式的：

a.对于任何具体描述或者图示说明的特性、功能、活动或元件，任何具体的活动顺序，或者任何具体的元件相互关系没有要求；

b.没有特性、功能、活动或元件是“必不可少的”；

c.任何元件都可以是一体式的、分离式的和/或复件式的；

d.任何活动都可以重复，任何活动都可以由多个实体执行，和/或任何活动都可以在多个司法管辖区执行；并且

e.任何活动或元件都可以被特定排除，活动顺序可以变化，和/或元件相互关系可以变化。

术语“一(a)”、“一(an)”、“所述(said)”、“所述(the)”和/或类似的指示物在描述各种实施方案的上下文中的使用(尤其是在以下的权利要求书中的使用)，要被解释为涵盖单数和复数两者，除非本文另外指出，或者与上下文明显矛盾。术语“包括(comprising)”、“具有(having)”、“包括(including)”和“包含(containing)”要被解释为开放式的术语(即，意为“包括，但不被限制于”)，除非另外指出。

而且，当本文描述任何数目或范围时，除非另外清楚说明，那个数目或范围是近似的。本文值的范围的叙述仅意在充当各个提到落入所述范围内的每个单独值的速记方法，除非在本文中另外指出，并且由这样的单独的值限定的每个单独值和每个单独子范围被合并到说明书中，就好像是在本文中各个叙述的一样。例如，如果描述1到10的范围，那个范围包括在1和10之间的所有值如，例如，1.1、2.5、3.335、5、6.179、8.9999等，并且包括在1和10之间的所有子范围如，例如，1到3.65，2.8到8.14，1.93到9，等。

因此，除了权利要求书自身，本申请的每个部分(例如，标题、领域、背景、发明内容、描述、摘要、附图等)都要被视为本质上是说明性的，而不是限制性的，并且任何基于本申请发布的专利所要求保护的主题的范围仅由那个专利的权利要求书限定。

Claims (21)

1.一种泵，所述泵包括

泵壳体，所述泵壳体限定泵室，所述泵壳体具有入口和出口；

叶轮，所述叶轮相对于所述室布置以将流体从所述入口转移到所述泵室中；以及

涡流成形机构，所述涡流成形机构被布置在所述泵室中并且被配置来将所述泵室内的流体约束为围绕旋转轴的旋流模式，至少所述壳体和所述涡流成形机构被配置，从而所述流体的一部分被激励来建立固体涡流，其中所述固体涡流的外周边由所述涡流成形机构确定，并且所述流体的一部分限定与所述出口流体连通的扩散区，从而流体可以扩散通过所述固体涡流和所述扩散区之间的流体界面，以在所述出口处产生泵送压力。

2.如权利要求1中所要求保护的泵，其中所述涡流成形机构被配置来将所述泵室内的流体约束为所述旋流模式，所述壳体、所述涡流成形机构和所述叶轮被配置，从而所述流体的所述部分被激励来限定固体涡流。

3.如权利要求2中所要求保护的泵，其中所述泵壳体具有前壁、后壁和侧壁，所述侧壁被置于所述前壁和后壁之间，所述前壁和后壁限定基本上平的内部表面，所述入口被布置在所述前壁和后壁中的一个上，并且所述出口被布置在所述侧壁上，所述侧壁与所述前壁和后壁在拐角处相交，所述拐角具有小于10mm的曲率半径。

4.如权利要求3中所要求保护的泵，其中所述叶轮是安装在所述壳体中围绕所述旋转轴被旋转地驱动的大体上盘状的叶轮，并且所述叶轮具有一对相对的、大体上平的壁以及具有周边的径向轮廓，所述周边是大体上平的并且平行于所述叶轮的旋转轴。

5.如权利要求4中所要求保护的泵，其中所述叶轮的出口被配置，从而流体流出所述叶轮的流动被限制，以在所述叶轮内产生流体压力的积聚。

6.如权利要求5中所要求保护的泵，其中所述叶轮的所述出口被轴向打开的周向槽限定。

7.如权利要求5中所要求保护的泵，其中所述叶轮的所述出口被径向打开的周向槽限定。

8.如权利要求4中所要求保护的泵，所述泵包括遮盖部结构，其中所述叶轮被布置，所述遮盖部结构限定流动限制孔，从而从所述叶轮到所述泵室中的流动被限制，以在所述叶轮内产生流体压力的积聚。

9.如权利要求4中所要求保护的泵，其中所述涡流成形机构被插入体限定，所述插入体被配置为位于所述侧壁的内部表面上。

10.如权利要求9中所要求保护的泵，其中所述插入体和所述侧壁的所述内部表面被配置，从而所述插入体可以以与所述叶轮大体上轴向对齐的方式被安置在所述内部表面上。

11.如权利要求9中所要求保护的泵，其中所述插入体具有外侧和内侧，所述外侧被成形以对应于所述侧壁的所述内部表面，所述内侧在前沿表面与所述外侧隔开，并且在尾端向所述外侧逐渐变小。

12.如权利要求11中所要求保护的泵，其中所述插入体具有前沿部分和尾部分，所述前沿部分具有沿一弧长度从所述旋转轴测量的恒定半径，所述尾部分具有从所述前沿部分到所述尾端不断增加的半径。

13.如权利要求11中所要求保护的泵，其中所述前沿表面具有弯曲的径向轮廓，以提供流动转捩同时抑制空化作用。

14.如权利要求11中所要求保护的泵，其中所述外侧和内侧以及所述前沿表面被轴向置于大体上平的径向侧面之间。

15.如权利要求4中所要求保护的泵，其中所述涡流成形机构是形成为所述壳体的一体的部分并且轴向突出到所述泵室中的涡流成形构造。

16.如权利要求15中所要求保护的泵，其中所述涡流成形构造具有内侧，所述内侧在前沿表面与所述侧壁的内部表面径向隔开，并且在尾端向所述外侧逐渐变小。

17.如权利要求16中所要求保护的泵，其中所述前沿表面具有弯曲的径向轮廓，以提供流动转捩同时抑制空化作用。

18.如权利要求16中所要求保护的泵，其中所述涡流成形构造具有至少一个大体上平的径向侧面。

19.如权利要求16中所要求保护的泵，其中所述内侧的前沿部分具有从所述旋转轴测量的恒定半径，并且所述内侧的其余的尾部分具有连续不断地增加的半径，以在所述尾端向所述内部表面逐渐变小。

20.一种泵组件，所述泵组件包括

泵壳体，所述泵壳体限定泵室，所述泵壳体具有入口和出口并且被配置成布置在泵外壳内；

叶轮，所述叶轮相对于所述泵室布置以将流体从所述入口转移到所述泵室中；以及

涡流成形机构，所述涡流成形机构被布置在所述泵室中并且被配置来将所述泵室内的流体约束为围绕旋转轴的旋流模式，至少所述壳体和所述涡流成形机构被配置，从而所述流体的一部分被激励来限定固体涡流，其中所述固体涡流的外周边由所述涡流成形机构确定，并且所述流体的一部分限定与所述出口流体连通的扩散区，从而流体可以扩散通过所述固体涡流和所述扩散区之间的流体界面，以在所述出口处产生泵送压力。

21.一种用于泵的涡流成形机构，所述泵具有泵壳体和叶轮，所述泵壳体限定泵室，所述泵壳体具有入口和出口，所述叶轮相对于所述泵室布置以将流体从所述入口转移到所述泵室中，所述涡流成形机构适合于泵室中的布置并且被配置来将所述泵室内的流体约束为围绕旋转轴的旋流模式，从而所述流体的一部分被激励来建立固体涡流，其中所述固体涡流的外周边由所述涡流成形机构确定，并且所述流体的一部分限定与所述出口流体连通的扩散区，从而流体可以扩散通过所述固体涡流和所述扩散区之间的流体界面，以在所述出口处产生泵送压力。