CN104813033B - 高效率低比转速离心泵 - Google Patents

Abstract

描述了一种离心泵，其包括：壳3；旋转轴9，其布置成用于在壳中旋转；多个泵级15、17，各泵级包括叶轮15，叶轮15固连在所述旋转轴9上并且布置成用于在形成于壳3中的相应叶轮室17中旋转。泵还包括多个密封部件，以用于减少旋转构件和相应的固定构件之间的泄漏。密封部件27、29中的至少一个包括顺应性盘部件的布置，该顺应性盘部件的布置在根部端部处以面对关系附接至相应的固定构件并且形成固定构件与相应的旋转构件之间的密封环。而且，至少一些泵级具有25或更小的比转速。

Description

高效率低比转速离心泵

技术领域

本公开涉及对离心泵、尤其是(但不专指)多级离心泵的改进。更具体地，本公开涉及目标在于提高具有低比转速的离心泵的效率的改进。

背景技术

多级离心泵广泛地用于提高液体的压力。多级离心泵通常包括壳和布置用于在壳中旋转的轴。多个叶轮键入在轴上并且旋转地容纳于在泵壳中形成的相应的室中。

级间密封环和轴衬(bushing)配合在壳中并且与相应的叶轮共同作用，来密封各个叶轮的各侧，从而防止在一个叶轮的出口处输送的加压液体朝向上游级回流。密封环和密封轴衬的有效性较强地影响泵的整体效率。

一般而言，假设横跨泵、在泵入口与泵出口之间有一定压力差，则更高数量的级导致更有效的级间密封，因为横跨各密封环或密封轴衬存在更小的压降。这导致了泵的更高效率。相反地，尤其是在高压、多级离心泵的情况下，级的总数的降低导致横跨级间密封的增大的压降，并且因而导致增加的液体泄漏。

整体泵效率的下降在低比转速级的情况下是尤其相关的，即，在设计为利用高压头(high head)(即，出口压力与入口压力之间的高差异)处理降低的流速的这些泵级或多级泵中。

在处理的流体包含固体颗粒或多相流体的应用中，在离心泵中已经提议了轴衬密封件。但是，轴衬密封件具有有限的密封效率并且具有有限的压降能力。

因而，存在对更有效的级间密封布置的需要，尤其是在多级离心泵的低比转速级中。

发明内容

本公开涉及一种改进的密封布置，其能够提高单级或多级离心泵的效率，该离心泵包括壳、布置成用于在所述壳中旋转的旋转轴、和一个或多个泵级。各泵级包括叶轮，该叶轮固连在旋转轴上并且布置成用于在相应的叶轮室中旋转。还提供了多个密封部件，以用于减少泵的旋转构件与相应的固定构件之间的泄漏。在一些实施例中，泵级中的至少一个的密封部件中的至少一个包括顺应性盘或顺应性盘部件的布置，其在根部端部处以面对关系附接至相应的固定构件并且形成固定构件与相应的旋转构件之间的密封环。泵级中的一个或更多个具有限定为如下的比转速：

等于或小于25，其中

ω是以rpm表示的泵轴旋转速度

q是最佳效率点(BEP)处的以m³/s表示的横跨级的流速

h是以m表示的横跨级的扬程(head rise)。

在一些实施例中，各泵级具有不高于25的低比转速。在其它实施例中，泵可包括N个级且N-1个级具有等于或小于25的比转速。第一级，即，较接近泵入口或吸引侧的一级可不同于其余的级并且具有高于25的比转速。

在一些实施例中，多级泵中的一个或更多个、并且优选地除了一个以外的所有的、或所有的级的比转速可等于或小于23，优选地等于或小于22，并且更优选地等于或小于20，例如等于或小于15。

在一些实施例中，泵的各级包括入口侧密封部件和出口侧密封部件。至少一个、一些或所有级的至少入口侧密封部件包括如上面所描述地布置成面对关系的顺应性盘部件。具体而言，至少入口密封部件包括顺应性盘部件。入口侧密封部件可布置成用于与相应叶轮的叶轮进口共同作用。出口侧密封部件可布置成用于与相应叶轮的叶轮毂共同作用。在其它实施例中，泵级的一个、一些或所有出口侧密封部件包括顺应性盘部件。

在其它实施例中，包括顺应性盘部件的若干密封部件用在壳的固定部分或构件与旋转轴的一部分或构件(例如，与旋转轴一体地旋转的轴衬等)的一部分之间。

由顺应性盘部件形成的附加密封部件可提供在最外的泵级与包含机械密封件的轴端部之间，该机械密封件将泵与大气隔离。

在一些实施例中，泵可设有平衡鼓。可提供与平衡鼓共同作用的一个或更多个密封部件。一个或更多个所述密封部件可包括顺应性盘部件或由其形成。

顺应性盘部件有利地具有平直构造，带有如下剖面，该剖面具有轴向方向上的第一尺寸和在切向方向上的第二尺寸(盘的厚度)，第一尺寸大于第二尺寸，即，顺应性盘具有比其厚度大得多的轴向方向上的宽度。例如，轴向尺寸为切向尺寸的至少10倍。顺应性盘的窄剖面提供了切向方向上的弯曲可变形性和轴向方向上的刚度。

顺应性盘密封布置是本质上已知的。已知它们在涡轮中的应用。但是，顺应性盘部件还未设想用于涡轮泵。顺应性盘密封部件的特征在于总泄漏流，其为顺应性盘部件的末梢端部与旋转构件之间的泄漏和相邻顺应性盘部件之间的泄漏的结合。第一组成部分与密封直径成比例，并且第二组成部分与密封件高度和轴直径成比例。在涡轮泵密封布置中，密封高度与密封直径之间的比率是涡轮中的4-5倍。泵中的顺应性盘密封布置将因而导致不可接受的泄漏流。已经令人惊讶地发现，顺应性盘密封布置和低比转速级的组合导致令人惊讶地改善的密封效率，从而导致更高的泵效率。备选地，对于给定的总压头差，可利用减少的数量的级实现已知的泵中的相同效率。

尤其有利的布置提供一种迷宫式密封件，其包括带有一个或更多个裂缝的顺应性盘部件，该裂缝从径向最外根部端部朝沿着盘高度的中间位置延伸。约束至密封布置的固定部分的一个或更多个固定环在形成迷宫的顺应性盘部件的裂缝中向内径向延伸，这提高了密封布置的效率。

特征和实施例在下面公开，并且在形成本说明书的一体部分的所附权利要求中进一步阐述。上面的简要的描述阐述了本发明的各种实施例的特征，以便随后的详细描述可被更好地理解，并且以便对领域的本贡献可被更好地理解。当然，存在将在下文中描述并且其将在所附权利要求中阐述的本发明的其它特征。在该方面中，在详细说明本发明的若干实施例之前，应当理解的是，本发明的各种实施例在它们的应用中不限于构造的细节和在下列描述中阐述或在附图中示出的构件的布置。本发明能够有其它实施例并且以各种方式实践和进行。此外，应当理解的是，在本文中采用的措词和术语用于说明的目的，并且不应被认为是限制。

因此，本领域技术人员将理解的是，本公开所基于的观念可易于用作用于设计其它结构、方法、和/或用于执行本发明的若干目的的系统的基础。因而，重要的是，权利要求被认为包括这种等同构造，只要它们不脱离本发明的精神和范围。

附图说明

将易于获得本发明的公开的实施例及其附随优点中的许多的更完全的理解，因为其通过在结合附图考虑时参照下列详细描述而变得更好理解。

图1示出了多级、低比转速泵的示意剖面图；

图2示出了图1的泵的一个级的放大图；

图3示出了一个顺应性盘密封件的截面；并且

图4示出了顺应性盘密封布置的示意图。

具体实施方式

示范实施例的下列详细描述参照附图。不同附图中的相同参考标号指示相同或相似的元件。此外，附图不一定按比例绘出。此外，下列详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求限定。

遍及说明书对“一个实施例”、或“实施例”、或“一些实施例”的引用指的是结合实施例描述的具体特征、结构或特性包括在公开的主题的至少一个实施例中。因而，短语在“一个实施例中”或“在实施例中”或“在一些实施例中”的在遍及说明书的各种位置中的出现不一定意指(多个)相同的实施例。而且，特定特征、结构或特性可以以任何适当的方式结合在一个或更多个实施例中。

下列描述和附图特别涉及具有背靠背布置的称为轴承间泵的示范实施例。但是，本公开的特征的使用不限于该类型的泵。这些特征可易于延伸至例如多级泵，该多级泵具有一列式转子构造和平衡鼓。在本文中公开的主题的一些优点还可在单级离心泵，即，具有单个叶轮的泵中实现。

图1示出了根据多级离心泵1的竖直平面的纵向截面。离心泵1具有壳，其基本在3处表示并且包括筒5和盖7。壳3容纳由端部轴承11、13支撑的从动轴9。多个叶轮15扭转地连接在轴9上，并且与其一起旋转。各叶轮可容纳在室17中，室17具有轴向入口19和径向出口21(尤其见图2)。室17以本质上已知的方式串联地连接。各叶轮15和相应的室17形成一个泵级。

在图1示出的示范实施例中，离心泵1是所谓的背靠背泵，具有吸引歧管23A和输送或排放岐管23B。叶轮15分成相反地布置的叶轮的两个系列，它们分别标记为15X和15Y，布置成背靠背构造。穿过吸引岐管23A的入口流在第一、入口叶轮16中、在第一系列的叶轮15X中、随后在第二系列的叶轮15Y中连续地得到处理，并最终输送通过排放岐管23B。连接两组叶轮的流体沟槽提供在外筒5与在其中形成室17的内壳部分4之间。内壳部分4可由沿着平行于图1的截面的平面连接至彼此的两个半部形成。

在图1和图2示出的示范实施例中，各叶轮15包括叶轮毂15H和叶轮护罩15S，在它们之间布置有多个叶片15B。可为各个级提供入口侧密封部件和出口侧密封部件。更具体地，在叶轮护罩15S与壳之间，级间密封环27布置在级的入口侧处并且形成泵级的入口侧密封部件。级间密封环27布置在泵壳的固定部分与由叶轮护罩15S形成的叶轮进口(impellereye)15E之间，并且与所述叶轮进口15E共同作用。相似地，级间密封轴衬29在叶轮15的壳3与毂15H之间布置于级的出口侧处。密封轴衬29形成泵级的出口侧密封部件。

在此也相重地指定为“密封部件”的密封环和密封轴衬防止排出叶轮的加压液体朝向级的入口返回，并且防止随后级的入口处的液体从叶轮15的后部进入之前的级。

在一些实施例中，在沿着离心泵1的轴9的各种轴向位置中提供更多密封布置。在图1中，径向轴密封部件在轴9的轴承11、13附近的31和35处示出。又一中间径向轴密封部件33可在轴和固定壳3之间布置于轴9的中间位置中，从而分离两组背靠背布置的叶轮15X和15Y。

更具体地，轴密封部件31布置在轴终端部分9A与叶轮集合15X的最外的叶轮之间。轴密封部件35布置在相反的轴终端部分9B与叶轮集合15Y的最外的叶轮之间。带有双重叶轮16的辅助泵级可提供于轴密封部件35与轴终端部分9B之间。轴终端部分9A、9B分别在端部轴承11、13中得到支撑。外机械密封部件12和14可进一步分别提供在各轴承11、13与轴密封部件31和33之间。

在优选实施例中，密封部件27、29、31、33、35中的至少一个设计为顺应性盘密封布置。在一些实施例中，布置在旋转轴9上的仅一个、一些或全部轴密封部件31、33、35设计为顺应性盘密封布置。在其它实施例中，仅入口侧密封部件27、或出口侧密封部件29或二者设计为顺应性盘密封部件。在又一些实施例中，所有的密封部件27、31、33和35并且可能还有密封部件29设计为顺应性盘密封部件。

图3和图4示出了沿着包含离心泵1的旋转轴线的平面的纵向截面，和形成密封部件的顺应性盘部件的示范布置的透视图。仅作为实例，图3和4示出了绕叶轮15的叶轮进口提供的密封环27中的一个。

在图3和4示出的示范实施例中，密封部件27包括壳体37，其固定地连接至泵壳3。在一些实施例中，壳体37可包括后部环39和前部环41。在未显示的其它实施例中，可省略后部环39和/或前部环41。在图3和4的示意图中，前部环41和后部环39形成为壳体37的一体部分。在其它实施例中，例如，前部环可加工在壳3中。在后部环与前部环之间提供中间环形壁42。壳体37形成密封布置的固定构件。

顺应性盘部件43布置在壳体37中。如在图4中最佳显示，各顺应性盘部件43具有根部端部或根部43R和末梢端部或末梢43T，根部端部43R是顺应性盘部件的径向最外边缘，并且末梢是顺应性盘部件的径向最内边缘。顺应性盘部件43在它们的根部端部43处固定至壳体37。在图4所示的示范实施例中，顺应性盘部件43的根部端部固定至中间环形壁42。顺应性盘部件43朝轴9的旋转轴线A-A径向向内延伸，并且它们的末梢端部43T布置在相应的旋转构件附近或与其接触，在图3和4中示出的实例中，该旋转构件为相应叶轮15的叶轮进口15E。顺应性盘部件43布置成面对关系，即，面对面，并且相对于径向方向倾斜，来允许轴9在旋转方向fR上的旋转(图4)。

本领域技术人员将理解，顺应性盘部件的相似布置还可用于密封部件29和/或用于中间和端部密封布置31、33、35。密封部件31、33和35可包括具有径向向内定向的边缘的顺应性盘部件，该边缘与轴9的外表面直接地共同作用。在其它实施例中，如在图1中显示的，密封部件31、33、35包括轴衬31A、33A、35A，它们键入在轴9上并且与其一起旋转。顺应性盘部件与轴衬31A、33A、35A的外圆柱形表面共同作用。

在一些实施例中，各顺应性盘部件具有大体薄片状的形状。各顺应性盘部件可具有基本矩形的截面，其具有比切向方向上的尺寸大的轴向方向上的尺寸。顺应性盘部件因而轴向地具有刚性，但在切向方向上具有弯曲挠性。

在一些实施例中，各顺应性盘部件43包括至少一个裂缝，其从顺应性盘部件43的根部端部43R延伸至沿着顺应性盘部件的径向范围的中间位置。在图3和图4示出的示范实施例中，各顺应性盘部件43包括三个裂缝45A、45B、45C。裂缝优选地为直线的并且在径向方向上延伸。在示范实施例中，中央裂缝45B比侧部裂缝45A、45C长。顺应性盘部件43布置为使得裂缝45A、45B、45C对准。该布置形成围绕由顺应性盘部件43形成的密封布置延伸的三个环形槽道。固连至壳体37的对应的环47A、47B、47C径向地延伸入由顺应性盘部件的对准的裂缝45A、45B、45C形成的相应槽道中。在图4中显示的示范实施例中，环47A、47B和47C从壳体37的中间环形壁42延伸。

如在附图中作为实例显示的，环47A、47B和47C以及由面对的顺应性盘部件43中的裂缝45A、45B、45C形成的环形槽道可具有可变的径向长度。它们还可具有可变的轴向宽度。虽然在图3和4中示出的实施例中，三个裂缝45A、45B、45C提供在各顺应性盘部件43中，但是可基于例如设计考量而提供不同数量的裂缝并且相对应地提供不同数量的环47A、47B、47C。在其它、较不有利的实施例中，不提供环和槽道。顺应性盘部件在该情况下将为实心的而不是如在附图中绘出地有槽道。但是，如稍后将说明的，该简化的实施例提供较不有效的密封效果。

如在示范实施例中所显示的，裂缝的形状和环的截面形状可为矩形的，但是可代替地使用其它形状。例如，裂缝和环形环可具有V形或U形截面。

此外，如所示出的，顺应性盘部件43的外周也可为矩形的，或不同地定形，例如T形、梯形等，例如带有从根部端部到末梢的增大的宽度，或反之亦然。

如在上面所提到的，各顺应性盘部件43的狭窄截面提供轴向刚度和切向方向上的弯曲挠性。由环形地布置的顺应性盘部件43形成的密封部件，在密封部件的后部和前部侧之间的大压差的情况下，即，在由顺应性盘部件43的基本平面形状提供的轴向刚度引起的大压头值的情况下，也提供有效的密封功能性。由于顺应性盘部件43在轴向方向上的刚度，即使在横跨泵级的高压头差的情况下，密封布置在轴向方向上的变形也将是可忽略的，因而保留了密封功能性。

一个或更多个径向环47A、47B、47C和由顺应性盘部件43的裂缝45A、45B、45C形成的周向槽道的组合提供迷宫密封效果，从而为从密封部件的压力侧到吸引侧的泄漏流提供曲折路径，因而增加对泄漏流的抵抗力。

该尤其有效的密封布置导致特征在于低比转速的离心泵的提高的效率。离心泵的级的比转速可限定为：

其中

Ns=比转速

ω=泵轴旋转速度(rpm)

q=最佳效率点(BEP)处的流速(m³/h、1/s、1/min、m³/min、US gpm、British gpm)

h=扬程(m、ft)。

取决于使用的单位(国际单位制(SI)或US单位)，如在本文中所理解的，低比转速泵级是如下一个级，其中比转速为

Ns＜25(在SI制中)

Ns＜1290 在US制中。

多级离心泵通常具有多个级，这些多个级具有相同的叶轮。因而，具有低比转速的多级泵是其中所有级具有低比转速的一种泵。在一些实施例中，多级离心泵的第一级具有叶轮，其与离心泵的其余叶轮不同并且其可具有更高的比转速。

由于顺应性盘密封部件的密封功能性，故顺应性盘部件在离心泵(尤其是多级离心泵)中的使用允许减少级的数量且因而减少叶轮的数量，从而增大压头，即，横跨各级的压差，从而维持高整体泵效率。

虽然在本文中描述的主题的公开实施例已经在附图中显示，并且结合数个示范实施例在上面具体地且详细地完全描述，但是本领域技术人员将明白的是，许多修改、改变和省略是可能的，而不本质上脱离在本文中提出的新颖教导、原理和构思，和在所附权利要求中叙述的主题的优点。

因而，公开的创新的适当范围应当仅由所附权利要求的最广泛的释义确定，以便包括所有此种修改、改变和省略。此外，任何工序或方法步骤的顺序或次序可根据备选实施例而改变或重新排序。

Claims (13)

1.一种离心泵，其包括：壳；旋转轴，其布置成用于在所述壳中旋转；至少一个泵级，其包括叶轮，所述叶轮固连在所述旋转轴上并且布置成用于在形成于所述壳中的相应叶轮室中旋转；多个密封部件，各自布置成用于减少所述离心泵中的旋转构件与相应的固定构件之间的泄漏；其中，所述密封部件中的至少一个包括顺应性盘部件的布置，所述顺应性盘部件在根部端部处以面对关系附接至所述固定构件并且形成所述固定构件与相应的旋转构件之间的密封环，所述顺应性盘部件的轴向尺寸为其切向尺寸的至少10倍；并且其中，所述至少一个泵级具有限定为如下的比转速：

等于或小于25，其中

ω是以rpm表示的泵轴旋转速度；

q是最佳效率点处的以m³/s表示的横跨级的流速；

h是以m表示的横跨级的扬程。

2.根据权利要求1所述的离心泵，其特征在于，包括多个泵级，所述多个泵级各自包括叶轮，所述叶轮固连在所述旋转轴上并且布置成用于在相应的叶轮室中旋转。

3.根据权利要求2所述的离心泵，其特征在于，包括N个泵级，其中N-m个泵级具有等于或小于25的比转速。

4.根据权利要求3所述的离心泵，其特征在于，m=1。

5.根据权利要求2至4中的任一项所述的离心泵，其特征在于，所有的泵级具有等于或小于25的比转速。

6.根据权利要求2至4中的任一项所述的离心泵，其特征在于，各泵级包括入口侧密封部件，并且其中，所述入口侧密封部件中的至少一个包括顺应性盘部件的布置。

7.根据权利要求6所述的离心泵，其特征在于，所述多个泵级的各入口侧密封部件包括顺应性盘部件的布置。

8.根据权利要求6所述的离心泵，其特征在于，包括顺应性盘部件的布置的各入口侧密封部件布置且构造成用于与相应叶轮的叶轮进口共同作用。

9.根据权利要求2至4中的任一项所述的离心泵，其特征在于，至少一个泵级包括出口侧密封部件，所述出口侧密封部件布置且构造成用于与叶轮毂共同作用并且包括顺应性盘部件的布置。

10.根据权利要求2至4中的任一项所述的离心泵，其特征在于，各泵级包括出口侧密封部件，所述出口侧密封部件包括顺应性盘部件的布置。

11.根据权利要求1至4中的任一项所述的离心泵，其特征在于，包括在所述固定构件与所述旋转轴或安装在所述旋转轴上的轴衬之间的至少一个轴密封部件，其中，所述至少一个轴密封部件包括顺应性盘部件的布置，所述顺应性盘部件的布置在根部端部处以面对关系附接至所述固定构件并且形成在所述固定构件和所述旋转轴或安装在所述旋转轴上的所述轴衬之间的密封环。

12.根据权利要求1至4中的任一项所述的离心泵，其特征在于，所述密封部件中的至少一个的各所述顺应性盘部件包括至少一个裂缝，所述至少一个裂缝从所述顺应性盘部件的径向最外的根部端部径向地延伸入所述顺应性盘部件中直到径向中间位置，所述径向中间位置在所述顺应性盘部件的所述根部端部与径向最内的末梢端部之间，所述顺应性盘部件的裂缝对准以形成环形槽道；并且其中，附接至所述固定构件的至少一个固定环径向地延伸入由所述顺应性盘部件形成的所述环形槽道中。

13.根据权利要求1至4中的任一项所述的离心泵，其特征在于，所述密封部件中的至少一个的各所述顺应性盘部件包括多个裂缝，所述多个裂缝从所述顺应性盘部件的径向最外的根部端部径向地延伸入所述顺应性盘部件中直到径向中间位置，所述径向中间位置在所述顺应性盘部件的所述根部端部与径向最内的末梢端部之间，所述顺应性盘部件的裂缝对准以形成环形槽道；并且其中，附接至所述固定构件的多个固定环径向地延伸入由所述顺应性盘部件形成的所述环形槽道中。