CN106989028A - 用于输送高粘性流体的泵 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于输送高粘性流体的泵，其包括：壳体（2），其具有用于流体的至少第一入口（3）和出口（4）；叶轮（5），其用于将流体从入口（3）输送到出口（4），其中，所述叶轮（5）布置在可旋转轴（6）上以围绕轴向方向（A）进行旋转，并且包括面向泵的第一入口（3）的前盖板（7），其中，所述壳体（2）具有固定的叶轮开口（8），所述叶轮开口用于接收叶轮（5）的前盖板（7）且具有直径（D），其中，所述前盖板（7）与固定的所述叶轮开口（8）形成在轴向方向（A）上具有长度（L）的间隙（9），其中，间隙（9）的长度（L）与叶轮开口（8）的直径（D）的比值至多是0.092。

Description

用于输送高粘性流体的泵

技术领域

本发明涉及根据独立权利要求的前序部分的用于输送高粘性流体的泵。

背景技术

用于泵送高粘性流体的泵用在许多不同行业中，例如在用于输送烃类流体的油气加工行业中。此处，这些泵用于不同的应用中，例如从油田提取原油、通过管线或在炼油厂内运输油或其它烃类流体。而且在例如食品业或化学工业的其它行业中，常常也需要输送高粘性流体。

流体的粘度是对于流动流体中所产生的内部摩擦的量度和流体的特征性质。在本申请的框架内，术语“粘度”或“粘性”用来指定流体的运动粘度，且应如此来理解术语“高粘性流体”，即流体具有至少10^-4 m²/s（其是100厘沲（cSt））的运动粘度。

为泵送高粘性流体，利用离心泵是已知的。用离心泵泵送高粘性流体比（例如）泵送水需要明显更大的泵功率。流体的粘度变得越高，泵所需的功率越大，以递送所需的泵送体积。尤其是在油气行业中，主焦点（至少是在过去）已经在于泵送体积（即，由泵产生的流）和泵的可靠性上，而非泵的效率。然而，现今是力求对泵的更有效使用。需要使由泵进行递送的动力（尤其是液压动力）与驱动泵所需的功率具有可能的最大的比值。这种需求主要基于渐增的环保意识和有责任地处理可用资源，以及基于渐增的能量成本。

为改进用于泵送高粘性流体的泵的效率，已知的是使用特定叶轮设计，尤其是具有高扬程系数的叶轮。能够例如通过增大叶片出口角或叶片的数量或叶轮出口宽度来增大叶轮的扬程系数。尽管有这些措施，但仍需要甚至更多地改进用于泵送高粘性流体的泵的效率。

发明内容

因此，本发明的目标是提出一种用于输送高粘性流体的新型泵，其具有更好的效率，即，在泵送流体时由泵递送的动力与供应到泵以驱动该泵的功率的比值增加。

满足此目标的本发明的主题的特征在于独立权利要求中的技术特征。

因此，根据本发明，提出一种用于输送高粘性流体的泵，其包括：壳体，其具有用于流体的至少第一入口和出口；叶轮，其用于将流体从入口输送到出口，其中，所述叶轮布置在可旋转轴上以围绕轴向方向进行旋转，并且包括面向泵的第一入口的前盖板，其中，壳体具有固定的叶轮开口，该叶轮开口用于接收叶轮的前盖板并且具有直径，其中，所述前盖板与固定的所述叶轮开口形成在轴向方向上具有长度的间隙，其中，间隙的长度与叶轮开口的直径的比值至多是0.092。

特别地，本发明基于以下发现：当泵送高粘性流体时，通过将叶轮前盖板与固定的叶轮开口之间的间隙设计成显著短于现有技术中已实现的长度，可提高泵效率。

需要所述间隙（其有时也称为迷宫，labyrinth）以将叶轮的高压侧（更具体地，侧室）与泵的入口密封开来。叶轮布置在固定的叶轮开口中，该叶轮开口是泵的相对于壳体固定的一部分并且适于接收叶轮。在安装状态下，叶轮位于所述叶轮开口中，使得在叶轮前盖板的外周向表面与固定的叶轮开口的内周向表面之间存在间隙或迷宫。此间隙在轴向方向上具有长度，所述长度提供在位于叶轮高压侧上的侧室与泵的入口（其是泵的低压侧）之间的密封。

在泵的操作期间，产生回流，其从叶轮的高压侧（对于单级泵而言，其是在泵出口附近的区域）穿过侧室，并且穿过前盖板与固定的叶轮开口之间的间隙流回到叶轮的低压侧。

间隙或迷宫分别设计为径向游隙密封或迷宫，即其提供相对于径向方向的游隙。因此，穿过间隙的主流是在轴向方向上，即平行于轴。这必须与垂直于轴或相对于轴倾斜地延伸的轴向游隙密封或迷宫加以区别，因此，穿过轴向游隙密封的主流是在径向方向上或相对于径向方向倾斜。在轴向游隙密封中，轴向方向上的游隙在固定部分和旋转部分于轴向方向上发生相对运动时发生改变，其中，在径向游隙密封中，径向方向上的游隙在固定部分和旋转部分于径向方向上发生相对运动时发生改变。

基本的发现是：由于本发明提出的间隙（即，迷宫）的短的轴向长度，所以跨越间隙的功率损耗尤其因为侧室中阻力的减小而减少。另一方面，可预期：间隙的缩短将引起密封作用减小，因此增加泵中的回流。然而，回流速率的增大降低泵效率，且因此与改进效率相抵触。因此，意外的发现在于：通过关于轴向方向来缩短间隙，尽管有回流速率提高的风险，但是整体泵效率增加。

根据本发明，间隙的长度应不超过叶轮开口的直径的0.092倍。

间隙的最佳长度取决于若干因素，例如流体的粘度。因此，根据特定的应用，可优选的是，间隙的长度与叶轮开口的直径的比值至多是0.073，且优选地至多是0.055。

还存在这样的应用，即对于这些应用而言，当间隙的长度与叶轮开口的直径的比值至多是0.037且优选地至多是0.019时，这是有利的。

出于实际原因，还存在对于间隙的长度的优选下限。根据优选设计，间隙的长度与叶轮开口的直径的比值至少是0.0001。

为了由间隙产生所需的密封效果，优选的是，前盖板与叶轮开口之间具有径向游隙，该径向游隙是叶轮开口的直径的至多0.0045倍。径向游隙是间隙关于径向方向（即，垂直于轴向方向）的延伸，且可视为间隙的宽度。此径向游隙是沿所述间隙在叶轮前盖板的外周向表面与固定的叶轮开口的内周向表面之间的最小距离。

界定所述间隙的两个表面可设计为平表面。

根据另一个实施例，间隙包括关于轴向方向连续地布置的多个凸出部，其中，两个相邻的凸出部分别由凹槽分隔开。在此类实施例中，界定间隙的两个表面不是平的。叶轮前部的外周向表面的界定间隙的部分或固定的叶轮开口的内周向表面的界定间隙的部分可具有位于其间的多个凸出部和凹槽。在此类实施例中，间隙在轴向方向上的长度定义为所有单独的凸出部在轴向方向上的长度的总和。凹槽不构成间隙在轴向方向上的总长度。

根据优选实施例，固定的入口开口包括关于径向方向界定间隙的耐磨环，所述耐磨环布置成相对于壳体是固定的。

补充地或作为可替代措施，也有可能的是，叶轮包括关于径向方向界定间隙的耐磨环，所述耐磨环布置成相对于叶轮是固定的。

本发明尤其适合于许多类型的离心泵。泵可设计为（例如）单吸泵或双吸泵、单级泵或多级泵。当泵设计为单吸泵时，除前盖板外，其还可具有位于叶轮上的后盖板。在此类设计中，也有可能的是，叶轮的后盖板与相对于壳体固定的部分形成间隙。后盖板处的此间隙可以与如关于叶轮前盖板处的间隙所解释地近似相同的方式来设计。

根据优选实施例，泵设计为双吸泵，其具有用于流体的第二入口，所述第二入口布置成与泵的第一入口相对，其中，叶轮设计为双吸叶轮，所述双吸叶轮包括用于将流体从第一入口与第二入口两者输送到出口的多个叶片。

对于如双吸泵的此类设计而言，优选的是，叶轮包括面向泵的第二入口的第二前盖板，其中，壳体具有固定的第二叶轮开口，所述第二叶轮开口用于接收叶轮的第二前盖板并且具有直径，其中，第二前盖板与固定的第二叶轮开口形成在轴向方向上具有长度的第二间隙，并且其中，所述第二间隙的长度与所述第二叶轮开口的直径的比值至多是0.092。

根据特定应用，可优选的是，第二间隙的长度与第二叶轮开口的直径的比值也至多是0.073，且优选地至多是0.055。

还存在这样的应用，即对于这些应用而言，当第二间隙的长度与第二叶轮开口的直径的比值至多是0.037且优选地至多是0.019时，这是有利的。

而且，对于第二间隙而言，当第二前盖板与第二叶轮开口之间存在径向游隙，所述径向游隙是第二叶轮开口的直径的至多0.0045倍时，这是有利的。

当基本上以相同方式设计所述间隙和所述第二间隙时，这是尤其优选的措施。

根据基本应用，泵设计来使用在油气行业中。

本发明的另外的有利措施和实施例将从从属权利要求变得清楚的。

附图说明

下文将参考附图来详细解释本发明。以示意性表示来示出以下各项：

图1是根据本发明的泵的实施例的截面图，

图2是图1中的细节I的放大表示，

图3是前盖板和作为固定的叶轮开口的一部分的耐磨环的草图，

图4与图3类似，但针对的是实施例的变型；

图5是前盖板与固定的叶轮开口之间的间隙的设计的第二变型，以及

图6是根据本发明的泵与现有技术泵的比较的说明。

具体实施方式

图1示出根据本发明的泵的实施例的截面图，该泵整体上以附图标记1来指定。图2示出图1中的细节I的放大表示。泵1设计来用于输送高粘性流体，而术语“高粘性”是指流体的运动粘度至少是10^-4 m²/s，这是100厘沲（cSt）。

在此实施例中，泵1设计为双吸单级离心泵。此设计是一个优选实施例，其在实践中对许多应用均是有用的。当然，本发明并不限于此设计。根据本发明的泵也可设计为单吸离心泵或多级离心泵，或任何其它类型的离心泵。基于图1和图2中所示的实施例的描述，对于本领域的技术人员而言，根据本发明建立设计为另外的泵类型（尤其是离心泵，例如单吸泵）的泵是没有问题的。

双吸泵1包括壳体2，该壳体具有用于待泵送流体的第一入口3、第二入口3’和出口4。流体可以是（例如）原油、油或任何其它高粘性烃类流体。泵1具有叶轮5，该叶轮具有用于将流体从第一入口3和第二入口3’输送到出口4的多个叶片51。叶轮5布置在可旋转轴6上以围绕轴向方向A旋转。轴向方向A由轴6的轴线所限定，叶轮5在操作期间围绕该轴线进行旋转。轴6通过驱动单元（未示出）来进行旋转。

垂直于轴向方向A的方向称作径向方向。

第一入口3和第二入口3’布置成相对于轴向方向A彼此相对。因此，根据图1中的表示，流体在轴向方向A上从左侧与右侧两者流到叶轮5，而来自第一入口3的流体在与来自第二入口3’的流体相反的方向上流到叶轮5。叶轮5在径向方向上将来自第一入口3的流体与来自第二入口3’的流体两者输送到泵的出口4。

叶轮5包括前盖板7，该前盖板覆盖叶片51并面向泵1的第一入口3。由于在此实施例中叶轮5设计为双吸叶轮5，所以其包括第二前盖板7’，该第二前盖板面向第二入口3’并覆盖位于叶轮5的面向第二入口3’的一侧上的叶片51。

壳体2具有用于接收叶轮5的前盖板7的固定的叶轮开口8。固定的叶轮开口8相对于泵1的壳体2是固定的，并且具有直径为D的圆形截面，而该直径D指定固定的叶轮开口8的接收前盖板7的那部分的最小直径。

以类似的方式，壳体2包括用于接收叶轮5的第二前盖板7’的固定的第二叶轮开口8’。

在安装状态下，叶轮5同轴地布置在固定的叶轮开口8内，使得前盖板7的外周向表面面向固定的叶轮开口8的内周向表面。因此，前盖板7和固定的叶轮开口8形成前盖板7与固定的叶轮开口8之间的间隙9（也见图3）。间隙9也称为迷宫（labyrinth）。其具有大致环形形状并提供密封作用，如下文将解释地。间隙9具有长度L，该长度是间隙9在轴向方向A上的延伸。间隙9分别平行于轴6或平行于轴向方向A延伸。因此，回流流动穿过平行于轴6的间隙9并且在与流动穿过相应入口3的流体相反的方向上。因此，在通过相应入口3进入的流体的主流动方向上观察，间隙9的开始位置（即，流体进入间隙9所通过的开口）布置在间隙9的结束位置（即，流体离开间隙9所通过的开口）之后。

以类似的方式，第二间隙9’形成于第二前盖板7’与固定的第二叶轮开口8’之间。第二间隙9’在轴向方向A上具有长度L’，且固定的第二叶轮开口8’具有直径D’。间隙9’分别平行于轴6或平行于轴向方向A延伸。优选地，但非必要地，长度L’等于长度L，且直径D’等于直径D。由于第二间隙9’的设计和布置可与间隙9相同，所以以下描述将仅涉及间隙9。应理解到，此描述以近似相同的方式同样适用于第二间隙9’。

间隙9或迷宫9使位于叶轮5的高压侧上的侧室10与叶轮5的位于入口3处的低压侧密封开来。侧室10位于叶轮5的在泵1的出口4附近的高压侧处，并且由叶轮5的前盖板7以及泵1的壳体2划定界限。在泵1的操作期间，产生从出口4的区域穿过侧室10的回流。回流以大致在轴向方向A上（即，平行于轴6）流动的方式穿过间隙或迷宫9，并且到达叶轮5的靠近第一入口3的低压侧。显然，回流降低了泵1的效率。

因此，间隙9的其中一个功能是提供一定的密封作用以限制回流。那就是为何间隙9也称作迷宫的原因。

本发明的基本理念是：与从现有技术已知的解决方案相比来缩短间隙9在轴向方向A上的长度L（见图2和图3）。虽然能够预期长度L的缩短将导致回流增加，而回流增加又降低泵效率，但已认识到，通过缩短间隙9的长度L，可提高泵1的整体效率。

参考图2和图3，现将更详细地解释间隙9的设计。在根据图1的实施例中，固定入口开口8包括耐磨环11，该耐磨环关于径向方向界定间隙9。耐磨环11面向被插入于固定入口开口8中的前盖板7的外周向表面。耐磨环11固定地安装到壳体2，因此，耐磨环11相对于壳体2是固定的。

图3示出前盖板7和作为固定的叶轮开口8的一部分的耐磨环11的草图，以更清楚地理解间隙9的尺寸。

根据本发明，间隙9的长度L设计成使得长度L与叶轮开口8的直径D的比值至多是0.092，即，L/D ≤ 0.092。如已经说过地，直径D指固定的叶轮开口8的最小直径，即其中耐磨环11最靠近前盖板7的外周向表面的那个位置处的直径。间隙9的长度L是其中固定的叶轮开口8与前盖板7最接近彼此的那个区域在轴向方向A上的延伸。

在图3中所示的布置中，耐磨环11设计成在径向方向上具有突起部111。因此，间隙9的长度L等于突起部111在轴向方向9上的延伸。

限定间隙9的几何形状的第二参数是沿间隙9的轴向延伸分别在前盖板7与固定的叶轮开口8或耐磨环11之间的径向游隙R。径向游隙R指定沿间隙9的最小径向游隙。

在实践中，当径向游隙R不超过固定入口开口8的直径D的0.0045倍时（即，优选地，满足条件R/D ≤ 0.0045），这已证明是有利的。

间隙9的最佳长度L取决于相应的应用。影响对间隙9的长度L的适当选择有若干因素，例如待泵送的特定流体的运动粘度、由泵产生的压力增加、通过泵的流量或泵1的其它操作参数。

对于泵1的一组给定的操作参数而言，间隙9的长度L应优选地随着待泵送流体的粘度的增加而减小。

在实践中且根据不同应用，可优选的是，比值L/D不超过0.073，或更优选地不超过0.055，或甚至更优选地不超过0.037，或特别优选地不超过0.019。

根据泵1的优选实施例，最小比值L/D为0.0001，即间隙9的长度L优选地分别为固定的叶轮开口8或耐磨环11的直径的至少0.0001倍。

图4以与图3类似的表示来示出泵1的实施例的变型。根据此变型，叶轮5（且更具体地，叶轮5的前盖板7）包括关于径向方向界定间隙9的耐磨环11’。耐磨环11’固定地连接到叶轮5并随叶轮5一起旋转。在此变型中，固定的叶轮开口8也可包括耐磨环11，而且还可设计成无耐磨环。

图5说明前盖板7与固定的叶轮开口8之间的间隙9的设计的第二变型。根据第二变型，将固定的叶轮开口8或耐磨环11分别地（或可替代地（未示出）将前盖板7）设计成使得间隙9包括关于轴向方向A连续地布置的多个凸出部（land）12，其中，两个相邻的凸出部12分别由凹槽13分隔开。在此类设计中，间隙9的总长度L是所有凸出部12在轴向方向上的单独的长度L1、L2、L3、L4、L5的总和。凹槽的延伸不构成间隙9的总长度L，即L=L1+L2+L3+L4+L5。应理解到，凸出部和凹槽的数量以及图5中所示的其几何形状设计仅具有示例性特点。

与从技术现状已知的泵相比，根据本发明的泵1具有更好的泵效率。泵效率指由泵递送的动力与泵的功率输入（即，用来驱动泵的功率）的比值。由泵递送的动力通常为由泵1产生的液压动力。

图6说明根据本发明的泵与现有技术泵的比较。该图表将泵效率P示为由泵输送的流体的粘度V的函数。为了更好地理解的目的，该图表被标准化，使得现有技术泵的泵效率P等于水平的粘度轴V，即对于每个粘度而言，根据现有技术的泵的泵效率P始终位于V轴上。因此，该图表直接示出与现有技术泵相比根据本发明的泵1的泵效率的提高。根据本发明的泵的泵效率由曲线K表示。如能够清楚看到地，只要流体的粘度大于特定值V1，则根据本发明的泵1与现有技术泵相比具有提高的泵效率。效率增益随流体的粘度增加而增加。粘度的特定值V1（其中根据本发明的泵1变得比现有技术泵更有效）通常小于10^-4 m²/s的值。因此，对于高粘性流体而言，根据本发明的泵1具有高于现有技术泵的泵效率。

虽然已出于解释的目的参考了特定实施例（其中泵1设计为双吸单级离心泵），但本发明决不限于此类实施例。根据本发明的泵也可设计为任何其它类型的离心泵，例如，单吸泵或多级泵。特别地，本发明既可适用于具有闭合的叶轮（即，具有前盖板和后盖板的叶轮）的离心泵，又可适用于具有半开的叶轮（即，具有后盖板但无前盖板）的离心泵。在其中叶轮具有后盖板或仅具有后盖板的此类设计中，针对后盖板，根据本发明的间隙9的设计可以使用与本文中参考前盖板所描述的方式近似相同的方式。

Claims (15)

1.一种用于输送高粘性流体的泵，其包括：壳体（2），其具有用于所述流体的至少第一入口（3）和出口（4）；叶轮（5），其用于将所述流体从所述入口（3）输送到所述出口（4），其中，所述叶轮（5）布置在可旋转轴（6）上以围绕轴向方向（A）进行旋转，并且包括面向所述泵的所述第一入口（3）的前盖板（7），其中，所述壳体（2）具有固定的叶轮开口（8），所述叶轮开口（8）用于接收所述叶轮（5）的所述前盖板（7）并且具有直径（D），其中，所述前盖板（7）与固定的所述叶轮开口（8）形成间隙（9），所述间隙（9）在所述轴向方向（A）上具有长度（L），其特征在于，所述间隙（9）的所述长度（L）与所述叶轮开口（8）的所述直径（D）的比值至多是0.092。

2.根据权利要求1所述的泵，其中，所述间隙（9）的所述长度（L）与所述叶轮开口（8）的所述直径（D）的比值至多是0.073，且优选地至多是0.055。

3.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中，所述间隙（9）的所述长度（L）与所述叶轮开口（8）的所述直径（D）的比值至多是0.037，且优选地至多是0.019。

4.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中，所述间隙（9）的所述长度（L）与所述叶轮开口（8）的所述直径（D）的比值至少是0.0001。

5.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其在所述前盖板（7）与所述叶轮开口（8）之间所具有径向游隙（R），所述径向游隙（R）至多是所述叶轮开口（8）的所述直径（D）的0.0045倍。

6.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中，所述间隙（9）包括关于所述轴向方向（A）连续地布置的多个凸出部（12），并且其中，两个相邻的凸出部（12）分别由凹槽（13）分隔开。

7.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中，固定的入口开口（8）包括耐磨环（11），所述耐磨环（11）关于所述径向方向界定所述间隙（9），所述耐磨环（11）布置成相对于所述壳体（2）是固定的。

8.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中，所述叶轮（5）包括耐磨环（11’），所述耐磨环（11’）关于所述径向方向界定所述间隙（9），所述耐磨环（11’）布置成相对于所述叶轮（5）是固定的。

9.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其设计为双吸泵，其具有用于所述流体的第二入口（3’），所述第二入口（3’）布置成与所述泵的所述第一入口（3）相对，其中，所述叶轮（5）设计为双吸叶轮（5），所述双吸叶轮包括用于将所述流体从所述第一入口（3）与所述第二入口（3’）两者输送到所述出口（4）的多个叶片（51）。

10.根据权利要求9所述的泵，其中，所述叶轮（5）包括面向所述泵的所述第二入口（3’）的第二前盖板（7’），其中，所述壳体（2）具有固定的第二叶轮开口（8），所述第二叶轮开口用于接收所述叶轮的所述第二前盖板（7’）并且具有直径（D’），其中，所述第二前盖板（7’）与固定的所述第二叶轮开口（8’）形成第二间隙（9’），所述第二间隙（9’）在所述轴向方向（A）上具有长度（L’），并且其中，所述第二间隙（9’）的所述长度（L’）与所述第二叶轮开口（8’）的所述直径（D’）的比值至多是0.092。

11.根据权利要求9或10所述的泵，其中，所述第二间隙（9’）的所述长度（L’）与所述第二叶轮开口（8’）的所述直径的比值至多是0.073，且优选地至多是0.055。

12.根据权利要求9-11中任一项所述的泵，其中，所述第二间隙（9’）的所述长度（L’）与所述第二叶轮开口（8’）的所述直径（D’）的比值至多是0.037，且优选地至多是0.019。

13.根据权利要求9-12中任一项所述的泵，其中，其在所述第二前盖板（7’）与所述第二叶轮开口（8’）之间具有径向游隙，所述径向间隙至多是所述第二叶轮开口（8）的所述直径（D’）的0.0045倍。

14.根据权利要求9-12中任一项所述的泵，其中，基本上以相同方式设计所述间隙（9）和所述第二间隙（9’）。

15.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其设计来使用在油气行业中。