CN108869234A - 离心泵和往复泵组合的小流量、高扬程高效输送装置 - Google Patents

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郑红海
朱祖超
缪宏江
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Abstract

本发明公开了一种离心泵和往复泵组合的小流量、高扬程高效输送装置。利用大流量、低扬程、高效率离心泵对流体介质进行增压获得流体能量后，利用往复泵驱动腔和排出腔面积比，对输送流量进行重新配置，减小装置的实际输送流量，利用往复泵将大流量、低扬程的流体能量高效地转化为小流量、高扬程的流体能量，最终实现了小流量、高扬程介质的高效率输送；利用大流量离心泵做流体做功产生的部分流体能量作为往复泵驱动能，以液压驱动形式替代了传统的带轮、曲柄连杆机构驱动，极大地缓解了传统往复泵中带轮、曲柄连杆机构所造成的强压力脉动，从而有效降低往复泵的振动激励源，同时增加了往复泵的使用寿命。

Description

离心泵和往复泵组合的小流量、高扬程高效输送装置
技术领域
本发明涉及了一种两种泵组合的输送装置，尤其是涉及了一种离心泵和往复泵组合的小流量、高扬程高效输送装置，适用于小流量、高扬程流体介质高效输送。
背景技术
在航空航天、石油化工、煤化工等领域，需要驱动装置提供足够的动力将介质输送到操作平台。这些领域往往需要给介质提供非常高的扬程而所需的流量又非常小，即小流量、高扬程介质。目前，在输送这类介质时往往采用小流量高扬程的高速离心泵或多级离心泵，这两个类型的离心泵具有相同的特点时泵的比转速均较低。而离心泵的比转速越低，泵的效率也越低(当泵的比转速小于30后，泵的效率往往只有10％～30％)，从而造成很大程度的能量浪费。
由于往复泵在输送介质的效率较高，效率一般能达到95％以上，因此也常常被用于输送小流量、高扬程介质。但是，传统往复泵的驱动装置中，往往利用带轮，通过曲柄连杆执行机构进行驱动，这种驱动方式的缺点是驱动装置的脉冲性大，造成往复泵内压力脉动明显，进而使得泵的振动噪声大；同时，曲柄连杆机构受到机械回转脉冲大、铰链易磨损等因素制约，造成其使用寿命较短。
发明内容
为了解决背景技术中输送小流量、高扬程介质时，离心泵输送效率低下，以及现有往复泵驱动的压力脉动太强、容易造成损坏等技术问题，本发明提出了一种离心泵和往复泵组合的小流量、高扬程高效输送装置。
本发明将大流量、低扬程、高效率离心泵(这类离心泵属于高比转速离心泵，效率高，一般能达到85～90％，甚至更高)与往复泵组合进行小流量、高扬程介质输送。本发明利用大流量、低扬程、高效率离心泵对流体介质进行一级增压获得流体能量，利用往复泵驱动腔和排出腔面积比，对输送流量进行重新配置，减小了装置的实际输送流量，利用往复泵将大流量、低扬程的流体能量高效地转化为小流量、高扬程的流体能量，最终实现了小流量、高扬程介质的高效率输送。同时，本发明利用大流量、低扬程、高效率离心泵对流体介质做功产生的流体能量作为往复泵驱动能，以液压传动取代了传统往复泵曲柄连杆机构的机械传动，缓解了往复泵传动中产生的强压力脉动，使往复泵具有更高的运行稳定性，增加了往复泵的使用寿命。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括蓄液池、离心泵进口管路、离心泵进口阀门、离心泵、离心泵出口管路、离心泵出口阀门、往复泵排出腔进口阀门、往复泵排出腔进口管路、往复泵排出腔、往复泵驱动腔进口管路、往复泵驱动腔进口阀门、往复泵驱动腔、往复泵驱动腔回水阀门、往复泵驱动腔回水管路、往复泵、往复泵活塞杆、往复泵排出腔出口管路、往复泵排出腔出口阀门和出口法兰；蓄液池经离心泵进口管路连接到离心泵入口，离心泵进口管路上设有离心泵进口阀门，离心泵出口管路上设有离心泵出口阀门；离心泵的出口经离心泵出口管路分为两路，一路经往复泵驱动腔进口管路连通到往复泵的往复泵驱动腔，往复泵驱动腔进口管路上设有往复泵驱动腔进口阀门；另一路经往复泵排出腔进口管路连通到往复泵的往复泵排出腔，往复泵排出腔进口管路上设有往复泵排出腔进口阀门；往复泵驱动腔经往复泵驱动腔回水管路连通回到蓄液池，往复泵驱动腔回水管路上设有往复泵驱动腔回水阀门；往复泵排出腔经往复泵排出腔出口管路连接到出口法兰，往复泵排出腔出口管路上设有往复泵排出腔出口阀门。
所述的往复泵驱动腔进口阀门和往复泵驱动腔回水阀门均为采用溢流阀，所述的往复泵排出腔进口阀门和往复泵排出腔出口阀门均为单向阀。
首先，通过离心泵对蓄液池内的流体进行做功，使得流体获得一级增压，将增压后的流体分成两路，一路进入往复泵驱动腔内成为往复泵的驱动源，另一部分流体进入往复泵排出腔内；
接着，通过往复泵驱动腔对往复泵排出腔内的流体进行做功，往复泵的往复泵活塞杆从往复泵驱动腔向往复泵排出腔移动，使得往复泵活塞杆推动往复泵排出腔内的流体获得二级增压后从出口法兰输送到外部液压需求场所；
然后，往复泵做功后回退，往复泵的往复泵活塞杆从往复泵驱动腔向往复泵排出腔移动，使得往复泵活塞杆推动往复泵驱动腔内的流体通过往复泵驱动腔回水管路回流至蓄液池内。
所述的离心泵的流量通过安装在泵前后的离心泵进口阀门和离心泵出口阀门进行调节，经过往复泵驱动腔的流量通过安装在腔前的往复泵驱动腔进口阀门和腔后的往复泵驱动腔回水阀门进行调节，进入往复泵驱动腔和往复泵排出腔内的流体分别通过往复泵驱动腔进口阀门和往复泵排出腔进口阀门调节；最后通过往复泵排出腔出口阀门调节，使得整个装置的输出流体按照实际所需进行流量和扬程之间调节，实现流体能量形式转换。
所述装置适用于小流量、高扬程流体介质的高效输送。
所述小流量、高扬程泵一般是指泵的比转速小于80，流量通常只有为几个、十几、几十个立方米每小时，而扬程高达几百几千米，例如流量为5m3/h，扬程为1500m、流量为50m3/h，扬程为3300m。
本发明在输送小流量、高扬程介质时采用离心泵与往复泵组合形式。
在本发明中，高比转速离心泵对输送介质进行一级增加，部分输送介质进入往复泵驱动腔内驱动往复泵工作，另一部分富余的介质则直接进入往复泵排出腔，通过往复泵做功后形成二级增压效果，通过调节往复泵驱动腔和排出腔的面积比，调整往复泵驱动腔流量和排出腔流量，最后达到整个装置所需要的小流量、高扬程、高效率输送效果。
在本发明装置中，离心泵采用大流量、低扬程、高比转速离心泵，此类离心泵比转速大效率高，效率往往能达到85～90％，甚至更高。往复泵的效率一般能达到95％以上。因此，整个小流量、高扬程介质输送装置的效率能达到80％以上。
本发明中，利用大流量、低扬程、高比转速离心泵做过后的部分流体能量作为往复泵的驱动源，取代了传统往复泵的曲柄连杆机构，以液压传动取代了机械传动，降低了往复泵输送流体介质的压力脉动，同时增加了往复泵的使用寿命。
本发明的有益效果是：
一、利用大流量、低扬程、高效率离心泵对流体介质进行一级增压获得流体能量，利用往复泵驱动腔和排出腔面积比，对输送流量进行重新配置，减小装置的实际输送流量，利用往复泵将大流量、低扬程的流体能量高效地转化为小流量、高扬程的流体能量，最终实现了小流量、高扬程介质的高效率输送；
二、利用大流量离心泵做流体做功产生的部分流体能量作为往复泵驱动能，以液压驱动形式替代了传统的带轮、曲柄连杆机构驱动，极大地缓解了传统往复泵中带轮、曲柄连杆机构所造成的强压力脉动，从而有效降低往复泵的振动激励源，同时增加了往复泵的使用寿命。
附图说明
图1是本发明装置工作示意图。
图中：1—蓄液池；2—离心泵进口管路；3—离心泵进口阀门；4—离心泵；5—离心泵出口管路；6—离心泵出口阀门；7—往复泵排出腔进口阀门；8—往复泵排出腔进口管路；9—往复泵排出腔；10—往复泵驱动腔进口管路；11—往复泵驱动腔进口阀门；12—往复泵驱动腔；13—往复泵驱动腔回水阀门；14—往复泵驱动腔回水管路；15—往复泵；16—往复泵活塞杆；17—往复泵排出腔出口管路；18—往复泵排出腔出口阀门；19—出口法兰。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明具体实施包括蓄液池1、离心泵进口管路2、离心泵进口阀门3、离心泵4、离心泵出口管路5、离心泵出口阀门6、往复泵排出腔进口阀门7、往复泵排出腔进口管路8、往复泵排出腔9、往复泵驱动腔进口管路10、往复泵驱动腔进口阀门11、往复泵驱动腔12、往复泵驱动腔回水阀门13、往复泵驱动腔回水管路14、往复泵15、往复泵活塞杆16、往复泵排出腔出口管路17、往复泵排出腔出口阀门18和出口法兰19。蓄液池1经离心泵进口管路2连接到离心泵4入口，离心泵进口管路2上设有离心泵进口阀门3，离心泵出口管路5上设有离心泵出口阀门6，通过离心泵进口阀门3和离心泵出口阀门6控制从蓄液池1进入离心泵4的流量；离心泵4的出口经离心泵出口管路5分为两路，一路经往复泵驱动腔进口管路10连通到往复泵15的往复泵驱动腔12，往复泵驱动腔进口管路10上设有往复泵驱动腔进口阀门11，通过往复泵驱动腔进口阀门11控制从离心泵4进入往复泵驱动腔12的流量；另一路经往复泵排出腔进口管路8连通到往复泵15的往复泵排出腔9，往复泵排出腔进口管路8上设有往复泵排出腔进口阀门7，通过往复泵排出腔进口阀门7控制从离心泵4进入往复泵排出腔9的流量；往复泵驱动腔12经往复泵驱动腔回水管路14连通回到蓄液池1，往复泵驱动腔回水管路14上设有往复泵驱动腔回水阀门13，通过往复泵驱动腔回水阀门13控制从往复泵驱动腔12排出到蓄液池1的流量；往复泵排出腔9经往复泵排出腔出口管路17连接到出口法兰19，往复泵排出腔出口管路17上设有往复泵排出腔出口阀门18，通过往复泵排出腔出口阀门18调节往复泵排出腔9从出口法兰19排出的输送流量。
往复泵驱动腔进口阀门11和往复泵驱动腔回水阀门13均为采用溢流阀，所述的往复泵排出腔进口阀门7和往复泵排出腔出口阀门18均为单向阀。
本发明通过调节驱动腔和排出腔的面积比和出口阀门实现输送流量的调节，通过调节往复泵活塞的行程可调节输送介质的压力脉动。
具体实施中，如图1所示，本发明的工作过程如下：
首先，通过具有大流量、低扬程、高效率的高比转速离心泵4(该泵的效率较高，一般能达到85～90％，甚至更高)对蓄液池1内的流体进行做功，使得流体获得总能量为ρgQ1H1，其中，ρ为液体密度，g为重力加速度，Q1为高比转速离心泵的流量，H1为高比转速离心泵扬程；将增压后的流体分成两路，一路进入往复泵驱动腔12内成为往复泵的驱动源，另一部分进行往复泵排出腔9内，进入往复泵驱动腔12内的流体和往复泵排出腔9内的流体流量比例可根据往复泵驱动腔12与往复泵排出腔9之间的面积比进行调节，大部分流体(流量为Q2)进入往复泵驱动腔内，少量流体(流量为Q3)进入往复泵排出腔9(进入往复泵排出腔内的流体流量根据实际工作场所的要求给定，流量Q2远远大于流量Q3，并且Q1＝Q2+Q3)。
通过大流量低扬程高比转速离心泵(效率高对流体进行后增压，流体介质具有的能量为ρgQ1H1。此时流体的流量Q1很大，而扬程H1很小，泵的效率很高(效率为85％以上)。流体介质通过增压后获得的能量，其中一部分流体(流量为Q2，所具有的流体能量为ρgQ2H2)进入往复泵驱动腔12，另一部分流体(流量为Q3，所具有的流体能量为ρgQ3H2)则直接进入往复泵排出腔9，还有一部分能量以其他方式损失，该能量损失几乎可忽略不计。此时流体的所具有的能量关系为：ρgQ1H1＝ρgQ2H2+ρgQ3H2+能量损失(式中，Q1＝Q2+Q3，能量损失主要为管路沿程损失可忽略不计，即H1＝H2)。
接着，往复泵驱动腔12内的流体(流量为Q2，所具有的流体能量为ρgQ2H2)通过往复泵15的往复泵活塞杆16对在往复泵排出腔9内具有能量的流体做功，使得往复泵排出腔9内的这部分流体(流量为Q3)获得二次增压，即通过往复泵15，将驱动腔12内流体能量ρgQ2H2转化成排出腔9内流体的能量；根据能量守恒定理，此时往复泵排出腔9内的流体(流量为Q3)的能量变为ρgQ3H3＝ρgQ2H2+ρgQ3H2-能量损失；由于往复泵排出腔内流体流量Q3很小，使得排出腔内的流体获得了极高的扬程H3。并且，根据往复泵的高效率(95％以上)可知，此时的能量损失在5％以下。
排出腔9内的流体(Q3)获得二级增压后从出口法兰19输送到外部工作场所。在这一做功过程中，由于高比转速离心泵效率高达85％以上，往复泵效率高达95％以上，因此，整个输送装置在输送小流量、高扬程介质时，整体效率能达到80％以上。
往复泵完成一次做功后，往复泵15的往复泵活塞杆16回退，往复泵15的往复泵活塞杆16从往复泵驱动腔12向往复泵排出腔9移动，使得往复泵活塞杆16推动往复泵驱动腔12内的流体通过往复泵驱动腔回水管路14回流至蓄液池1内。
离心泵4的流量通过安装在泵前后的离心泵进口阀门3和离心泵出口阀门6进行调节，经过往复泵驱动腔12的流量通过安装在腔前的往复泵驱动腔进口阀门11和腔后的往复泵驱动腔回水阀门13进行调节，进入往复泵驱动腔12和往复泵排出腔9内的流体分别通过往复泵驱动腔进口阀门11和往复泵排出腔进口阀门7调节，能很好地控制实现流量便捷调整；最后通过往复泵排出腔出口阀门18调节，使得整个装置的输出流体按照实际所需进行流量和扬程之间调节，实现流体能量形式转换。
本发明在进行一级增压时，采用大流量低扬程泵，由于该类型泵的效率很高，往往能达到85％以上；在进行二级增压时，往复泵的效率也很高，一般能达到95％以上。本发明装置利用能量转换原理，实现了流量和扬程之间的合理转换，改变了整个装置的比转速。在输送小流量、高扬程的介质时，本发明装置可实现高效输送。经过具体实施实验，在输送小流量、高扬程介质时，本发明装置的整体效率能达到80％以上，而传统的高速离心泵输送和多级离心泵输送装置在输送小流量、高扬程介质时则往往效率低下，当离心泵比转速低于30时，泵的效率仅能达到10～40％，甚至更低，远远低于本发明装置的效率，由此可见本发明装置相比具有突出显著的技术效果。
同时，本发明利用大流量离心泵做流体做功产生的部分流体能量作为往复泵驱动能，以液压驱动形式替代了传统的带轮、曲柄连杆机构驱动，液压驱动方式有效消除了传统往复泵中带轮、曲柄连杆机构所造成的无法消除强烈的压力脉动特性，从而有效降低往复泵的振动激励源；取消曲柄连杆机构后，往复泵因带轮、曲柄连杆机构造成的磨损等机械故障也将不存在，在一定程度上降低了往复泵的故障率，增加了往复泵的使用寿命。

Claims (5)

1.一种离心泵和往复泵组合的小流量、高扬程高效输送装置，其特征在于：包括蓄液池(1)、离心泵进口管路(2)、离心泵进口阀门(3)、离心泵(4)、离心泵出口管路(5)、离心泵出口阀门(6)、往复泵排出腔进口阀门(7)、往复泵排出腔进口管路(8)、往复泵排出腔(9)、往复泵驱动腔进口管路(10)、往复泵驱动腔进口阀门(11)、往复泵驱动腔(12)、往复泵驱动腔回水阀门(13)、往复泵驱动腔回水管路(14)、往复泵(15)、往复泵活塞杆(16)、往复泵排出腔出口管路(17)、往复泵排出腔出口阀门(18)和出口法兰(19)；蓄液池(1)经离心泵进口管路(2)连接到离心泵(4)入口，离心泵进口管路(2)上设有离心泵进口阀门(3)，离心泵出口管路(5)上设有离心泵出口阀门(6)；离心泵(4)的出口经离心泵出口管路(5)分为两路，一路经往复泵驱动腔进口管路(10)连通到往复泵(15)的往复泵驱动腔(12)，往复泵驱动腔进口管路(10)上设有往复泵驱动腔进口阀门(11)；另一路经往复泵排出腔进口管路(8)连通到往复泵(15)的往复泵排出腔(9)，往复泵排出腔进口管路(8)上设有往复泵排出腔进口阀门(7)；往复泵驱动腔(12)经往复泵驱动腔回水管路(14)连通回到蓄液池(1)，往复泵驱动腔回水管路(14)上设有往复泵驱动腔回水阀门(13)；往复泵排出腔(9)经往复泵排出腔出口管路(17)连接到出口法兰(19)，往复泵排出腔出口管路(17)上设有往复泵排出腔出口阀门(18)。
2.根据权利要求1所述的一种离心泵和往复泵组合的小流量、高扬程高效输送装置，其特征在于：所述的往复泵驱动腔进口阀门(11)和往复泵驱动腔回水阀门(13)均为采用溢流阀，所述的往复泵排出腔进口阀门(7)和往复泵排出腔出口阀门(18)均为单向阀。
3.根据权利要求1所述的一种离心泵和往复泵组合的小流量、高扬程高效输送装置，其特征在于：所述输送装置按照以下方式工作：
首先，通过离心泵(4)对蓄液池(1)内的流体进行做功，使得流体获得一级增压，将增压后的流体分成两路，一路进入往复泵驱动腔(12)内成为往复泵的驱动源，另一部分流体进入往复泵排出腔(9)内；
接着，通过往复泵驱动腔(12)对往复泵排出腔(9)内的流体进行做功，往复泵活塞杆(16)从往复泵驱动腔(12)向往复泵排出腔(9)移动，使得往复泵活塞杆(16)推动往复泵排出腔(9)内的流体获得二级增压后从出口法兰(19)输送到外部液压需求场所；
然后，往复泵(15)做功后回退，往复泵活塞杆(16)从往复泵驱动腔(12)向往复泵排出腔(9)移动，使得往复泵活塞杆(16)推动往复泵驱动腔(12)内的流体通过往复泵驱动腔回水管路(14)回流至蓄液池(1)内。
4.根据权利要求1所述的一种离心泵和往复泵组合的小流量、高扬程高效输送装置，其特征在于：所述的离心泵(4)的流量通过安装在泵前后的离心泵进口阀门(3)和离心泵出口阀门(6)进行调节，经过往复泵驱动腔(12)的流量通过安装在腔前的往复泵驱动腔进口阀门(11)和腔后的往复泵驱动腔回水阀门(13)进行调节，进入往复泵驱动腔(12)和往复泵排出腔(9)内的流体分别通过往复泵驱动腔进口阀门(11)和往复泵排出腔进口阀门(7)调节；最后通过往复泵排出腔出口阀门(18)调节，使得整个装置的输出流体按照实际所需进行流量和扬程之间调节，实现流体能量形式转换。
5.根据权利要求1所述的一种离心泵和往复泵组合的小流量、高扬程高效输送装置，其特征在于：所述装置适用于小流量、高扬程流体介质的高效输送。
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