CN110397622A - 一种带流量自适应叶轮的井水潜水泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带流量自适应叶轮的井水潜水泵，包括叶轮和泵轴，叶轮包括叶轮壳体、叶片块、导流罩、调节轮和滑杆，叶轮壳体一端设置导流罩，叶片块通过紧固件径向安装在叶轮壳体侧面，叶片块可沿安装处轴线旋转，调节轮设置在叶轮壳体内部，滑杆一端设置在叶轮壳体侧面一个连接着外界的孔中、一端与调节轮通过齿牙啮合，滑杆在叶轮壳体侧壁内滑动并驱动调节轮旋转，调节轮驱动叶片块绕安装轴旋转。调节轮的旋转轴线与泵轴同轴，滑杆沿叶轮壳体径向设置，滑杆水体流动方向上位于叶片块的前方。滑杆通过其一端的水压变化进行平移来驱动叶片安放角变化，达到水压变化与叶片安放角之间的联动。

Description

一种带流量自适应叶轮的井水潜水泵

技术领域

本发明涉及潜水泵领域，具体是一种带流量自适应叶轮的井水潜水泵。

背景技术

井水潜水泵是一种抽取井水的泵种，在流量较大时，一般使用轴流式水泵。

轴流泵的叶片安放角是一个非常重要的做功参数，其显著影响做功效率，在一定的流量扬程下，只有安放角在一定的范围内叶轮才能高效率运行，具体的理论关系在《现代泵理论与设计》中有详细介绍。

对于较大型的轴流泵来说，效率的些微提升都能带来显著的节能效益，所以大型轴流泵一般都做成叶片安放角可调式的，但是现有技术中，叶片安放角的调节非常的麻烦，例如申请号为CN201610082905.7的专利中，叶片安放角的调节就需要拆开叶轮端盖才能通过操作杆进行安放角调节，不仅调节麻烦，而且调节滞后，得知流量变化后才能相应的进行手动调节，无法达到实时调节，也就是说，在短时的流量变化时由于工作量关系基本不会考虑去调整叶片安放角的，流量波动时，叶片安放角不相应的改变，做功效率也就波动起伏，不能长期高效运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带流量自适应叶轮的井水潜水泵，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种带流量自适应叶轮的井水潜水泵，包括叶轮和泵轴，叶轮包括叶轮壳体、叶片块、导流罩、调节轮和滑杆，叶轮壳体一端传动连接泵轴、一端设置导流罩，叶片块通过紧固件径向安装在叶轮壳体侧面，叶片块可沿安装处轴线旋转，调节轮设置在叶轮壳体内部，滑杆一端设置在叶轮壳体侧面一个连接着外界的孔中、一端与调节轮通过齿牙啮合，滑杆在叶轮壳体侧壁内滑动并驱动调节轮旋转，调节轮驱动叶片块绕安装轴旋转。

叶轮是泵的做功部件，其旋转时将动能传递给周围水体，使其获得动能从而流往一个高处或高压区，轴流泵在做功时，叶片安放角尤为重要，根据水流量和扬程的不同，叶片具有不同的高效运行安放角，也就是说，如果叶轮上叶片的安放角相对于一定的流量扬程来说不符合设定值，那么这一叶轮是低效运行的，做功用的能量很大一部分会浪费，效率较低在小流量时能量损失还算能够接受，但是对于大流量轴流泵来说，1％的效率提升也能带来较高的使用效益提升，所以叶片安放角可调是轴流泵所应具备的一个特性。

叶轮壳体是安装叶片块的部件，因为叶片块需要做成活动的以便后续的安装角调节，所以叶轮壳体的两端都需要打开，一端用于连接泵轴，一端用于满足安装叶片块时的安装工艺需求，叶轮壳体也是放置叶片块角度调节组件的地方。叶轮壳体前部使用导流罩封闭起来，导流罩能低阻力的通过水体，增加泵的效率。叶片块角度调节组件包括调节轮和滑杆，滑杆一端设置在叶轮壳体侧面一个连接着外界的孔中，这样水体在经过这一孔时，其流速能转换为滑杆一段所受的水压，当潜水泵所需泵送的流量增大时，由于进口处压力条件基本不变，所以在叶轮处由于流量增大从而导致流速增大，流速的增大又会引起压强的减小，这一关系在流体运动的伯努利方程中有详细论述，压强减小，滑杆一端受到的压力减小，这就是流量变化的信号，滑杆可以通过一个弹性件进行一定行程的位移，这一位移转化到调节轮上，调节轮再驱动叶片块进行旋转，调节轮与叶片块的传动连接可以是一组连杆结构，也可以是齿轮结构，只需要最终实现旋转驱动即可。

流量的变化通过滑杆直接感知并传递到叶片块处进行适应性调节，省去以往繁琐的电气液压控制，结构上非常紧凑。

进一步的，调节轮的旋转轴线与泵轴同轴，滑杆沿叶轮壳体径向设置，滑杆水体流动方向上位于叶片块的前方。滑杆设置在叶片块的前方，这样其检测的就是来流水体，且还未经过叶片加压，其压力变化直接反映泵流量变化情况，更加精确，且滑杆沿叶轮壳体径向设置，水流方向垂直于滑杆的平移方向，最大限度减小水流对滑杆的冲击，降低水体动能对于滑杆移动的影响。

进一步的，叶片块包括叶片、座环、转角轴，叶片和转角轴分别设置在座环的两侧，叶片位于叶轮壳体外，转角轴插入叶轮壳体内，带流量自适应叶轮的井水潜水泵还包括安装套，安装套外表设有一锥面，叶轮壳体上被转角轴穿过处设有和锥面相匹配的锥形孔，锥形孔小口朝外、大口朝内，座环和安装套通过紧固件连接在一起，锥面贴合叶轮壳体锥形孔内表面进行轴向定位。

叶片块需要稳定地安装在叶轮壳体上，又需要在一定情况下能发生自转从而调节安放角，所以叶片块直接通过紧固件固定在叶轮壳体就无法进行安放角调节，而又不能很松动地插挂在其上，所以就在叶片块和叶轮壳体之间加入一安装套用于连接，安装套和叶片块通过紧固件锁紧后，其锥面与叶轮壳体锥形孔贴合，进行轴向定位，而叶片块与叶轮壳体的“接触面”上就可以设置出一定的微小间隙从而消除摩擦，将摩擦转移到锥面与叶轮壳体锥形孔之间，由于面较小，也安装套可以精密加工，所以摩擦力可以大大降低，成为滑动轴承结构。

进一步的，调节轮包括第二锥齿轮、轴台和齿轮盘，第二锥齿轮和齿轮盘分别安装在轴台的两端，第二锥齿轮、轴台和齿轮盘的轴线重合，转角轴包括设置在光轴端部的第一锥齿轮，第一锥齿轮和第二锥齿轮相啮合，轴台通过轴承安装在叶轮壳体的内部；调节轮通过轴承安装在叶轮壳体内，旋转精确；

进一步的，滑杆包括杆体，杆体一端设有齿条段，杆体上靠近另一端的位置处设有限位凸台，齿条段和齿轮盘啮合，限位凸台位于叶轮壳体侧面一个连接着外界的孔中，孔内设有止位块，止位块中央开设通孔，限位凸台的两端设有限位弹簧，止位块和叶轮壳体壁面共同压紧限位弹簧和限位凸台。齿轮齿条型的直线转旋转传动，滑杆由于外部压力变化导致的直线位移转变为齿轮盘的旋转，进而通过锥齿轮的啮合带动转角轴旋转，从而改变叶片的安放角，在一定流量下有一最优安放角，这也是本潜水泵的设计工况，当工况偏移时，滑杆平移使得叶片安放角发生变化，具体的变化率对应关系上可根据实际工况分别计算，压力变化值与叶片安放角角度行程的比例可通过选用不同弹性系数的限位弹簧以及齿轮传动过程中的结构尺寸比例来设定。

进一步的，座环与叶轮壳体侧面的接触面上设有密封圈用于密封，座环和安装套的紧固件头部设有一密封垫用于密封。两路密封，防止叶轮周围的水进入到叶轮壳体内部。

作为优化，安装套为铜套。铜的润滑性较好，摩擦力小，且与叶轮壳体的存在硬度差异，比铸铁材质的叶轮壳体要软，在磨损发生时，也是磨损的安装套，潜水泵维护时，只需要更换掉安装套即可，降低维护成本。

作为优化，导流罩和叶轮壳体通过双头螺栓和薄螺母连接在一起。导流罩要与叶轮壳体进行固定连接的话，势必需要在对接处存在紧固件接缝，如果只是使用加工内外螺纹进行连接，则连接不可靠，泵启动与停机时总会有一种惯性是使得它们相分离的，所以需要使用紧固件进行连接，紧固件需要安装位置，如果是六角头螺栓或螺钉，那么安装槽就会很宽，在水体经过时产生较大扰动，不利于叶轮做功，而换用双头螺柱加薄螺母的紧固件组，安装所需的结构尺寸非常小，导流罩的流线型能保持地较好。

作为优化，限位弹簧为波纹弹簧。波纹弹簧弹力储存与释放相比于普通的螺旋圆柱弹簧要均匀的多。

作为优化，滑杆的设置数量为叶片数量的两倍。滑杆的设置数量越多，压力检测更准确，但结构也更复杂，加工、装配难度加大，所以取值为叶片数量的两倍。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将叶片块以能够自转的方式安装在叶轮壳体侧面，并通过在叶轮壳体内设置调节轮和滑杆来控制其旋转，而滑杆又可以通过其一端的水压变化进行平移，达到水压变化与叶片安放角之间的联动关系，潜水泵流量变化能够反应在叶轮前部的水压变化上，而叶片安放角又与叶轮的效率-流量曲线相关，从而达到潜水泵泵送流量变化时，能自适应地重新调整到高效区运行，实现实时调节效果，对于大型潜水泵而言节能效益尤为显著；流量的自适应效果完全通过设置在叶轮内的一系列部件完成，无需外部控制，结构也紧凑无多余，没有过多增加叶轮的外形尺寸。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的安装示意图；

图2为本发明叶轮的剖面结构图；

图3为图2中的视图A-A；

图4为图2中的视图B；

图5为图2中的视图C；

图6为图2中的视图D；

图7为本发明叶片的转角原理示意图。

图中：1-叶轮壳体、11-止位块、2-叶片块、21-叶片、22-座环、23-转角轴、231-第一锥齿轮、3-导流罩、4-安装套、41-锥面、5-调节轮、51-第二锥齿轮、52-轴台、53-齿轮盘、6-滑杆、61-齿条段、62-限位凸台、91-密封垫、92-密封圈、93-双头螺栓、94-薄螺母、95-限位弹簧。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，一种带流量自适应叶轮的井水潜水泵，包括叶轮和泵轴，叶轮包括叶轮壳体1、叶片块2、导流罩3、调节轮5和滑杆6，叶轮壳体1一端传动连接泵轴、一端设置导流罩3，叶片块2通过紧固件径向安装在叶轮壳体1侧面，叶片块2可沿安装处轴线旋转，调节轮5设置在叶轮壳体1内部，滑杆6一端设置在叶轮壳体1侧面一个连接着外界的孔中、一端与调节轮5通过齿牙啮合，滑杆6在叶轮壳体1侧壁内滑动并驱动调节轮5旋转，调节轮5驱动叶片块2绕安装轴旋转。

如图7所示，叶轮是泵的做功部件，其旋转时将动能传递给周围水体，使其获得动能从而流往一个高处或高压区，轴流泵在做功时，叶片安放角尤为重要，根据水流量和扬程的不同，叶片具有不同的高效运行安放角，也就是说，如果叶轮上叶片的安放角相对于一定的流量扬程来说不符合设定值，那么这一叶轮是低效运行的，做功用的能量很大一部分会浪费，效率较低在小流量时能量损失还算能够接受，但是对于大流量轴流泵来说，1％的效率提升也能带来较高的使用效益提升，所以叶片安放角可调是轴流泵所应具备的一个特性。

叶轮壳体1是安装叶片块2的部件，因为叶片块2需要做成活动的以便后续的安装角调节，所以叶轮壳体1的两端都需要打开，一端用于连接泵轴，一端用于满足安装叶片块2时的安装工艺需求，叶轮壳体1也是放置叶片块2角度调节组件的地方。叶轮壳体1前部使用导流罩3封闭起来，导流罩3能低阻力的通过水体，增加泵的效率。叶片块2角度调节组件包括调节轮5和滑杆6，滑杆6一端设置在叶轮壳体1侧面一个连接着外界的孔中，这样水体在经过这一孔时，其流速能转换为滑杆6一段所受的水压，当潜水泵所需泵送的流量增大时，由于进口处压力条件基本不变，所以在叶轮处由于流量增大从而导致流速增大，流速的增大又会引起压强的减小，这一关系在流体运动的伯努利方程中有详细论述，压强减小，滑杆6一端受到的压力减小，这就是流量变化的信号，滑杆6可以通过一个弹性件进行一定行程的位移，这一位移转化到调节轮5上，调节轮5再驱动叶片块2进行旋转，调节轮5与叶片块2的传动连接可以是一组连杆结构，也可以是齿轮结构，只需要最终实现旋转驱动即可。

流量的变化通过滑杆6直接感知并传递到叶片块2处进行适应性调节，省去以往繁琐的电气液压控制，结构上非常紧凑。

如图2、图3所示，调节轮5的旋转轴线与泵轴同轴，滑杆6沿叶轮壳体1径向设置，滑杆6水体流动方向上位于叶片块2的前方。滑杆6设置在叶片块2的前方，这样其检测的就是来流水体，且还未经过叶片21加压，其压力变化直接反映泵流量变化情况，更加精确，且滑杆6沿叶轮壳体1径向设置，水流方向垂直于滑杆6的平移方向，最大限度减小水流对滑杆6的冲击，降低水体动能对于滑杆6移动的影响。

如图2、图4所示，叶片块2包括叶片21、座环22、转角轴23，叶片21和转角轴23分别设置在座环22的两侧，叶片21位于叶轮壳体1外，转角轴23插入叶轮壳体1内，带流量自适应叶轮的井水潜水泵还包括安装套4，安装套4外表设有一锥面41，叶轮壳体1上被转角轴23穿过处设有和锥面41相匹配的锥形孔，锥形孔小口朝外、大口朝内，座环22和安装套4通过紧固件连接在一起，锥面41贴合叶轮壳体1锥形孔内表面进行轴向定位。

叶片块2需要稳定地安装在叶轮壳体1上，又需要在一定情况下能发生自转从而调节安放角，所以叶片块2直接通过紧固件固定在叶轮壳体1就无法进行安放角调节，而又不能很松动地插挂在其上，所以就在叶片块2和叶轮壳体1之间加入一安装套4用于连接，安装套4和叶片块2通过紧固件锁紧后，其锥面41与叶轮壳体1锥形孔贴合，进行轴向定位，而叶片块2与叶轮壳体1的“接触面”上就可以设置出一定的微小间隙从而消除摩擦，将摩擦转移到锥面41与叶轮壳体1锥形孔之间，由于面较小，也安装套4可以精密加工，所以摩擦力可以大大降低，成为滑动轴承结构。

如图2、图5所示，调节轮5包括第二锥齿轮51、轴台52和齿轮盘53，第二锥齿轮51和齿轮盘53分别安装在轴台52的两端，第二锥齿轮51、轴台52和齿轮盘53的轴线重合，转角轴23包括设置在光轴端部的第一锥齿轮231，第一锥齿轮231和第二锥齿轮51相啮合，轴台52通过轴承安装在叶轮壳体1的内部；调节轮5通过轴承安装在叶轮壳体1内，旋转精确；

如图2、图3所示，滑杆6包括杆体60，杆体60一端设有齿条段61，杆体60上靠近另一端的位置处设有限位凸台62，齿条段61和齿轮盘53啮合，限位凸台62位于叶轮壳体1侧面一个连接着外界的孔中，孔内设有止位块11，止位块11中央开设通孔，限位凸台62的两端设有限位弹簧95，止位块11和叶轮壳体1壁面共同压紧限位弹簧95和限位凸台62。齿轮齿条型的直线转旋转传动，滑杆6由于外部压力变化导致的直线位移转变为齿轮盘53的旋转，进而通过锥齿轮的啮合带动转角轴23旋转，从而改变叶片21的安放角，在一定流量下有一最优安放角，这也是本潜水泵的设计工况，当工况偏移时，滑杆6平移使得叶片21安放角发生变化，具体的变化率对应关系上可根据实际工况分别计算，压力变化值与叶片21安放角角度行程的比例可通过选用不同弹性系数的限位弹簧95以及齿轮传动过程中的结构尺寸比例来设定。

如图4所示，座环22与叶轮壳体1侧面的接触面上设有密封圈92用于密封，座环22和安装套4的紧固件头部设有一密封垫91用于密封。两路密封，防止叶轮周围的水进入到叶轮壳体1内部。

安装套4为铜套。铜的润滑性较好，摩擦力小，且与叶轮壳体1的存在硬度差异，比铸铁材质的叶轮壳体1要软，在磨损发生时，也是磨损的安装套4，潜水泵维护时，只需要更换掉安装套4即可，降低维护成本。

如图6所示，导流罩3和叶轮壳体1通过双头螺栓93和薄螺母94连接在一起。导流罩3要与叶轮壳体1进行固定连接的话，势必需要在对接处存在紧固件接缝，如果只是使用加工内外螺纹进行连接，则连接不可靠，泵启动与停机时总会有一种惯性是使得它们相分离的，所以需要使用紧固件进行连接，紧固件需要安装位置，如果是六角头螺栓或螺钉，那么安装槽就会很宽，在水体经过时产生较大扰动，不利于叶轮做功，而换用双头螺柱加薄螺母的紧固件组，安装所需的结构尺寸非常小，导流罩3的流线型能保持地较好。

限位弹簧95为波纹弹簧。波纹弹簧弹力储存与释放相比于普通的螺旋圆柱弹簧要均匀的多。

滑杆6的设置数量为叶片21数量的两倍。滑杆6的设置数量越多，压力检测更准确，但结构也更复杂，加工、装配难度加大，所以取值为叶片21数量的两倍。

本发明的运行原理是：潜水泵以额定工况连续运行，当外界需要更大的流量时，通过改变电机转速或出口管路上阀门开度调节泵流量，流量变化导致流速变化，在叶片21前，滑杆6与水体接触处，水压发生相应变化，滑杆6相应地位移一段具体压缩其一侧的限位弹簧95到一定程度并保持位置，调节轮5将滑杆6的平移行程转换为一个旋转角度作用在转角轴23上，叶片21的安放角发生一个变化，如图7所示，叶片21安放角的变化使得叶轮在特性曲线图谱上重新回到高效区，达到节能作用。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.一种带流量自适应叶轮的井水潜水泵，包括叶轮和泵轴，其特征在于：所述叶轮包括叶轮壳体(1)、叶片块(2)、导流罩(3)、调节轮(5)和滑杆(6)，所述叶轮壳体(1)一端传动连接泵轴、一端设置导流罩(3)，所述叶片块(2)通过紧固件径向安装在叶轮壳体(1)侧面，叶片块(2)可沿安装处轴线旋转，所述调节轮(5)设置在叶轮壳体(1)内部，所述滑杆(6)一端设置在叶轮壳体(1)侧面一个连接着外界的孔中、一端与调节轮(5)通过齿牙啮合，滑杆(6)在叶轮壳体(1)侧壁内滑动并驱动调节轮(5)旋转，所述调节轮(5)驱动叶片块(2)绕安装轴旋转。

2.根据权利要求1所述的一种带流量自适应叶轮的井水潜水泵，其特征在于：所述调节轮(5)的旋转轴线与泵轴同轴，所述滑杆(6)沿叶轮壳体(1)径向设置，滑杆(6)水体流动方向上位于叶片块(2)的前方。

3.根据权利要求2所述的一种带流量自适应叶轮的井水潜水泵，其特征在于：所述叶片块(2)包括叶片(21)、座环(22)、转角轴(23)，所述叶片(21)和转角轴(23)分别设置在座环(22)的两侧，叶片(21)位于叶轮壳体(1)外，转角轴(23)插入叶轮壳体(1)内，所述带流量自适应叶轮的井水潜水泵还包括安装套(4)，所述安装套(4)外表设有一锥面(41)，所述叶轮壳体(1)上被转角轴(23)穿过处设有和锥面(41)相匹配的锥形孔，锥形孔小口朝外、大口朝内，所述座环(22)和安装套(4)通过紧固件连接在一起，锥面(41)贴合叶轮壳体(1)锥形孔内表面进行轴向定位。

4.根据权利要求3所述的一种带流量自适应叶轮的井水潜水泵，其特征在于：所述调节轮(5)包括第二锥齿轮(51)、轴台(52)和齿轮盘(53)，所述第二锥齿轮(51)和齿轮盘(53)分别安装在轴台(52)的两端，第二锥齿轮(51)、轴台(52)和齿轮盘(53)的轴线重合，所述转角轴(23)包括设置在光轴端部的第一锥齿轮(231)，所述第一锥齿轮(231)和第二锥齿轮(51)相啮合，所述轴台(52)通过轴承安装在叶轮壳体(1)的内部；

所述滑杆(6)包括杆体(60)，杆体(60)一端设有齿条段(61)，杆体(60)上靠近另一端的位置处设有限位凸台(62)，所述齿条段(61)和齿轮盘(53)啮合，限位凸台(62)位于叶轮壳体(1)侧面一个连接着外界的孔中，孔内设有止位块(11)，止位块(11)中央开设通孔，所述限位凸台(62)的两端设有限位弹簧(95)，止位块(11)和叶轮壳体(1)壁面共同压紧限位弹簧(95)和限位凸台(62)。

5.根据权利要求4所述的一种带流量自适应叶轮的井水潜水泵，其特征在于：所述座环(22)与叶轮壳体(1)侧面的接触面上设有密封圈(92)用于密封，所述座环(22)和安装套(4)的紧固件头部设有一密封垫(91)用于密封。

6.根据权利要求4所述的一种带流量自适应叶轮的井水潜水泵，其特征在于：所述安装套(4)为铜套。

7.根据权利要求4所述的一种带流量自适应叶轮的井水潜水泵，其特征在于：所述导流罩(3)和叶轮壳体(1)通过双头螺栓(93)和薄螺母(94)连接在一起。

8.根据权利要求4所述的一种带流量自适应叶轮的井水潜水泵，其特征在于：所述限位弹簧(95)为波纹弹簧。

9.根据权利要求4所述的一种带流量自适应叶轮的井水潜水泵，其特征在于：所述滑杆(6)的设置数量为叶片(21)数量的两倍。