CN110671333A - 一种用于深海采矿粗颗粒提升的多级泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于深海采矿粗颗粒提升的多级泵，泵的类型属于斜流泵，其特征是高扬程，宽流道，解决现有管道提升系统核心部件提升电泵的粗颗粒堵泵问题。本发明包括外壳体、多级泵和潜水电机。外壳体外部环境为海水，内部保护潜水电机和多级泵。潜水电机在多级泵下部，通过转轴与多级泵连接。六级斜流泵串接组成多级泵，每级斜流泵包括叶轮体和空间导叶体。外筒体内壁和潜水电机间设有环形流道，该流道下接进口过渡段，上接泵入口段，与泵内流道和出口过渡段组成完整流道，保证固体颗粒和海水混合物能够顺利地在流道中提升或回流。

Description

一种用于深海采矿粗颗粒提升的多级泵

技术领域

本发明属于深海采矿设备提升装置领域，涉及一种用于深海采矿粗颗粒提升的多级泵，更具体地，涉及一种用于深海采矿提升固体颗粒和海水混合物的多级电泵，主要用于海洋中的管道提升采矿系统，也可以用于陆地上的矿井管道提升采矿系统。

背景技术

随着陆地上的矿产资源日益减少，科学家把目光投向了广阔的海洋，因为海洋中的矿产资源远远大于陆地。金属锰结核这种矿物一般沉淀在海床上，由于深海环境恶劣，开采难度很大。在所有已知的开采方式中，管道提升方式是比较成功的，它的优点在于可以连续工作，产出量大，并且对海底生态系统影响小。

如图8所示，现有的管道提升系统主要由采矿车、中继矿仓、提升硬管、提升电泵和采矿船组成。采矿原理如下：采矿车在海底工作，把采集的锰结核经软管输送至中继矿仓，通过给料机将锰结核定量送入提升硬管，并由提升电泵把锰结核提升至采矿船上。

提升电泵是管道提升采矿系统中的一个重要设备，具有高扬程、低流量以及粗颗粒矿石通流和回流能力，但是由于固液两相流中的固体颗粒的冲击，使得提升电泵过流部件受到磨损，内部流动状况恶化，水力性能下降，可靠性变差。

国内外有不少学者对该类型提升电泵进行了研究。德国KSB公司研制了六级混合流离心式潜水泵，并在太平洋5000米的海底通过了海试，但是存在堵泵和回流难的问题；日本则研制了两台八级离心式提升电泵，分为上部泵和下部泵，各有四级，潜水电机在中间，但因为结构问题，仍然存在回流不通畅的问题；法国开发了六级深海潜液电泵，根据数值模拟的情况发现提升泵第二级出现回流，第一级没有出现严重的固体颗粒堆积或堵塞现象，但第二级出现了一些堆积区；国内湖南大学流体力学及其装备研究所以及长沙矿冶研究院对提升电泵研究较多，但其发明的多级电泵分为上部泵和下部泵，轴向长度较长，泵内损失大，电机功率大，同时还存在不同程度的堵塞现象。

因此，亟需一种提升粗颗粒效率高、泵部件磨损较小以及颗粒通过及回流能力强的多级电泵。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于深海采矿粗颗粒提升的多级泵，其目的在于，通过多级斜流泵串联，结合每级叶轮体及空间导叶体进出口和叶片设计，提升粗颗粒的通流与回流能力，防止堵泵并推迟磨损累积效应，由此解决现有技术中堵泵和磨损严重，提升效率低、回流能力弱的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于深海采矿粗颗粒提升的多级泵，其包括：包括外壳体、多级泵和潜水电机；

外壳体包括从下至上依次连接的进口过渡段、下部外筒体、上部外筒体和出口过渡段；

潜水电机设于下部外筒体内，潜水电机外壳和下部外筒体内壁之间围成环形流道；环形流道的下部连通进口过渡段的进口，上部与泵入口段相接；环形流道当量直径为输送颗粒直径的5～6倍；

多级泵设于上部外筒体内，多级泵包括泵轴和由泵轴串接的多级斜流泵，每级斜流泵均包括叶轮体和位于叶轮体上部的空间导叶体，各叶轮体和空间导叶体分别通过各自的轮毂固定于泵轴上；潜水电机的输出轴连接泵轴；

其中，首级叶轮体的进口通过泵入口段与环形流道的上部相连，末级空间导叶体的出口连通出口过渡段的出口；

每级叶轮体的叶轮叶片最大厚度与本级叶轮进口直径之比不小于0.12；叶轮叶片的进口宽度为最大颗粒直径的2.5～3.5倍，出口宽度为最大颗粒直径的1.8～2.8倍；

每级空间导叶体的导叶叶片最大厚度与导叶出口直径之比不小于0.1；导叶叶片的进口宽度为最大颗粒直径的1.8～2.8倍，出口宽度为最大颗粒直径的2.5～3.5倍。

进一步地，所述潜水电机为带止推轴承的潜水电机，潜水电机转轴与泵轴采用同轴设计，通过联轴器相接；泵的轴向力传递到电机并由电机止推轴承承受。

进一步地，所述外壳体的出口过渡段上装有电缆接头，电缆与电缆接头相连。

进一步地，叶轮叶片为扭曲叶片，从前缘到后缘沿轮毂面呈扭曲分布；叶轮叶片的顶部与根部在轮毂面上的投影呈X型相交；叶轮叶片的厚度从前缘到后缘不等，在中部具有最大厚度。

进一步地，导叶叶片为扭曲叶片，从前缘到后缘沿轮毂面呈扭曲分布；导叶叶片的顶部与根部在轮毂面上的投影呈X型相交；导叶叶片的厚度从前缘到后缘不等，在中部具有最大厚度。

进一步地，每级斜流泵中，叶轮叶片数量为3，导叶叶片数量为4。

进一步地，空间导叶体流道轴向长度为叶轮体流道轴向长度的2～3倍。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)通过多级串接的斜流泵组成多级泵，结构紧凑，扬程大，效率高；

2)环形流道当量直径为输送颗粒直径的5～6倍，使得粗颗粒能够顺利通流及回流，且可避免因通流速度低而导致颗粒不能正常提升；

3)特定的叶轮和空间导叶的进出口宽度，可以有效防止堵泵情况发生，且可避免电泵水力性能下降；

4)较少的叶片数可以使得泵内流道宽敞，可以减小因为泵停止工作而导致粗颗粒回流堵泵问题；

5)较大的叶片厚度，可以推迟颗粒磨损累积效应的发生，延长设备的使用寿命，而叶片中部具有最大厚度，则可以进一步推迟推迟颗粒磨损累积效应的发生，而配合叶片数、叶片进出口宽度的设计，亦可避免在叶片增厚的情况下导致降低流速。

6)空间导叶体流道轴向长度与叶轮体流道轴向长度之比设为2～3，可以在多级泵串联的情况下尽量缩短泵和电机一体化结构的轴向长度，并且降低电泵运行时的震动，提升泵内流动状态，从而提高设备运行的稳定性、提升电泵水力性能。

附图说明

图1为本发明优选实施例的多级泵总装图的纵剖示意图；

图2为本发明优选实施例的多级泵外部装配示意图；

图3为图2的分解图；

图4为图3中单级斜流泵的分解图；

图5(a)为图4中单级斜流泵的内部构造图；

图5(b)为图3中两级斜流泵的衔接示意图；

图6(a)、6(b)为图5中叶轮构造的两个不同视角的立体示意图；

图7(a)、7(b)为图5中空间导叶构造的两个不同视角的立体示意图；

图8是现有技术中管道提升系统的基本结构及工作原理示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-下部提升硬管；2-进口法兰；3-进口过渡段；4-环形流道；5-潜水电机；6-下部外筒体；7-泵入口段；8-上部外筒体；9-多级泵；10-泵轴；11-出口过渡段；12-出口法兰；13-上部提升硬管；14-电缆接头；15-电缆；16-叶轮体；17-叶轮叶片；18-叶轮轮盘；19-叶轮轮盖；20-空间导叶体；21-导叶叶片；22-空间导叶壳体；23-空间导叶轮毂；24-外壳体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1～4所示，本发明包括外壳体24、多级泵9和潜水电机5；

外壳体24包括，进口法兰2、进口过渡段3、下部外筒体6、上部外筒体8、出口过渡段11和出口法兰12；下部外筒体6和上部外筒体8为空心圆柱形，下接进口过渡段3，上接出口过渡段11；进口过渡段3通过进口法兰2与下部提升硬管1相接，出口过渡段11通过出口法兰12与上部提升硬管13相接；

多级泵9由六级斜流泵串接而成，包括六级叶轮体16和六级空间导叶体20，首级泵叶轮体进口与环形流道4上部相连，各级空间导叶体20采用法兰联结，末级泵空间导叶体与出口过渡段11相接；

叶轮体16包括叶轮叶片17，叶轮轮盘18和叶轮轮盖19；

空间导叶体20包括空间导叶导叶叶片21，空间导叶壳体22和空间导叶轮毂23。叶轮叶片17与导叶叶片21数量互质，本实施例优选数量分别为3和4。

潜水电机5位于多级泵9的下部，电机轴与泵轴10通过联轴器相接，电机轴与泵轴10采用同轴设计，泵的轴向力(包括水力轴向力及泵转子的重量)通过转轴传递到电机并由电机止推轴承承受。电机与泵之间设有泵入口段7，承受电机、泵的重量及轴向力。

提升电泵结构采用筒装式整体结构，多级泵9与潜水电机5联接后装入到外壳体24中，空间导叶体20承受水压力、多级泵和潜水电机的重量，下部外筒体6和上部外筒体8承受外加静载荷及动载荷。多级泵的两端为带有法兰的过渡段，实现多级泵与提升硬管的串接。

外桶体内壁和潜水电机间设有环形流道4，该流道下接进口过渡段3，上接泵入口过渡段7，与泵内流道和出口过渡段11组成完整流道，固体颗粒和海水混合物能够顺利地在流道中提升或回流。

如图5(a)及图5(b)所示，当斜流泵的空间导叶体20流道轴向长度为叶轮体16流道轴向长度的2～3倍时，多级泵运行稳定，综合性能较好。叶轮体16包裹于空间导叶壳体22与叶轮轮盖19配合形成的空间内部，叶轮叶片17与导叶叶片21的旋向相反。。导叶叶片21顶部与空间导叶壳体22的内壁固定，底部与空间导叶轮毂23的外壁固定。上级叶轮体16的出口与下级空间导叶体20的入口连通，衔接处做好密封，从而实现上下级斜流泵之间流道的无缝衔接。叶轮轮盖19的外边缘与空间导叶壳体22的内壁密封固定。相邻的空间导叶壳体22相互之间通过法兰上的螺纹孔，由螺栓连接固定。结合图3所示，最上级的空间导叶壳体22上端固定连接出口过渡段11的法兰，最下级的空间导叶壳体22下端固定连接进口过渡段3的法兰，从而使多级斜流泵的所有空间导叶体20固定不转，而各叶轮体16通过叶轮轮盘18的轮毂固定在泵轴10上，随泵轴10同步转动。

如图6所示，斜流泵的叶轮体16叶片数为3，叶轮叶片17为扭曲叶片，从叶片前缘到叶片后缘沿轮毂面呈扭曲分布，叶片顶部与叶片根部在轮毂面上的投影呈X型相交。叶轮进口宽度为70mm，出口宽度为56mm，叶轮轮盘18直径为120mm，叶轮进口直径为260mm，叶轮出口直径为450mm，叶轮体流道轴向长度为122mm。叶轮叶片前缘厚度为25mm，尾缘厚度为20mm，叶片中部厚度为30mm。叶片叶根处进口角为25.9°，出口角为24.9°；叶片叶顶处进口角为12.3°，出口角为17.3°，包角为210°。

如图7所示，斜流泵的空间导叶体20叶片数为4，导叶叶片21为扭曲叶片，从叶片前缘到叶片后缘沿轮毂面呈扭曲分布，叶片顶部与叶片根部在轮毂面上的投影呈X型相交。空间导叶进口宽度为56mm，出口宽度为70mm，空间导叶轮毂23直径为140mm，导叶出口直径为280mm，叶片出口边向外流线方向倾斜，空间导叶体流道轴向长度为258mm。空间导叶叶片前缘厚度为20mm，尾缘厚度为15mm，叶片中部厚度为25mm。叶片叶根处进口角为14.1°，出口角为90°；叶片叶顶处进口角为13.6°，出口角为90°；包角为90°。

本发明的工作原理和过程：

多级泵串接在提升管道中，随采矿系统一起布放，采矿系统布放完毕且准备好后，多级泵被淹没在水下500m处。采矿船上的启动装置通过电缆与电泵电缆接头相连，启动水下提升电泵的潜水电机5。电泵中的电机转轴带动上部多级泵叶轮开始旋转，逐渐增加至额定转速，提升管道中的海水通过电泵逐级加压后，在管道中上升流动。待提升多级泵稳定运行后，海底采矿车开始工作，海底矿物经破碎机和给料机到达下部提升硬管，固体颗粒和海水混合物通过潜水电机外壳的环形流道进入多级泵，并逐级提升，从上部提升硬管到达采矿船。当采矿机停止工作后，提升电泵仍将工作一段时间直到把整个提升管道中的固体颗粒和海水混合物提升至海面采矿船上，然后停止泵的运行。发生紧急停车情况，固体颗粒和海水混合物从出口过渡段回流经过多级泵，环形流道，进口过渡段，最后从提升管道底部落回中继站。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于深海采矿粗颗粒提升的多级泵，包括外壳体(24)、多级泵(9)和潜水电机(5)，其特征在于：

外壳体(24)包括从下至上依次连接的进口过渡段(3)、下部外筒体(6)、上部外筒体(8)和出口过渡段(11)；

潜水电机(5)设于下部外筒体(6)内，潜水电机(5)外壳和下部外筒体(6)内壁之间围成环形流道(4)；环形流道(4)的下部连通进口过渡段(3)的进口，上部与泵入口段(7)相接；环形流道(4)当量直径为输送颗粒直径的5～6倍；

多级泵(9)设于上部外筒体(8)内，多级泵(9)包括泵轴(10)和由泵轴(10)串接的多级斜流泵，每级斜流泵均包括叶轮体(16)和位于叶轮体(16)上部的空间导叶体(20)，各叶轮体(16)分别通过各自的轮毂固定于泵轴(10)上；潜水电机(5)的输出轴连接泵轴(10)；

其中，首级叶轮体(16)的进口通过泵入口段(7)与环形流道(4)的上部相连，末级空间导叶体(20)的出口连通出口过渡段(11)的出口；

每级叶轮体(16)的叶轮叶片(17)最大厚度与本级叶轮进口直径之比不小于0.12；叶轮叶片(17)的进口宽度为最大颗粒直径的2.5～3.5倍，出口宽度为最大颗粒直径的1.8～2.8倍；

每级空间导叶体(20)的导叶叶片(21)最大厚度与导叶出口直径之比不小于0.1；导叶叶片(21)的进口宽度为最大颗粒直径的1.8～2.8倍，出口宽度为最大颗粒直径的2.5～3.5倍。

2.根据权利要求1所述的用于深海采矿粗颗粒提升的多级泵，其特征在于，所述潜水电机(5)为带止推轴承的潜水电机，潜水电机转轴与泵轴(10)采用同轴设计，通过联轴器相接；泵的轴向力传递到电机并由电机止推轴承承受。

3.根据权利要求1所述的用于深海采矿粗颗粒提升的多级泵，其特征在于，所述外壳体的出口过渡段(11)上装有电缆接头(14)，电缆(15)与电缆接头(14)相连。

4.根据权利要求1所述的用于深海采矿粗颗粒提升的多级泵，其特征在于，叶轮叶片(17)为扭曲叶片，从前缘到后缘沿轮毂面呈扭曲分布；叶轮叶片(17)的顶部与根部在轮毂面上的投影呈X型相交；叶轮叶片(17)的厚度从前缘到后缘不等，在中部具有最大厚度。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的用于深海采矿粗颗粒提升的多级泵，其特征在于，导叶叶片(21)为扭曲叶片，从前缘到后缘沿轮毂面呈扭曲分布；导叶叶片(21)的顶部与根部在轮毂面上的投影呈X型相交；导叶叶片(21)的厚度从前缘到后缘不等，在中部具有最大厚度。

6.根据权利要求5所述的用于深海采矿粗颗粒提升的多级泵，其特征在于，每级斜流泵中，叶轮叶片(17)数量为3，导叶叶片(21)数量为4。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的用于深海采矿粗颗粒提升的多级泵，其特征在于，空间导叶体(20)流道轴向长度为叶轮体(16)流道轴向长度的2～3倍。

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