CN111963475B - 轴向力自平衡的叶片泵机组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轴向力自平衡的叶片泵机组，包括壳体、收容在壳体内的第一转动体、第二转动体、位于第一转动体和第二转动体之间的压水室，以及收容在压水室内的叶轮；其中，在壳体上设置有泵进口以及与压水室导通的泵出口；叶轮的两侧分别与第一转动体和第二转动体固定连接，叶轮、第一转动体和第二转动体形成一体式转动体；在第二转动体内嵌设有电机转子，在壳体内嵌设有与电机转子的中心轴相重合的电机定子，电机转子与电机动子相互作用驱动一体式转动体转动；一体式转动体带动流体从泵进口进入并从泵出口泵出。利用上述发明能够提高叶片泵的能量转换效率，简化泵机组的结构、减轻泵机组的质量，从整体上改善叶片泵机组的运行特性。

Description

轴向力自平衡的叶片泵机组

技术领域

本发明涉及液体输送技术领域，更为具体地，涉及一种轴向力自平衡的叶片泵机组。

背景技术

目前，广泛使用的叶片泵按照叶轮的支承结构主要可分为外接机械轴以及磁悬浮两种形式。其中，对于外接机械轴的叶片泵，由于其采用了机械密封或其它轴封装置，泵内流体与泵外界不能完全隔离，从而不能有效防止泵内流体与外界的接触，而且由于机械密封需要适量的流体润滑，所以无法做到泵的无泄漏；而对于磁悬浮的叶片泵，虽然可解决流体渗漏、泵内流体与外界接触的问题，但实现磁悬浮功能的控制系统复杂，当叶片泵本身尺寸较小时，控制元器件难以布置，且容易导致复杂的结构与臃肿的体积，适用范围比较小。

针对上述问题，现有技术采用流体动压悬浮的转子支撑结构，解决机械支撑的泄漏与磁悬浮支撑的结构复杂问题。但由于泵采用了两个进口的结构，致使叶片泵轴向尺寸较大；此外，泵设置两个进口，两个进口导致叶片泵的全体流道较长，可能引起较大的水力损失，不适合在诸如体外血液循环装置等场合使用。由此可见，两个进口的叶片泵在许多领域的应用受到一定的限制。所以，亟需一种新型的单进口的无泄漏叶片泵机组结构。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种轴向力自平衡的叶片泵机组，以解决目前外接机械轴叶片泵、磁悬浮叶片泵以及流体动压悬浮的转子支撑结构存在的液体泄露或尺寸较大或适用范围受限等多种问题。

本发明提供的轴向力自平衡的叶片泵机组，包括壳体、收容在壳体内的第一转动体、第二转动体、位于第一转动体和第二转动体之间的压水室，以及收容在压水室内的叶轮；其中，在壳体上设置有泵进口以及与压水室导通的泵出口；叶轮的两侧分别与第一转动体和第二转动体固定连接，叶轮、第一转动体和第二转动体形成一体式转动体；在第二转动体内嵌设有电机转子，在壳体内嵌设有与电机转子的中心轴相重合的电机定子，电机转子与电机动子相互作用驱动一体式转动体转动；一体式转动体带动流体从泵进口进入并从泵出口泵出。

此外，优选的技术方案是，壳体包括泵壳以及与泵壳相适配的第一端盖和第二端盖；第一转动体限位在第一端盖和泵壳之间，第二转动体限位在第二端盖与泵壳之间。

此外，优选的技术方案是，第一端盖的流道侧与第一转动体的外侧壁之间形成第一混合间隙；第二端盖的流道侧与第二转动体的外侧壁之间形成第二混合间隙；泵壳的内表面与第二转动体的外侧壁之间形成径向间隙。第一混合间隙、第二混合间隙、径向间隙形成泵机组的辅助流动通道。

此外，优选的技术方案是，在第一转动体上设置有叶轮第一进入口，在第二转动体上设置有叶轮第二进入口；叶轮第一进入口和叶轮第二进入口的中轴线相重合。

此外，优选的技术方案是，叶轮包括至少两个叶片和叶片进口；叶片进口设置在第一叶轮进入口和第二叶轮进入口的中轴线的外侧。

此外，优选的技术方案是，叶片设置有五片。

此外，优选的技术方案是，叶轮、压水室、泵进口、泵出口、叶轮第一进入口和叶轮第二进入口形成泵机组的主流通道。

此外，优选的技术方案是，第一转动体的外表面在沿中轴线方向上的轴向长度小于第二转动体的外表面在沿中轴线方向上的轴向长度的四分之一。

此外，优选的技术方案是，第一转动体和第二转动体的中轴线相重合；并且，叶轮关于第一转动体和第二转动体的中轴线呈对称分布。

此外，优选的技术方案是，叶轮关于对称轴呈对称分布；对称轴与第一转动体和第二转动体的中轴线相垂直，且对称轴经过叶轮的中心点。

利用上述轴向力自平衡的叶片泵机组，在壳体内形成有效、良好的轴向力自动平衡的一体式转动体，不仅能够改善泵机组的流动性能、提高泵机组的效率，还能够进一步减小叶片泵机组的结构尺寸，提高运行的稳定性。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的轴向力自平衡的叶片泵机组的剖面图；

图2为根据本发明实施例的一体式转动体转动的剖面图；

图3为图1中I局部放大图；

图4为图1中II局部放大图；

图5为图1中III局部放大图。

其中的附图标记包括：1、泵进口；2、第一端盖；3、第一转动体；4、第一混合间隙；5、叶轮；6、压水室；7、泵出口；8、泵壳；9、电机定子；10、电机转子；11、径向间隙；12、第二端盖；13、第二转动体；14、第二混合间隙；15、叶轮第二进口；16、第二叶片外缘；17、第一叶片外缘；18、叶片进口；19、叶轮第一进口；20、第二对称线；21、第一对称线；22、吸入口；23、第一端盖的流道侧；24、第一转动体的侧边；25、泵壳内表面；26、第二转动体外表面；27、第二转动体的侧边；28、第二端盖的流道侧；29、第二转动体内表面；30、第一转动体内表面；31、第一转动体外表面；32、一体式转动体。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“轴向”、“经向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“侧”、“边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

为详细描述本发明的轴向力自平衡的叶片泵机组结构，以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

图1示出了根据本发明实施例的轴向力自平衡的叶片泵机组的剖面结构；图2示出了根据本发明实施例的一体式转动体转动的剖面结构。

如图1和图2共同所示，本发明实施例的轴向力自平衡的叶片泵机组，包括壳体、收容在壳体内的第一转动体3、第二转动体13、位于第一转动体3和第二转动体13之间的压水室6，以及收容在压水室6内的叶轮5；其中，在壳体上设置有泵进口1以及与压水室6导通的泵出口7；叶轮5的两侧分别与第一转动体3和第二转动体13固定连接，叶轮5、第一转动体3和第二转动体13形成一体式转动体32；在第二转动体13内嵌设有电机转子10，在壳体内嵌设有与电机转子10的中心轴相重合的电机定子9，电机转子10与电机动子相互作用驱动一体式转动体32转动，通过一体式转动体32带动流体从泵进口1进入并从泵出口7泵出。

其中，在壳体上还设置有泵进口1和泵出口7，且泵进口1和泵出口7的轴线位置相互垂直，而壳体进一步包括泵壳8以及与泵壳8相适配的第一端盖2和第二端盖12；第一转动体3限位在第一端盖2和泵壳8之间，第二转动体13限位在第二端盖12与泵壳8之间。

具体地，本发明实施例的轴向力自平衡的叶片泵机组(以下简称泵机组)包括泵进口1、第一端盖2、第一转动体3、叶轮5、压水室6、泵出口7、泵壳8、第二端盖12、第二转动体13、叶轮第二进口15、叶轮第一进口19以及吸入口22。其中，叶轮5设置在压水室6内，叶轮5、压水室6相对于第一对称线21呈轴对称分布。叶轮5、压水室6、吸入口22、叶轮第一进口19和叶轮第二进口15构成泵的主流通道。此外，泵机组还包括镶嵌于第二转动体13内的电机转子10和镶嵌于泵壳8内的电机定子9，电机转子10与电机定子9沿轴向相对布置，共同形成叶片泵机组的电机结构。

如图2所示，叶轮5结构相对于第二对称线20对称，叶轮5包含叶片进口18、第一叶片外缘17和第二叶片外缘16，第一叶片外缘17、第二叶片外缘16相对于第二对称线20对称分布，叶片进口18布置在叶轮第一进口19与叶轮第二进口15的径向外侧。叶轮5分别通过第一叶片外缘17、第二叶片外缘16与第一转动体3、第二转动体13固定联接，形成包含电机转子10的一体式转动体32。第一转动体内表面30构成叶轮第一进口19的外壁面，第二转动体内表面29构成叶轮第二进口15的外壁面。

其中，设置一体式转动体32有利于形成简洁而紧凑的泵机组整体构造。相比于其他形式的叶片泵，利用第二转动体13的空间设置电机转子10，有利于缩小泵机组结构的轴向尺寸，更加具有小巧、紧凑的优势。

在本发明的一个具体实施方式中，第一转动体外表面31的轴向长度最好小于第二转动体外表面26轴向长度的四分之一，即第一转动体3的外表面在沿中轴线方向上的轴向长度小于第二转动体13的外表面在沿中轴线方向上的轴向长度的四分之一，通过减小第一转动体3的长度，使得具有驱动作用的第二转动体13具有足够的设置空间；此外，可根据泵机组的具体应用场景或者要求调整第一转动体3和第二转动体13的长度或尺寸，并不限于附图所示具体结构尺寸。

图3至图5分别示出了图1中I、II和III的局部放大结构。

结合图1至图5共同所示，本发明实施例的泵机组，在第一端盖的流道侧23与第一转动体3的外侧壁之间形成第一混合间隙4，在第二端盖的流道侧28与第二转动体13的外侧壁之间形成第二混合间隙14；泵壳内表面25与第二转动体13的外侧壁之间形成径向间隙11。第一混合间隙4、第二混合间隙14、径向间隙11形成泵机组的辅助流动通道。

其中，第一混合间隙4、第二混合间隙14与径向间隙11在泵机组正常运转时可形成约束一体式转动体32在泵壳8与两个端盖形成的泵腔内运动的流体动压轴承，保证泵机组在无机械轴支撑的情况下稳定运转。由于流体动压轴承可根据一体式转动体32在泵腔中的瞬时位置自动调整一体式转动体32分别与泵壳内表面25、第一端盖的流道侧23、第二端盖的流道侧28的距离，使得泵机组的运行更加安全、可靠。这样，从结构上保证了泵内流体与外部的隔离，实现无渗漏、无污染的高效、安全输送。

此外，在第一转动体3上设置有叶轮第一进入口，在第二转动体13上设置有叶轮第二进入口；叶轮第一进入口和叶轮第二进入口的中轴线相重合，而叶轮5包括至少两个叶片和叶片进口，叶片进口设置在第一叶轮进入口和第二叶轮进入口的中轴线的外侧。通过叶轮、压水室6、泵进口1、泵出口7、叶轮5第一进入口和叶轮第二进入口形成泵机组的主流通道。

其中，叶轮第一进口19与叶轮第二进口15直接连通，且叶片进口18布置在叶轮第一进口19与叶轮第二进口15的径向外侧，能够使得来自吸入口22的流体比较均匀地到达叶片进口18，有利于改善叶轮5内的流动性能、平衡轴向力。

此外，第一混合间隙4、第二混合间隙14与径向间隙11还构成泵的辅助流动通道，泵的主流通道和辅助流动通道具有良好的匹配关系，使得泵内所有流道内均有流体通过，不仅消除泵内滞流区，而且可依据叶轮5的流动状态自动调节第一混合间隙4、第二混合间隙14沿轴向的间隙大小，进而在叶片进口18附近形成均匀的流动条件，实现流动与一体式转动体32力平衡的双调节，保证了泵机组具有良好的能量转换效率与运行稳定性。

换言之，通过主流通道与辅助流动通道的匹配，可以保证自泵进口1至泵出口7的全部流道内没有流动滞流区，也使得泵内的主流更加通畅、可控性更好。当泵机组作为血液泵使用时，可获得更好的生理相容性。

此外，第一混合间隙4和第二混合间隙14的轴向距离可以根据叶轮5中的流动自动调节。即当作用在第一叶片外缘17的压力高于第二叶片外缘16的压力时，一体式转动体32朝吸入口22方向偏移，这样第二混合间隙14的轴向长度将大于第一混合间隙4，使得叶轮出口进入辅助流动通道的流体更多地通过第二混合间隙14和叶轮第二进口15，进而在叶片进口18造成更均匀的流动条件，降低流场中靠近第二叶片外缘16处的流动损失，缩小作用在第一叶片外缘17与第二叶片外缘16上的压力差。

当泵机组正常运行时，径向间隙11与第一混合间隙4、第二混合间隙14分别形成支撑一体式转动体32的三组流体动压轴承，起到限制一体式转动体32在泵壳8内相对位置的作用。与一般的磁悬浮轴承相比，采用三组流体动压轴承的悬浮支撑设计的自调节性能更好，从而可使泵机组的运转更加安全、可靠。而且，由于第一混合间隙4和第二缓和间隙的轴向距离可依据叶轮5中的流动状态而自动同步调节，所以本发明的流体动压支撑实现了泵的流动与一体式转动体32受力平衡的自动调节，保证一体式转动体32在正常运行时处于稳定悬浮状态，其性能优于其他支撑设计方案。

在本发明的一个具体实施方式中，第一转动体3和第二转动体13的中轴线相重合；并且，叶轮5关于第一转动体3和第二转动体13的中轴线呈对称分布，作为具体示例叶轮5的叶片可设置5个，也可根据应用场景调整叶片的设置个数。此外，叶轮5关于对称轴呈对称分布，对称轴与第一转动体3和第二转动体13的中轴线相垂直，且对称轴经过叶轮5的中心点。其中，第一转动体3和第二转动体13的中轴线即第一对称线21，叶轮对称轴为第二对称线20，第一对称线21和第二对称线20相互垂直，采用对称的叶轮结构，可以自动平衡泵机组的轴向力，这样使得一体式转动体32免受偏离最优工况下的轴向力影响，保证泵机组的运行更加稳定。

根据本发明提供的轴向力自平衡的叶片泵机组的工作流程包括：

第二转动体13内的电机转子10和镶嵌于泵壳8内的电机定子9沿轴向相对布置，共同形成泵机组的电机，驱动一体式转动体32产生旋转运动。流体从泵进口1进入吸入口22。当叶轮5随一体式转动体32旋转时，吸入口22中的流体经叶轮第一进口19与叶轮第二进口15流入叶轮中。大部分流体沿着主流通道运动，即被叶轮5加压后送入压水室6，并经泵出口7流出；小部分流体被叶轮5加压后分成两路进入泵的辅助流动通道：第一路是进入泵壳内表面25与第一转动体外表面31之间的径向间隙11，再沿第一转动体的侧边24与第一端盖的流道侧23之间第一混合间隙4流动，最终回到叶轮第一进口19；第二路是进入泵壳内表面25与第二转动体外表面26之间的径向间隙11，再沿第二转动体的侧边27与第二端盖的流道侧28之间第二混合间隙14流动，最终回到叶轮第二进口15。经辅助流动通道到达叶片进口18处的流体将可以再次进入叶轮5，被加压后顺主流通道输送至泵出口7。

当泵机组启动后，被叶轮5加压后的流体充满径向间隙11、第一混合间隙4和第二混合间隙14，起到“油膜”的作用，这样形成了不同作用方向的流体动压轴承。即构成第一混合间隙4的第一转动体的侧边24与第一端盖的流道侧23形成一对摩擦副；构成第二混合间隙14的第二转动体的侧边27与第二端盖的流道侧28形成一对摩擦副；构成径向间隙11的第二转动体外表面26与泵壳内表面25形成一对摩擦副。第一混合间隙4和第二混合间隙14根据一体式转动体32在泵内所处的相对位置产生轴向力与径向力。其中混合间隙产生轴向力可以调整一体式转动体32在泵内的轴向位置；而混合间隙产生的径向力则与径向间隙11的径向力联合作用，共同调整一体式转动体32在泵壳内的径向位置。因为一体式转动体32的绝大部分表面均被“油膜”包裹，这样使得一体式转动体32的径向与轴向位置可以自动调整而达到动态平衡。在正常运转中，“油膜”的作用使得一体式转动体32在泵的内腔中始终处于稳定的悬浮状态。

根据本发明提供的轴向力自平衡的叶片泵机组除了能有效满足叶片泵无渗漏、无滞流区、泵内流体与外界无接触，以及一体式转动体与泵壳、第一端盖、第二端盖之间的间隙流道中的流动顺畅等要求外，还在一体式转动体设计中考虑了叶轮流动与混合间隙的自动耦合调节，既能够保证泵轴向力的自平衡，实现泵的流动与一体式转动体的力平衡的同步调节，还有利于提高叶片泵机组的能量转换效率，并从整体上改善流动的通畅性和叶片泵机组的运行稳定性。

如上参照附图以示例的方式描述根据本发明的轴向力自平衡的叶片泵机组。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的轴向力自平衡的叶片泵机组，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (9)

1.一种轴向力自平衡的叶片泵机组，其特征在于，包括壳体、收容在所述壳体内的第一转动体、第二转动体、位于所述第一转动体和第二转动体之间的压水室，以及收容在所述压水室内的叶轮；其中，

在所述壳体上设置有一个泵进口以及与所述压水室导通的一个泵出口；

所述叶轮的两侧分别与所述第一转动体和所述第二转动体固定连接，所述叶轮、所述第一转动体和所述第二转动体形成一体式转动体；所述第一转动体和所述第二转动体关于所述叶轮呈非对称分布；

所述壳体包括泵壳以及与所述泵壳相适配的第一端盖和第二端盖，所述第一转动体限位在所述第一端盖和所述泵壳之间，所述第二转动体限位在所述第二端盖与所述泵壳之间；

在所述第二转动体内嵌设有电机转子，在所述壳体内嵌设有与所述电机转子的中心轴相重合的电机定子，所述电机转子与所述电机动子相互作用驱动所述一体式转动体转动；

所述一体式转动体带动流体从所述泵进口进入并从所述泵出口泵出。

2.如权利要求1所述的轴向力自平衡的叶片泵机组，其特征在于，

所述第一端盖的流道侧与所述第一转动体的外侧壁之间形成第一混合间隙；所述第二端盖的流道侧与所述第二转动体的外侧壁之间形成第二混合间隙；所述泵壳的内表面与所述第二转动体的外侧壁之间形成径向间隙；

所述第一混合间隙、所述第二混合间隙、所述径向间隙形成泵机组的辅助流动通道。

3.如权利要求1所述的轴向力自平衡的叶片泵机组，其特征在于，

在所述第一转动体上设置有叶轮第一进入口，在所述第二转动体上设置有叶轮第二进入口；

所述叶轮第一进入口和所述叶轮第二进入口的中轴线相重合。

4.如权利要求3所述的轴向力自平衡的叶片泵机组，其特征在于，

所述叶轮包括至少两个叶片和叶片进口；

所述叶片进口设置在第一叶轮进入口和第二叶轮进入口的中轴线的外侧。

5.如权利要求4所述的轴向力自平衡的叶片泵机组，其特征在于，

所述叶片设置有五片。

6.如权利要求3所述的轴向力自平衡的叶片泵机组，其特征在于，

所述叶轮、所述压水室、所述泵进口、所述泵出口、所述叶轮第一进入口和所述叶轮第二进入口形成泵机组的主流通道。

7.如权利要求1所述的轴向力自平衡的叶片泵机组，其特征在于，

所述第一转动体的外表面在沿中轴线方向上的轴向长度小于所述第二转动体的外表面在沿中轴线方向上的轴向长度的四分之一。

8.如权利要求1所述的轴向力自平衡的叶片泵机组，其特征在于，

所述第一转动体和所述第二转动体的中轴线相重合；并且，

所述叶轮关于所述第一转动体和所述第二转动体的中轴线呈对称分布。

9.如权利要求1所述的轴向力自平衡的叶片泵机组，其特征在于，

所述叶轮关于对称轴呈对称分布；

所述对称轴与所述第一转动体和所述第二转动体的中轴线相垂直，且所述对称轴经过所述叶轮的中心点。

Images