CN112253492B - 一种电机内置式多级低温离心泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电机内置式多级低温离心泵，包括前壳、电机壳和后壳，前壳内设有正叶轮和正导叶、电机壳中设有电机、后壳内设有反叶轮和反导叶，电机壳位于前壳与后壳之间，前壳端部设有进口喇叭管，后壳与电机壳之间设有出口蜗壳，所述正叶轮、电机转子、反叶轮通过转轴组件串联，电机转子从中部直接与转轴组件连接，驱动转轴组件旋转进而带动正叶轮、反叶轮以及诱导轮转动。低温液体由进口喇叭管进入泵体，并经正叶轮、反叶轮加压从出口蜗壳喷出。本发明将电机内置并通过低温液体冷却降温，整体密封性好，体积小、重量轻，结构紧凑，特别适用于低温、易挥发液体的输送。

Description

一种电机内置式多级低温离心泵

技术领域

本发明属于离心泵领域，具体为一种电机内置式多级低温离心泵。

背景技术

低温液体输送中，例如LNG(液化天然气)的开采和输送环节，需用到低温泵。现有低温泵泵体与电机分开，泵体转轴伸出泵壳体与电机连接，转轴与壳体之间通过动密封装置密封，但要保证低温环境下的密封性能，对于动密封装置特别是密封材料的要求很高；目前泵电机铁芯损耗高、发热量大，电机转速越高、发热越厉害，通常采用风冷装置冷却，不仅增大了泵的体积，而且散热性能也差。随着低温液体相关产业的发展，低温泵的应用范围以及性能要求都相应提升，故需要研发出一种密封性强、散热效果好、体积小的低温泵。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种电机内置式多级低温离心泵，提升泵的密封以及散热性能。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种电机内置式多级低温离心泵，包括前壳、电机壳和后壳；前壳内设有正叶轮和正导叶，电机壳内设有电机定子和电机转子，后壳内设有反叶轮和反导叶；电机壳位于前壳与后壳之间；前壳一端连接有进口喇叭管，另一端与电机壳固连；后壳与电机壳之间通过出口蜗壳固连；所述正叶轮、电机转子和反叶轮通过转轴组件串联；

所述转轴组件包括前轴、驱动轴和管轴；所述正叶轮固连在前轴上，所述电机转子与驱动轴固连，所述反叶轮固连在管轴上；

所述驱动轴和管轴均为中空结构，沿低温液体流动方向的最后一级正叶轮出口通过驱动轴和管轴内腔与沿低温液体流动方向的第一级反叶轮进口连通。

进一步地，还设有进口诱导轮和驱动诱导轮；进口诱导轮位于泵进口处，进口诱导轮固连在前轴上；驱动诱导轮设置在驱动轴内腔中。

进一步地，所述管轴末端还设有尾端叶轮，所述后壳内设有与尾端叶轮配合的尾端导叶。

进一步地，所述正叶轮的数量Nz与反叶轮的数量Nf之间满足Nf＝Nz+1+N’，其中Nz≥1，N’为N取整后的数值，N＝Fy/Fz，Fy为进口诱导轮和驱动诱导轮共同产生的轴向力，Fz为单个正叶轮产生的轴向力。

进一步地，所述正导叶与正叶轮数量相同；所述反导叶比反叶轮少一个。

进一步地，所述管轴内腔通过尾端叶轮和尾端导叶与沿低温液体流动方向的第一级反叶轮的进口连通。

进一步地，所述前轴端部通过轴承与进口喇叭管连接，尾端叶轮端部通过轴承与后壳连接。

进一步地，沿低温液体流动方向的最后一级正导叶端部设有端管，端管与驱动轴内腔连通。

进一步地，所述电机壳与出口蜗壳之间设有电机隔板，电机隔板与反叶轮之间设有密封圈。

进一步地，所述管轴内设有管轴诱导轮。

本发明的有益效果为：

(1)本发明低温离心泵，电机内置，电机转子和电机定子直接浸泡在低温液体中，散热效果好。

(2)传统低温泵采用泵体与电机分体式结构，泵体转轴伸出泵壳体与电机连接，转轴需通过动密封装置保证伸出壳体区域的密封性，但低温泵输送的是低温液体，工作在低温环境中，低温环境下动密封装置的密封性能难以保证；本发明电机内置，且位于中部，电机转子直接与驱动轴相连，无需动密封装置，完全不会发生泄漏，泵整体的密封效果好，满足低温、易挥发，特别是有毒有害液体的输送要求。

(3)本发明采用正叶轮与反叶轮组合方式，并计算得到正叶轮与反叶轮的数量，设置正叶轮与反叶轮的旋向相反，轴向力相互抵消，避免叶轮产生巨大的轴向力对泵产生的危害，使得离心泵整体的轴向力达到平衡。

(4)本发明转轴组件的设计，通过驱动轴及管轴内腔，使最后一级正叶轮出口与第一级反叶轮进口连通，无需设置额外的连通管路。

(5)本发明通过低温液体冷却电机，取消传统的风冷装置；通过内置电机直接从中部区域驱动转轴组件，取消了传统的联轴器以及动密封装置；通过转轴组件连通正叶轮与反叶轮，取消额外的外部连通管路；使得低温离心泵体积缩小、重量减轻、结构紧凑，特别是轴向距离缩短；最终使得适应性提高，能满足更多应用场景。

(6)本发明在泵进口以及驱动轴内腔中设置诱导轮，提升低温液体驱动压力，减小因压力降低而造成的汽蚀风险。

(7)本发明的驱动诱导轮，还起到连接驱动轴内轴和驱动轴外轴的作用，如果仅采用单纯的连杆固连，因驱动轴旋转，连杆也会随着一同转动，低温液体流经此处时，受连杆旋转阻挡而阻力提升，特别是转速越高，阻力越大；本发明采用驱动诱导轮的结构，不仅实现了连杆连接的功能，还将连杆对液体的阻力转变为驱动诱导轮对液体的驱动力，驱动力随着驱动轴转速提高而提升。

(8)本发明通过在前轴端部以及尾端叶轮端部加装轴承支撑，使得整个转轴组件由两端支撑；如果轴承支撑位置设置在转轴组件中部，则会出现较大的振幅，尤其是多级泵情况下，振幅更加明显，并且还会降低临界转速；本发明在转轴组件两个端部位置设置轴承支撑，振幅小，临界转速高。

附图说明

图1为本发明电机内置式多级低温离心泵结构图；

图2为本发明转轴组件结构图；

图3为本发明转轴组件拆分状态图；

图4为本发明转轴组件管轴内设置诱导轮情况时的结构图；

图5为本发明转轴组件与其他组件安装配合图；

图6为本发明正导叶与驱动轴装配关系图；

图7为本发明出口蜗壳区域装配关系图；

图8为本发明工作时液体流向示意图；

附图标记：1.前壳、11.正叶轮、12.正导叶、121.端管、13.进口喇叭管、14.前端轴承、15.进口诱导轮、2.电机壳、21.电机转子、22.电机定子、23.电机隔板、24.密封圈、3.后壳、31.反叶轮、32.反导叶、33.出口蜗壳、34.后端轴承、4.转轴组件、41.前轴、42.驱动轴、421.驱动轴内轴、422.驱动诱导轮、423.驱动轴外轴、43.管轴、431.尾端叶轮、432.尾端导叶、433.管轴诱导轮。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所示实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相通或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示的电机内置式多级低温离心泵，包括前壳1、电机壳2、后壳3，前壳1内设有正叶轮11和正导叶12，电机壳2内设有电机转子21和电子定子22，后壳3内设有反叶轮31和反导叶32；所述前壳1固定在电机壳2一侧，所述后壳3固定在电机壳2另一侧，前壳1、电机壳2、后壳3三者共轴线；所述前壳1未与电机壳2固定的一侧端部设有进口喇叭管13，进口喇叭管13与前壳1共轴线；所述后壳3与电机壳2之间固连有出口蜗壳33；所述正叶轮11、电机转子21、反叶轮31通过转轴组件4串联；所述正叶轮11和反叶轮31为离心叶轮。

如图2-3所示的转轴组件4，包括前轴41、驱动轴42和管轴43；所述驱动轴42，图示左侧为入口端、右侧为出口端，驱动轴42外层为驱动轴外轴423、内层为驱动轴内轴421，驱动轴外轴423与驱动轴内轴421共轴线；所述驱动轴外轴423为两端开口的中空结构，内部靠近出口端一侧设有往出口端方向收窄的一段弧形内腔；所述驱动轴内轴421为中空结构，且入口端一侧开口，出口端一侧封闭，封闭面为与此段驱动轴外轴423弧形内腔形状相配合的曲面；驱动轴外轴423与驱动轴内轴421之间设有驱动诱导轮422，驱动诱导轮422为轴流式叶轮，驱动诱导轮422外侧与驱动轴外轴423的内壁固连，内侧与驱动轴内轴421的外壁固连。

所述前轴41一端设有与轴承配合的凸起支撑部，另一端从驱动轴42入口端一侧插入驱动轴内轴421，并与驱动轴内轴421固连；所述管轴43为中空结构，一端固定在驱动轴外轴423出口端一侧的端部，且管轴43内腔与驱动轴外轴423内腔连通，管轴43另一端固连有尾端叶轮431，尾端叶轮431为离心叶轮，尾端叶轮431的进水口与管轴43的内腔连通，尾端叶轮431末端设有与轴承配合的凸起支撑部，与尾端叶轮431配合的尾端导叶432设置在后壳3内；前轴41、驱动轴42、管轴43三者共轴线。

如图4所示，上述转轴组件4中，还可以在管轴43内腔里设置管轴诱导轮433，管轴诱导轮433为轴流式叶轮，管轴诱导轮433外侧与管轴43的内壁固连，且管轴诱导轮433与管轴43共轴线；此处设置管轴诱导轮433，可进一步提高液体流动的驱动力，提高泵整体的扬程性能，以及因驱动压力的提升，而减小汽蚀发生的可能性。

如图1和图5所示，多个正叶轮11依次等间距套设在前轴41上，并与前轴41固连，靠近进口喇叭管13一侧的前轴41上还套设有进口诱导轮15，进口诱导轮15与前轴41固连，进口诱导轮15为轴流式叶轮；多个所述反叶轮31依次等间距套设在管轴43上，并与管轴43固连；所述电机转子21套设在驱动轴外轴423上，并与驱动轴外轴423固连。

所述进口喇叭管13内部设有轴承座，并通过前端轴承14与前轴41的凸起支撑部连接；所述后壳3端部设有可拆装的轴承座，并通过后端轴承34与尾端叶轮431的凸起支撑部连接。

所述正导叶12安装在前壳1内部，正导叶12数量与正叶轮11相同，并与正叶轮11一对一配合形成单级流道，泵工作时，正叶轮11和正导叶12内的液体由图示左侧流向右侧，故依照液体流动方向，最左侧的为第一级，最右侧为最后一级；如图6所示，最后一级正导叶12端部设有一根端管121，端管121一端与所述正导叶12端部固连，另一端与驱动轴外轴423入口端间隙配合，且端管121内腔与驱动轴外轴423内腔相连通；

所述反导叶32安装在后壳3内部，且位于图示最左侧的反导叶32紧贴出口蜗壳33，反导叶32数量比反叶轮31少一个，反导叶32和出口蜗壳33依次与反叶轮31一对一配合形成单级流道，泵工作时，反叶轮31和反导叶32内的液体由图示右侧流向左侧，并由最左侧的出口蜗壳33流出，故依照液体流动方向，最右侧的为第一级，最左侧为最后一级；

所述尾端导叶432安装在后壳3内部，尾端导叶432与尾端叶轮431相配合，使得由管轴43输送来的液体转向输送至第一级反叶轮31；所述正叶轮11与尾端叶轮431旋向相同，正叶轮11与反叶轮31旋向相反，正叶轮11的数量Nz与反叶轮31数量Nf存在如下关系：

Nf＝Nz+1+N’ (1)

N＝Fy/Fz (2)

其中：

Nz≥1；

Fy为进口诱导轮15和驱动诱导轮422共同产生的轴向力；

Fz为单个正叶轮11产生的轴向力；

N为Fy与Fz之间的比值；

N’为N取整后的数值。

如图7所示，所述电机壳2与出口蜗壳33之间安装有电机隔板23，电机隔板23与最后一级反叶轮31之间设有密封圈24。

本发明装置的组装过程如下：

S1：驱动轴42与电机转子21固定连接，驱动轴42出口端与管轴43连接；电机定子22安装在电机壳2内，之后安装电机隔板23。

S2：S1中连接好的驱动轴42、电机转子21、管轴43依次穿过电机定子22和电机隔板23；

S3：在驱动轴42出口端先安装密封圈24，之后将出口蜗壳33与电机壳2固定连接；

S4：管轴43依次套入反叶轮31和反导叶32，且反叶轮31与管轴43固连，最后套入尾端导叶432并将尾端叶轮431固定安装在管轴43末端；

S5：后壳3完全罩住反叶轮31、反导叶32、尾端导叶432和尾端叶轮431，并将后壳3与出口蜗壳33固定连接，之后安装后壳末端的轴承座，使尾端叶轮431的凸起支撑部与轴承座通过后端轴承34连接；

S6：前轴41插入驱动轴内轴421，并通过键连接固定；

S7：前轴41依次套入正导叶12和正叶轮11，且正叶轮11与前轴41固连，其中最先套入的(最后一级)正导叶12带有端管121结构；最后套入进口诱导轮15，并将进口诱导轮15固定在前轴41上；

S8：前壳1完全罩住正导叶12、正叶轮11，并将前壳1与电机壳2固定连接；

S9：安装进口喇叭管13，使进口喇叭管13内的轴承座与前轴41的凸起支撑部通过前端轴承14连接，并将进口喇叭管13固定在前壳1上；组装完成。

本发明装置工作原理及效果如下：

电机安装在低温泵内部中间位置，电机转子21直接与驱动轴42固连，电机转子21通过驱动轴42带动整个转轴组件4转动，转轴组件4上依次固连有进口诱导轮15、正叶轮11、反叶轮31、尾端叶轮431，转轴组件4内部还设有驱动诱导轮422，故通过转轴组件4转动，使得进口诱导轮15、正叶轮11、反叶轮31、尾端叶轮431和驱动诱导轮422转动。

如图8所示，低温泵启动后，即电机工作后，进口诱导轮15产生驱动力，使得低温液体从进口喇叭管13流入泵体，并经过正叶轮11进一步加压驱动后，流入驱动轴外轴423的腔体，驱动轴42内部的驱动诱导轮422继续提供驱动压力，使得低温液体通过管轴43到达尾端叶轮431，尾端叶轮431与尾端导叶432配合，将输送来的低温液体反向输送至反叶轮31，最终经反叶轮31加压驱动后，由出口蜗壳33喷出。

本发明采用的是离心泵原理，即叶轮与导叶配合，通过叶轮的旋转将液体甩出，并由导叶收集甩出的液体并引入下一流道。离心泵叶轮会产生巨大的轴向力，如果不做平衡将对轴承造成负担，本发明采用正叶轮11与反叶轮31组合的方式，正叶轮11与反叶轮31旋向相反，产生的轴向力相反，最终相互抵消，并且通过公式(1)、(2)得出最佳的正叶轮11与反叶轮31数量，使得本发明低温离心泵轴向力得到良好的平衡。

本发明电机内置，驱动轴42位于泵中部，且与电机转子21直接相连，与传统的泵体电机分体结构相比，转轴无需通过动密封装置穿出泵壳体，完全不会发生泄漏，保证了低温密封性；并且还省去了联轴器，有效缩短泵整体轴向长度；因液氮、液化天然气等低温液体具有非导电性的特点，低温液体可流入电机内部，帮助电机散热降温，在取得良好散热效果的同时省去了传统泵电机风冷散热装置。

传统的正叶轮11、反叶轮31组合式结构，需要有一段专门的外部输送管道，用于连通最后一级正叶轮出口与第一级反叶轮进口；而本发明中的管轴43及尾端叶轮431，同时实现了上述连通功能与驱动反叶轮31转动的功能，整体结构紧凑。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种电机内置式多级低温离心泵，其特征在于：包括前壳(1)、电机壳(2)和后壳(3)；前壳(1)内设有正叶轮(11)和正导叶(12)，电机壳(2)内设有电机定子(22)和电机转子(21)，后壳(3)内设有反叶轮(31)和反导叶(32)；电机壳(2)位于前壳(1)与后壳(3)之间；前壳(1)一端连接有进口喇叭管(13 )，另一端与电机壳(2)固连；后壳(3)与电机壳(2)之间通过出口蜗壳(33)固连；所述正叶轮(11)、电机转子(21)和反叶轮(31)通过转轴组件(4)串联；

所述转轴组件(4)包括前轴(41)、驱动轴(42)和管轴(43)；所述正叶轮(11)固连在前轴(41)上，所述电机转子(21)与驱动轴(42)固连，所述反叶轮(31)固连在管轴(43)上；

所述驱动轴(42)和管轴(43)均为中空结构，沿低温液体流动方向，最后一级正导叶(12)端部设有端管(121)，端管(121)与驱动轴(42)内腔连通，管轴(43)末端设有尾端叶轮(431)，后壳(3)内设有与尾端叶轮(431)配合的尾端导叶(432)，管轴(43)内腔通过尾端叶轮(431)和尾端导叶(432)与第一级反叶轮(31)的进口连通。

2.根据权利要求1所述的电机内置式多级低温离心泵，其特征在于：还设有进口诱导轮(15)和驱动诱导轮(422)；进口诱导轮(15)位于泵进口处，进口诱导轮(15)固连在前轴(41)上；驱动诱导轮(422)设置在驱动轴(42)内腔中。

3.根据权利要求2所述的电机内置式多级低温离心泵，其特征在于：所述正叶轮(11)的数量Nz与反叶轮(31)的数量Nf之间满足Nf＝Nz+1+N’，其中Nz≥1，N’为N取整后的数值，N＝Fy/Fz，Fy为进口诱导轮(15)和驱动诱导轮(422)共同产生的轴向力，Fz为单个正叶轮(11)产生的轴向力。

4.根据权利要求3所述的电机内置式多级低温离心泵，其特征在于：所述正导叶(12)与正叶轮(11)数量相同；所述反导叶(32)比反叶轮(31)少一个。

5.根据权利要求1所述的电机内置式多级低温离心泵，其特征在于：所述前轴(41)端部通过轴承与进口喇叭管(13)连接，尾端叶轮(431)端部通过轴承与后壳(3)连接。

6.根据权利要求1所述的电机内置式多级低温离心泵，其特征在于：所述电机壳(2)与出口蜗壳(33)之间设有电机隔板(23)，电机隔板(23)与反叶轮(31)之间设有密封圈(24)。

7.根据权利要求1所述的电机内置式多级低温离心泵，其特征在于：所述管轴(43)内设有管轴诱导轮(433)。

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