CN113586458A - 自吸式多级复合屏蔽泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自吸式多级复合屏蔽泵。本发明在自吸式复合屏蔽泵的基础上，引入次级离心端，次级离心端的引入可以为首级离心端出口和首级气液分离室提供一个受控的负压牵引，从而有效提升整泵自吸能力和自吸速度。在自吸阶段，这个负压牵引将明显增强首级气液分离室内的气泡向次级离心端的流动，随后气泡从次级离心端出口经泵出口排出。该流动机制可减少气泡在首级气液分离室内的滞留，增强首级屏蔽的排气能力；屏蔽的自吸能力和自吸效果的稳定性由此得到明显增强。

Description

自吸式多级复合屏蔽泵

技术领域

本发明属于流体机械领域，具体涉及一种自吸式多级复合屏蔽泵。

背景技术

屏蔽泵是一种无动密封结构、无泄漏风险、高可靠性的泵类产品，广泛应用于给排水、食品工程、化工、能源、水利工程和结构工程等领域。屏蔽泵具有独特的结构，能够将电机及泵体部分密封在一定的屏蔽泵泵腔内，泵送介质充满泵腔内壁，整体结构无动密封件，运行十分安全。因此，屏蔽泵特别适合用于泵送贵重、易燃易爆、放射性及腐蚀性等特殊流体介质。屏蔽泵通过引导工质的内循环能够有效满足电机散热，无需电机冷却风扇，大大降低了泵噪声，使其能够满足家用电器、医院检测仪器等的超低噪音要求，市场潜力巨大。

无动密封是屏蔽泵的最突出特色，泵叶轮和驱动电机转子相连后被密封在屏蔽泵的泵腔内，通常由一个若干对电线绕组提供旋转磁场并驱动转子，从而带动叶轮做功；因此，屏蔽泵只有静密封，虽然具有诸多优点，但多数的屏蔽泵不具有自吸功能。为了实现自吸也有在屏蔽泵直接采用现有喷射泵中的喷射器结构，将其整合到常规屏蔽泵的泵体内。考虑到喷射器结构将导致能量转化率降低，加上喷射器引入的微小气泡容易在屏蔽泵的狭小散热流道内产生低压区及气蚀问题，严重影响这种结构的自吸屏蔽泵效率和静音。另一方面，这种结构对电机转速敏感，当电机转速过高，则泵腔内的气泡速随之显著提升，导致相当部分的气泡来不及离开液面而滞留于泵腔内。这部分滞留的气泡会在泵内高速流体的带动下通过流体剪切和壁面碰撞等方式发生破碎，形成更小尺度的气泡，从而使得自吸过程中泵内预灌流体的气体占比迅速增加，造成泵内流体在泵入口气体的夹带能力大幅降低，最终导致气液分离失效，屏蔽泵因此失去自吸功能。针对这个自吸失效的问题，可以通过在泵内增设缓冲增压单元进行改进，有力改善自吸屏蔽泵的自吸能力。然而，在缓冲增压腔的辅助下，喷射器的引入虽然可以实现屏蔽泵的自吸，但是喷射器通常会增加泵的能量消耗，降低泵的扬程和流量，单个喷射器会降低泵的水力效率约40%，甚至导致其性能无法满足实际需求。换言之，用于自吸的吸程，表观上是扬程的损失。这使得原本就不会很富余的屏蔽泵扬程被自吸消耗后就失去有效的泵性能；当采用类似于自吸离心泵的气液混合器实现自吸时，也无法绕开这个性能不足的问题。

发明内容

针对现有自吸屏蔽泵自吸速度偏慢和泵性能无法满足实际需求这两方面问题，本发明的目的在于提供一种具有自吸能力，流量、扬程、吸程等工作性能优异，安全性高、结构紧凑的自吸式多级复合屏蔽泵。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

自吸式多级复合屏蔽泵，包括泵进口、自吸器、首级离心端、首级气液分离室、次级泵进口、次级离心端和泵出口；

泵进口连接自吸器进口，自吸器的出口连接首级离心端进口，首级离心端出口与首级气液分离室相连通；首级气液分离室连接次级泵进口，次级泵进口连接次级离心端进口，次级离心端出口与泵出口相连通；

所述的首级离心端包括首级电机、首级离心叶轮和首级离心压水室，首级离心叶轮位于首级离心压水室内，且与首级电机的转子相连，首级电机的转子与定子通过屏蔽套隔离。

进一步说，所述的次级离心端至少一个、次级离心端的进口至少一个、次级离心端的出口至少一个、首级离心端的进口至少一个、首级离心端的出口至少一个、首级气液分离室至少一个、自吸器至少一个；

当存在多个次级离心端时，按流动方向，上游次级离心端出口连接相邻的下游次级离心端进口，即采用串联连接，进一步提升扬程；最后一级次级离心端出口与泵出口相连通。

进一步说，所述的首级气液分离室内，配置有缓冲增压腔，用于将离心端出口高速有压流体快速降速并增压；

所述缓冲增压腔在排气自吸阶段，降低气液混合流体流速的同时消减气泡破碎、增强气泡在缓冲腔内的融合增大，有力提升气液分离能力、增强自吸；在非排气阶段，控制压损的同时实现对首级离心端出口流体的缓冲增压。

进一步说，所述缓冲增压腔出口在平面内沿周向或径向分布，或者在空间上布置多孔隙。

进一步说，所述缓冲增压腔为多孔隙层板串联结构，所述的多孔隙层板串联结构的缓冲增压腔内增设固定式或者转动式导叶，或者将缓冲增压腔进出口设置为可转动导叶。

进一步说，所述的缓冲增压腔为多孔隙空间结构、多孔隙介质填充结构、单个迂回流道组合的结构或者多个迂回流道组合的结构。

进一步说，所述的自吸器为喷射器或气液混合器，所述的自吸器至少一个进口、至少一个出口。

进一步说，所述喷射器的喷嘴入口位置布置止回阀或弹力挡片，当复合屏蔽泵自吸阶段结束后，止回阀或弹力挡片在喷射器内外压差的驱动下关闭，气液分离室内的液体无法再经喷嘴位置进入喷射器内部，泵内循环流动截止。

进一步说，所述的气液混合器的回流孔处布置止回阀或弹力挡片，当复合屏蔽泵自吸阶段结束后，止回阀在气液混合器内外压差的驱动下关闭，气液分离室内的液体无法再经回流孔进入气液混合器内部，泵内循环流动截止。

一种组合式自吸式多级复合屏蔽泵，包括至少一个所述的自吸式多级复合屏蔽泵以及至少一个离心泵，自吸式多级复合屏蔽泵任一级离心端进口和离心泵的进口并联，自吸式复合屏蔽泵出口和离心泵的出口并联。

通过采用以上技术方案，本发明具有的有益效果是：

1、相比单级的自吸式屏蔽复合泵，自吸式多级屏蔽复合泵突破了自吸式单级屏蔽复合泵性能的局限，解决了小功率单级屏蔽复合泵具有吸程后而扬程不高的问题，拓宽了其应用。可以根据不同市场需求组合出符合实际流量、扬程要求的屏蔽复合泵，同时保留基于自吸式屏蔽复合泵的优势：低噪音、微型化、结构紧凑、整泵效率高、高可靠性和高安全性等，兼具实用和市场价值，产品市场竞争力和适用性强。

2、次级离心端的引入可以为首级离心端出口和首级气液分离室提供一个受控的负压牵引，从而有效提升整泵自吸能力和自吸速度。在自吸阶段，这个负压牵引将明显增强首级气液分离室内的气泡向次级离心端的流动，随后气泡从次级离心端出口经泵出口排出。该流动机制可减少气泡在首级气液分离室内的滞留，增强首级泵的排气能力；整泵的自吸能力和自吸效果的稳定性由此得到明显增强。

3、首级气液分离室之后的其它次级泵内都可以增设一个气液分离室，同时增配缓冲增压腔，巧妙设置缓冲增压腔在多级泵内的布局和内部结构，有效解决高转速下复合屏蔽泵内气泡破碎严重从而导致气液分离困难的技术难题，甚至可以增强气泡在缓冲增压腔内的融合，进一步改善屏蔽泵的自吸和抗汽蚀性能。

4、离心端单独配有离心叶轮、离心压水室和电机，根据不同性能规格需求，通过在泵入口端并联一个或者多个泵，可以灵活按需组合出具有多种性能规格的自吸复合屏蔽泵。

5、自吸器工作流体入口位置可布置止回阀或者弹力挡片，自吸工作阶段时，止回阀或弹力挡片处于开启状态，气液分离室内部液体经自吸器工作流体入口流入自吸器，在自吸器腔内完成气液混合过程。工作阶段时，止回阀或者弹力挡片关闭，气液分离室内的液体无法再进入自吸器，泵内内循环停止，能够进一步提升工作阶段水力效率。

6、本发明多级复合屏蔽泵可根据实际需要，权衡泵性能和气液分离的具体要求，配备多个缓冲增压腔。

7、自吸离心泵结构保持了屏蔽泵无动密封的机构特点，高静音的同时，适用于泵送腐蚀、有毒有害、易燃类介质，同时可采用低压直流永磁电机，具有极高的安全性。

8、自吸式多级复合屏蔽泵由首级屏蔽泵和其它级离心泵组合而成，结构紧凑、体积小、集成度高、互换性好，巧妙结合屏蔽泵和自吸泵的自吸能力，将其优势互补，可以覆盖目前多种民用泵和工业泵的需求。

附图说明

图1为两级复合屏蔽泵整体示意图；

图2a为自吸器为喷射器时无次级气液分离室的两级复合屏蔽泵结构纵向剖面示意图；

图2b为自吸器为喷射器时具有次级气液分离室的两级复合屏蔽泵结构纵向剖面示意图

图2c为自吸器为气液混合器时具有次级气液分离室的两级复合屏蔽泵结构纵向剖面示意图

图3为两级复合屏蔽泵首级离心端和次级离心端局部结构剖面图；

图4为首级直流永磁电机结构剖面图和多孔隙层板串联结构缓冲增压腔示意图；

图5a为缓冲增压腔填充介质为球形颗粒结构示意图；

图5b为缓冲增压腔采用丝网状多空隙层板填充结构示意图；

图5c为缓冲增压腔采用不规则颗粒多空隙填充结构示意图；

图6 为次级直流永磁电机结构剖面图；

图7a 为喷射器入口配备弹力挡片的两级复合屏蔽泵结构纵向剖面示意图；

图7b 为喷射器入口配备止回阀的两级复合屏蔽泵结构纵向剖面示意图；

图8a为带有弹力挡片的喷射器整体示意图

图8b为喷射器喷嘴进口止回弹力挡片开启状态及其结构剖面示意图；

图8c为喷射器喷嘴进口止回弹力挡片关闭状态及其结构剖面示意图；

图9a 为带有止回阀的喷射器整体示意图

图9b为喷射器喷嘴进口止回阀开启状态及其结构剖面示意图；

图9c为喷射器喷嘴进口止回阀关闭状态及其结构剖面示意图；

图10a为气液分离器回流孔配备弹力挡片的两级复合屏蔽泵结构纵向剖面示意图；

图10b为气液分离器回流孔配备止回阀的两级复合屏蔽泵结构纵向剖面示意图；

图11a 为带有止回弹力挡片的气液混合器整体示意图

图11b为气液混合器回流孔止回弹力挡片开启状态及其结构剖面示意图；

图11c为气液混合器回流孔止回弹力挡片关闭状态及其结构剖面示意图；

图12a 为带有止回阀的气液混合器整体示意图

图12b为气液混合器回流孔止回阀开启状态及其结构剖面示意图；

图12c为气液混合器回流孔止回阀关闭状态及其结构剖面示意图；

图13为自吸式多级复合屏蔽泵与离心泵并联结构示意图

图14a为自吸器为喷射器时具有次级气液分离室的两级复合屏蔽泵自吸阶段流动示意图；

图14b为自吸器为喷射器时具有次级气液分离室的两级复合屏蔽泵工作阶段流动示意图；

图15a为自吸器为气液混合器时具有次级气液分离室的两级复合屏蔽泵自吸阶段流动示意图；

图15b为自吸器为气液混合器时具有次级气液分离室的两级复合屏蔽泵工作阶段流动示意图；

图16a为自吸器为喷射器时无次级气液分离室的两级复合屏蔽泵自吸阶段流动示意图；

图16b为自吸器为喷射器时无次级气液分离室的两级复合屏蔽泵工作阶段流动示意图；

图17 自吸阶段缓冲增压腔内气泡减速、融合实测图像；

图18 自吸阶段次级泵内气泡的运动瞬态实测图像。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明的实施例，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，都应当属于发明保护的范围。

本发明复合屏蔽泵包括泵进口、自吸器、首级离心端、首级气液分离室、次级泵进口、次级离心端和泵出口。自吸器的实施例有喷射器、气液混合器等结构形式。在一种实施例中喷射器由喷射器进口、喷嘴、喉管和扩散段组成，喷射器喷嘴入口可增设止回阀或者弹力挡片；在另一种实施例中气液混合器由气液混合器进口、气液混合腔、回流孔和气液混合器出口组成，气液混合器回流孔处可增设止回阀或者弹力挡片。首级离心端包括首级电机、首级离心叶轮和首级离心压水室，首级离心叶轮位于首级离心压水室内，且与首级电机的转子相连，首级电机的转子与定子通过屏蔽套隔离；在一实施例中，首级电机具体选用直流永磁电机，所述的直流永磁电机最高转速至少达到3600转/分钟。次级离心端至少包含次级离心端进口、次级离心端出口、次级电机、次级离心叶轮和次级离心压水室。

泵进口连接自吸器进口，自吸器的出口连接首级离心端进口，首级离心端出口与首级气液分离室相连通；首级气液分离室连接次级泵进口，次级泵进口连接次级离心端进口，次级离心端出口与泵出口相连通；首级离心端的离心叶轮与首级电机转子相连，首级电机转子与定子通过屏蔽套隔离，泵整体无动密封。

所述的缓冲增压腔是将离心端出口高速有压流体快速降速并增压的流道，在排气自吸阶段有效降低气液混合流体流速的同时消减气泡破碎，而在非排气阶段有效降低惯性耗散、控制压损的同时实现对离心端出口流体的缓冲增压。

所述的缓冲增压腔与气液分离室相对独立，仅缓冲增压腔出口与气液分离室相连。

所述的缓冲增压腔出口可存在沿周向、径向或者一定空间区域内布置孔隙等多种分布方式，出口不少于一个。

所述的缓冲增压腔可以为多孔隙单层板、多孔隙层板串联结构、不规则多孔隙平面、多孔隙空间结构、多孔隙介质填充结构、单个或者多个迂回流道组合的结构等可同时消减气泡破碎和高效缓冲增压的流道。

所述的多孔隙层板串联结构的缓冲增压腔内可增设固定式或者转动式导叶，或者将缓冲增压腔进出口设置为可转动导叶。

所述缓冲增压腔与离心叶轮上下分布或者同心分布，上下分布时，离心端出口通过导流腔连通缓冲增压腔。

所述喷射器喷嘴入口位置或者气液混合器回流孔处可布置止回阀或者弹力挡片，当复合屏蔽泵自吸阶段结束后，止回阀在喷射器或气液混合器内外压差的驱动下关闭，气液分离室内的液体无法再经喷射器喷嘴或气液混合器回流孔进入自吸器内部，泵内循环流动截止，效率提升。

所述的次级离心端至少一个、次级离心端的进口至少一个、次级离心端的出口至少一个、首级离心端的进口至少一个、首级离心端的出口至少一个、首级气液分离室至少一个、自吸器至少一个。

所述的次级离心端可以有多个，并串联组合出不同性能规格的组合式自吸屏蔽复合泵；当有多个次级离心端时，按流动方向，上游次级离心端出口连接相邻的下游次级离心端进口，即采用串联连接，提升扬程；最后一级次级离心端出口与泵出口相连通。

所述的自吸器入口可以同时连通一个或者多个泵入口，构成并联泵组；也可以自吸式多级复合屏蔽泵任一级离心端进口可以同时连通一个或者多个泵入口，在自吸排气阶段不影响排气，在非自吸正常工作阶段提升泵的性能，满足不同应用需求。

本发明的工作过程：

自吸复合屏蔽泵处于自吸排气阶段时，泵和首级电机都被密封在一个被泵送介质充满的复合屏蔽泵泵腔内，自吸器、离心端、缓冲增压腔及气液分离室内存储有预先灌入的流体。本发明首级离心端采用较高速的电机，从而获得更高速的工作流体，但在离心叶轮和泵腔都减小的情况下，使复合屏蔽泵在自吸阶段的气液分离更加困难，极易导致高转速叶轮气缚，因此难以稳定复合屏蔽泵的自吸功能。具体说来，这一方面是由于气泡在高速流动状态下极易与壁面或者叶轮发生碰撞而破碎，进而无法自由上浮离开泵内水体；另一方面则是高速旋转的叶轮形成一个非常强劲的周向剪切，气泡在其中更加容易破碎，受到气泡的尺度急剧减小和泵内高速流动两方面的夹持，泵内的气泡尺寸相比普通自吸泵偏小而具有更高的跟随性，因此气泡上浮并离开水体难度急剧增加，导致气液分离几乎失效，复合屏蔽泵无法顺利完成自吸。因此，为了避免电机高转速带来的气液分离问题，经自吸器混合后的气液缓混合物受到离心叶轮的高速驱动后，先由离心压水室引流导出进入缓冲增压腔进行缓冲增压，同时在缓冲增压腔内完成相当程度的融合，有效减小小气泡的比重，最终使得自吸阶段的泵内气泡具有更大尺度的分布，并获得更充分上浮时间完成气液分离。

对于具有多孔隙双层板串联结构的缓冲增压腔，布置有一定排列的缓冲翅片，高速流体经初级缓冲腔缓冲翅片的导流，速度迅速降低并由初级缓冲腔出口排出，流入次级缓冲腔，流体介质进一步减速，并在层板间的缓冲腔内发生一定程度的气泡融合，使得气泡大小整体往大尺度偏移，并经次级缓冲腔出口排出，之后进入气液分离室或者进入下一级缓冲增压腔。本发明将流体从高转速离心叶轮驱动获得的动能通过多级缓冲的方式有效转化为势能，完成工作介质的减速增压，控制流体压损的同时满足气液分离需要。

缓冲增压腔出口流出的流体直接进入首级气液分离室，首级气液分离室中流体介质速度由于导流及缓冲增压腔的作用明显降低，工作流体在气液分离室获得充分滞留，留给气泡充足的上升时间离开首级气液分离室，进入下一级离心端，最终排出泵出口，实现复合泵的气液分离。如果没有缓冲增压腔，首级电机驱动离心叶轮后的高速流体无法充分减速，从而导致气液分离无法顺畅完成，叶轮气缚现象占据主导，会直接导致自吸效果不佳。

另一方面，次级离心端在自吸阶段的运行，会在首级气液分离室出口产生一个负压牵引，使得首级气液分离室内的气液混合物能够往次级泵进口定向迁移，将自吸器夹带进来的气泡有效向泵出口方向输运，相比在单级自吸式屏蔽复合泵内气泡的自由上浮，提高了气泡的正向迁移速度，降低这部分气泡在首级泵内的滞留、循环，增快自吸阶段的排气速度和排气稳定性，由此缩短自吸时间。

同时，为了保持复合屏蔽泵结构紧凑和较好的缓冲效果，缓冲增压腔的次级缓冲腔、初级缓冲腔可保持同心，次级缓冲腔出口沿周向、径向或者次级缓冲腔盖板一定区域内分布（均匀或者非均匀）。另外，还可以将缓冲增压腔与离心端设为同心分布，有效缩小整泵体积。

自吸复合屏蔽泵处于实际工作阶段时，泵进口管路内的待泵送流体沿复合泵进口被吸入自吸器，与自吸器内的工作流体（始终内循环状态的流体）在自吸器腔内加速混合后进入首级离心端；接着，这部分流体经过首级离心叶轮的加速增压后获得较高的速度和压力，再从首级离心压水室排出进入缓冲增压腔进行减速增压，并从缓冲增压腔出口排出，实现工作介质的减速和增压。

从缓冲增压腔流出的流体进入首级气液分离室，一部分流体经首级泵出口排出，进入下一级次级泵。另一部分未排出首级泵的有压流体在首级气液分离室内继续循环流动：(i)当自吸器采用喷射器结构，这部分内循环流体持续为喷射器喷嘴提供工作流体，在喷嘴出口附近形成的强负压持续卷吸泵进口的待泵送流体；(ii)当采用气液混合器为自吸器时，这部分有压流体经过气液混合器回流孔-气液混合腔-气液混合器出口进入首级泵进口。无论哪种自吸器，都是相当于提升了首级泵进口的流体压力。如此重复上述过程，实现复合屏蔽泵对待泵送流体的正常泵送，整体上提升了整泵的吸程。在此过程中，缓冲增压腔能够有效控制压损的同时，实现对离心端出口流体的缓冲增压。

作为一种改进，在自吸器工作流体入口，例如在喷射器喷嘴入口位置或者气液混合器回流孔处，可布置止回阀或者弹力挡片。自吸工作阶段开始时，泵内只有预灌的流体在内循环，无待泵送流体的连续补充，止回阀或弹力挡片两侧（自吸器内部和气液分离室）压差较小，止回阀或弹力挡片在弹簧弹力或者电磁力作用下处于开启状态，气液分离室内部液体经自吸器入口进入自吸器，开始夹带泵进口管路内的气体，并在自吸器内完成气液混合。随自吸阶段的深入，泵内预灌流体对泵进口管路内的气体持续夹带进入自吸器混合，并通过气液分离室由泵出口排出。因此，泵进口管路内的气体不断减少，气压不断降低，止回阀或者弹力挡片等结构两侧压差不断增大，直至自吸阶段结束，泵进口管路内几乎没有气体，由流体充满并源源不断向泵内供水，首级气液分离室内的压力陡增，由此自吸器内外产生一个非常大压差，止回阀在这个压差作用下克服弹簧弹力或者电磁力作用，进入关闭状态。此时，气液分离室内的液体无法再经自吸器进口进入自吸器，泵内流体的内循环停止；气液分离室内的液体不再回流至喷嘴位置，直接将做功完成的液体经复合屏蔽泵出口排出。利用止回阀或弹力挡片对自吸器进口工作流体的“开启”或“截止”，实现自吸功能的同时，停止泵工作阶段的内循环，从而显著提升泵水力效率。

作为一种优选，本发明的首级离心端动力源可采用直流永磁高速电机，考虑到电机的高转速，所以采用较小尺寸直流电机驱动较小的离心叶轮，从而缩小泵体整体尺寸。直流永磁电机大幅改善常规异步电机的效率问题，通过提高直流电机转速（最高转速在3600rpm以上，甚至可达10000rpm），配合自吸器和缓冲增压腔结构的设计，实现复合屏蔽泵自吸功能的同时，获得更高的水力效率和更强的静音效果。同时，直流永磁电机相比传统异步电机安全性极高，当采用36V及以下的直流安全电压时，即使漏电，对人体也无生命威胁。复合屏蔽泵整体尺寸小、结构紧凑、超静音具有广阔的市场应用前景。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1、图2a、图2b和图2b所示，本实施例具体包括泵进口1、泵出口2、自吸器、首级离心端4、首级气液分离室5、次级泵进口6、次级离心端7、泵外壳8、导流腔9、缓冲增压腔10，自吸器可以为喷射器301或气液混合器302等结构形式，当采用喷射器301为自吸器时，泵进口1连接喷射器进口301-1，喷射器扩散段301-4端部为喷射器出口301-5，喷射器出口301-5连接首级离心端进口401，喷射器喷嘴301-2进口与首级气液分离室5相连通，首级离心端出口405与缓冲增压腔进口101相连通，缓冲增压腔出口102与首级气液分离室5相连通，首级气液分离室经导流腔9与次级泵进口6相连通，次级离心端出口705连接泵出口2；当有次级气液分离室时，次级离心端出口705先与次级气液分离室11相连，次级气液分离室11再与泵出口2相连通。当采用气液混合器为自吸器时，气液混合器进口302-1与泵进口1相连，气液混合器出口302-4与首级泵离心端进口401相连，气液混合器回流孔302-3与首级气液分离室5相连通。

喷射器301由喷射器进口301-1、喷嘴301-2、喉管301-3和扩散段301-4和喷射器出口301-5组成（如图8a和图9a），并可在喷嘴301-2入口处布置弹力挡片13（图7a、图8b和图8c）或止回阀14（图7b、图9b和图9c），用于启闭泵的内循环。气液混合器302由气液混合器进口302-1、混合腔302-2、回流孔302-3和气液混合器出口302-4组成（如图11a和图12a），并可在回流孔302-3处布置弹力挡片13（图10a、图11b和图11c）或止回阀14（图10b、图12b和图12c），用于启闭泵的内循环。

首级离心端4具体包括首级离心端进口401、首级永磁电机402、首级离心叶轮403、首级离心压水室404、首级离心端出口405（如图3），次级离心端7具体包括次级离心端进口701、次级永磁电机702、次级离心叶轮703、次级离心压水室704、次级离心端出口705（如图3）。

首级永磁电机402（如图4），其中电机转子402-3与定子402-2通过屏蔽套402-1隔离，电机转子402-3通过电机轴402-4与首级离心叶轮403固定相连，直流永磁电机自带电机外壳402-5，泵体无动密封。当次级电机也为永磁电机时，次级永磁电机702（如图6），其中电机转子702-3与定子702-2通过屏蔽套702-1隔离，电机转子702-3通过电机轴702-4与次级离心叶轮703固定相连，电机自带电机外壳702-5，泵体无动密封，缓冲增压腔进口101和缓冲增压腔出口102分别开在层板1001两侧。

如图5a、图5b和图5c所示，缓冲增压腔可存在多种孔隙介质填充结构形式，用于有效降低流体流速，实现流体增压的效果，其中图5a为填充介质为球形颗粒，图5b为丝网状多空隙层板填充结构，图5c为不规则颗粒多空隙填充结构。

自吸复合屏蔽泵处于自吸排气阶段时，首级离心叶轮403和首级直流永磁电机402都被密封在一个被泵送介质充满的首级复合屏蔽泵泵腔内，喷射器301或气液混合器302、首级离心端4、缓冲增压腔10及首级气液分离室5内存储有预先灌入的流体。本实施例采用安全性和效率更高的直流永磁电机，相比传统异步电机，直流永磁电机虽然驱动流体获得更高速的工作流体，但使首级泵内的气泡没有充分的时间上浮到水面并离开水体、狭小泵腔内高速运动下的气泡破碎严重，复合屏蔽泵的气液分离因此更加困难，极易导致高转速叶轮气缚，首级气液分离室5内的气泡体积占比陡增，复合屏蔽泵的自吸功能无法实现。

为了解决直流永磁电机高转速带来的气液分离问题，喷射器301或气液混合器302混合后的流体受到首级离心叶轮403的高速驱动后，先由首级离心压水室404导出进入缓冲增压腔10进行缓冲增压，使得自吸阶段的泵内气泡一方面获得更长的自由上浮时间完成气液分离，另一方面气泡在缓冲增压腔内的动态堆积可以增强气泡的融合、增大，显著降低气泡在首级气液分离室5内破碎的同时，具有更快的上浮驱动力，见图17。缓冲增压腔10的多种结构是为控制水力损失的同时加快气泡脱离水体，增强泵的自吸。如果不设缓冲增压腔10，首级直流永磁电机402驱动的首级离心叶轮403后的高速流体无法充分减速，从而导致泵腔内的气泡破碎持续恶化，最终导致叶轮403气缚现象占据主导，气液分离无法完成自吸失效。为合理节约空间和流动布局，将缓冲增压腔与离心端保持同心分布（图14a、图15a和图16a所示），有效提高整体结构的紧凑程度。

虽然缓冲增压腔的引入解决了复合屏蔽泵的自吸问题，但是由此也导致了泵的整体性能下降，配置小功率永磁电机时，泵流量扬程过低而几乎无法满足绝大多数的实际应用需求。此时，增设次级泵可以很好地规避该问题。次级泵主要包括次级泵进口6和次级离心端7，为了加强排气效率，可以增设还可以增设次级气液分离室11。具有次级气液分离室11的排气阶段工作示意图见图14a和图15a，无次级气液分离室的排气阶段示意图见图16a，在次级泵中的气泡瞬时状态可见图18。

自吸复合屏蔽泵处于实际工作阶段时，复合屏蔽泵流动示意图如图14b、图15b和图16b所示，泵进口1管路内的待泵送流体被吸入喷射器301或者气液分离器302；当自吸器为喷射器301时，与喷嘴射出的高速工作流体经喷射器喉管加速混合和扩散段减速增压后进入首级离心端4；当自吸器为气液混合器302时，回流孔302-3回流的有压流体与待泵送流体在气液混合器混合腔302-2内混合后进入首级离心端4。接着，这部分流体经过首级离心叶轮403的加速增压后获得较高的速度和压力，再从首级离心压水室404排出进入缓冲增压腔10进行减速增压，并从缓冲增压腔出口102排出，实现工作介质的减速和增压。经缓冲增压腔出口102流出的流体进入首级气液分离室5，一部分流体经复合泵出口2排出，另一部分未排出泵体外的有压流体在首级气液分离室5内继续循环流动。为喷射器喷嘴301-2或气液混合器回流孔302-3提供工作流体，在自吸器内持续卷吸泵进口的待泵送流体，如此重复上述过程，实现复合屏蔽泵对待泵送流体的正常泵送。在此过程中，缓冲增压腔10能够有效减小流体惯性耗散、控制压损的同时，实现对首级离心端出口405流体的缓冲增压。

如图8a、图8b、图8c、图9a、图9b、图9c、图11a、图11b、图11c和图12a、图12b、图12c所示，喷射器喷嘴301-2入口或气液混合器回流孔302-3位置可布置止回阀13或者弹力挡片14，自吸工作阶段开始时，泵内只有预灌的流体在内循环，无待泵送流体的连续补充，止回阀13或者弹力挡片14两侧压差几乎为零，止回阀13或者弹力挡片14在弹簧弹力、弹力挡片弹力或者电磁力作用下处于开启状态，首级气液分离室5内部液体经喷射器喷嘴301-2入口或气液混合器回流孔302-3分别进入喷射器喉管301-3、气液混合器混合腔302-2，完成气液混合过程。随自吸阶段的深入，泵内预灌流体经自吸器加速增压、首级离心叶轮403驱动做功、缓冲增压腔10减速增压等过程的持续作用，泵入口1管路内的气体越来越少，压力越来越小，止回阀13或者弹力挡片14两侧压差不断增大，直至自吸阶段结束，泵入口管路充满了流体工质，止回阀13或者弹力挡片14上下游两侧压差陡增，从而克服弹簧弹力或者电磁力作用，使止回阀13或者弹力挡片14进入关闭状态。如图8c、图9c、图11c和图12c所示，止回阀或者弹力挡片为关闭状态，此时，气液分离室内的液体无法再进入自吸器，泵内流体的内循环停止。利用止回阀13或者弹力挡片14对喷射器喷嘴301-2入口或气液混合器回流孔302-3工作流体的“开启”或“截止”，实现自吸功能的同时，停止实际工作阶段的内循环，从而切实降低泵的能量内耗，有力提升泵水力效率。

如图13所示，本发明的自吸式多级复合屏蔽泵153还可与单个离心泵156形成并联结构的泵组。自吸式多级复合屏蔽泵153与离心泵156共享泵组进口151和泵组出口152，即泵组进口151分别连通自吸式复合屏蔽泵进口154和离心泵进口157；自吸式复合屏蔽泵出口155和离心泵出口158分别连通泵组出口152。该泵组在自吸排气阶段不影响排气，在非自吸正常工作阶段提升泵的性能，构建出不同参数规格的自吸式多级复合屏蔽泵泵组，满足不同需求。

综上，本发明保留了屏蔽泵整体结构紧凑、一体化程度高的特点。在不增加泵运行噪音的前提下，不仅通过首级电机驱动离心叶轮并匹配缓冲增压腔和自吸器实现了屏蔽泵高转速工况下的气液分离和自吸，更重要的是通过次级离心端的引入提高泵整体流量扬程性能的同时，发挥次级泵对首级气液分离腔内气液混合流体的主动牵引，增强了泵整体的自吸稳定性和能力。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.自吸式多级复合屏蔽泵，其特征在于：包括泵进口、自吸器、首级离心端、首级气液分离室、次级泵进口、次级离心端和泵出口；

泵进口连接自吸器进口，自吸器的出口连接首级离心端进口，首级离心端出口与首级气液分离室相连通；首级气液分离室连接次级泵进口，次级泵进口连接次级离心端进口，次级离心端出口与泵出口相连通；

所述的首级离心端包括首级电机、首级离心叶轮和首级离心压水室，首级离心叶轮位于首级离心压水室内，且与首级电机的转子相连，首级电机的转子与定子通过屏蔽套隔离。

2.根据权利要求1所述的自吸式多级复合屏蔽泵，其特征在于：所述的次级离心端至少一个、次级离心端的进口至少一个、次级离心端的出口至少一个、首级离心端的进口至少一个、首级离心端的出口至少一个、首级气液分离室至少一个、自吸器至少一个；

当存在多个次级离心端时，按流动方向，上游次级离心端出口连接相邻的下游次级离心端进口，即采用串联连接，进一步提升扬程；最后一级次级离心端出口与泵出口相连通。

3.根据权利要求1或2所述的自吸式多级复合屏蔽泵，其特征在于：所述的首级气液分离室内，配置有缓冲增压腔，用于将离心端出口高速有压流体快速降速并增压；

所述缓冲增压腔在排气自吸阶段，降低气液混合流体流速的同时消减气泡破碎、增强气泡在缓冲腔内的融合增大，有力提升气液分离能力、增强自吸；在非排气阶段，控制压损的同时实现对首级离心端出口流体的缓冲增压。

4.根据权利要求3所述的自吸式多级复合屏蔽泵，其特征在于：所述缓冲增压腔出口在平面内沿周向或径向分布，或者在空间上布置多孔隙。

5.根据权利要求3所述的自吸式多级复合屏蔽泵，其特征在于：所述缓冲增压腔为多孔隙层板串联结构，所述的多孔隙层板串联结构的缓冲增压腔内增设固定式或者转动式导叶，或者将缓冲增压腔进出口设置为可转动导叶。

6.根据权利要求3所述的自吸式多级复合屏蔽泵，其特征在于：所述的缓冲增压腔为多孔隙空间结构、多孔隙介质填充结构、单个迂回流道组合的结构或者多个迂回流道组合的结构。

7.根据权利要求1或2所述的自吸式多级复合屏蔽泵，其特征在于：所述的自吸器为喷射器或气液混合器，所述的自吸器至少一个进口、至少一个出口。

8.根据权利要求7所述的自吸式多级复合屏蔽泵，其特征在于：所述喷射器的喷嘴入口位置布置止回阀或弹力挡片，当复合屏蔽泵自吸阶段结束后，止回阀或弹力挡片在喷射器内外压差的驱动下关闭，气液分离室内的液体无法再经喷嘴位置进入喷射器内部，泵内循环流动截止。

9.根据权利要求7所述的自吸式多级复合屏蔽泵，其特征在于：所述的气液混合器的回流孔处布置止回阀或弹力挡片，当复合屏蔽泵自吸阶段结束后，止回阀在气液混合器内外压差的驱动下关闭，气液分离室内的液体无法再经回流孔进入气液混合器内部，泵内循环流动截止。

10.一种组合式自吸式多级复合屏蔽泵，包括至少一个权利要求1至9中任一项所述的自吸式多级复合屏蔽泵以及至少一个离心泵，其特征在于：自吸式多级复合屏蔽泵任一级离心端进口和离心泵的进口并联，自吸式复合屏蔽泵出口和离心泵的出口并联。

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