CN114391066A - 用于离心泵的自适应蜗壳 - Google Patents

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Abstract

本文公开了离心泵系统和相关方法，其可以基于一个或多个操作条件转移泵的最佳效率点，以跨更宽的条件范围内更有效地操作和/或调整至更宽的条件范围。本文提供的泵可包括自适应蜗壳，其中蜗壳的几何形状可被调整以转移泵的操作效率。在一些实施例中，自适应蜗壳的高度或径向尺寸可基于一个或多个操作条件来调整。自适应蜗壳的几何形状可在泵操作期间和/或当叶轮设置在蜗壳内时进行调整。在一些实施例中，第一轴环和第二轴环可设置在自适应蜗壳内。第一部件的旋转可使第二部件轴向移动，这可使自适应蜗壳的轴向尺寸扩大或缩小。

Description

用于离心泵的自适应蜗壳
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年9月18日提交的并且标题为“用于离心泵的自适应蜗壳”的美国临时申请第62/902027号的优先权和权益，该申请的全部内容通过引用被并入。
技术领域
本公开涉及使用离心泵的自适应结构来改进泵的寿命效率，例如通过在更宽的操作点范围内维持更高的效率，并且更特别地涉及改变自适应蜗壳的几何形状以实现该目的。本公开还涉及具有改进的可靠性、延长的泵寿命和扩大的操作条件范围的离心泵。
背景技术
离心泵是对流体做功以提高流动的能量的涡轮机。通过加速流动的旋转叶轮对流体做功。流体从叶轮流出到螺旋蜗壳，该螺旋蜗壳收集流体并扩散流体，从而将动压力转化为静态压力上升。泵，尤其是离心泵，无处不在：输送新鲜水和废水、抽水蓄能、建筑HVAC系统、石油开采、采矿和农作物灌溉等(仅提到若干应用)。泵通过工业和市政系统输送流体。在全球范围内，泵每年使用数百太瓦时的电力。关于改进泵效率的研究证实，泵的更好控制和适应性将能够提高泵的效率。离心泵的生命周期成本评估显示，泵的总成本的约40%被花费在能量上，相比之下，泵的前期资本购买仅占10%。可根据需求改变操作的泵也可通过改进可靠性和减少维护、操作和停机时间的成本来节约成本。
目前，离心泵被设计用于在单一流体流量和压力下最有效地操作。当来自叶轮的流体切向速度等于蜗壳中的流体切向速度时，出现最佳效率点BEP。这使得叶轮出口周围的静态压力分布均匀。特定泵的BEP发生在该特定泵的叶轮和蜗壳特性的交会处。泵的操作点位于泵特性和系统特性的交会处。随着泵系统特性的变化，例如，由于流体流量的变化、泵滞止压力的上升等，则泵的操作点可以远离该泵的BEP。这可能引起经向速度和静态压力在蜗壳周围发生变化。大于BEP流量的流量可能导致蜗壳内的流量加速，而低于BEP流量的流量可能导致流量减速。因此，在波动条件下操作的泵会在整个操作条件范围内牺牲效率。此外，经向变化的静态压力将使叶轮和轴上的径向负荷提高，从而降低泵的寿命。此外，且如上所述，能量损失可能是操作泵的成本的重要驱动因素。
目前至少存在三种已知的可用于使泵的BEP与系统需求相匹配的方法。首先，可以定制泵的选择，以匹配预期泵系统的预计操作条件。工程师可以定义系统曲线，即预期流量和压力，并且然后理想地选择泵，使得系统曲线在BEP处与泵曲线交叉。然而，在实践中，系统曲线估算通常会增加安全系数，以确保泵将能够满足最大流量和压力要求。这可能导致泵的选择超出必要范围，这导致能量损失并降低泵的效率。更一般而言，如果系统操作偏离预计操作条件，泵的操作可能会偏离BEP。实际系统通常要求在一定范围的压力和流量内操作，从而转移系统曲线和泵的操作效率。
其他已知方法包括调整叶轮。例如，第二种方法是变速驱动，其可用于调整泵的叶轮的速度。鉴于需要在快速旋转的部件上设置自适应机构，变速驱动在机械上较为复杂。虽然这种调整会转移泵的操作曲线，但调整叶轮速度可对流体流量和压力输出产生重大影响。例如，变速驱动装置可能无法在较低的流体流量下保持较高的压力。此外，操作者通常受限于以满足操作需求所需的速度操作具有变速驱动的泵，这可能不是泵的最有效速度。第三种已知的方法是叶轮修整，其中将叶轮直径加工成较小的直径，以引起泵曲线永久移动。调整叶轮特性可能会对泵特性和BEP的位置两者产生重大影响，从而难以进行准确和精确的控制。
值得注意的是，这些方法均未提供在泵的叶轮周围保持均匀的静态压力分布来维持BEP操作的机制。因此，存在对于在一系列操作条件下改进泵效率的方法和装置的需要。
发明内容
本文公开了离心泵系统和相关方法，其可基于一个或多个操作条件转移泵的最佳效率点(BEP)，使得泵可跨某一范围的操作条件更有效地操作。更特别地，本文提供的泵可包括自适应蜗壳，使得当叶轮设置在蜗壳内时，可调整蜗壳的几何形状。调整蜗壳的几何形状可包括调整蜗壳的长度、宽度、高度、体积和/或表面面积中的一个或多个和/或蜗壳的部分(例如，蜗壳的特定侧面、喉口、舌片等)。自适应蜗壳几何形状可基于一个或多个操作条件或参数调整，例如体积流量、泵入口和出口之间的压力上升、蜗壳周围的周向静态压力分布、从蜗壳排出的流体的期望流量、从蜗壳排出的流体的期望流量、经由泵入口接收的流体压力、泵的期望压力输出、泵的测量线到水(wire-to-water)效率、电机电流、电机电压、轴扭矩和/或轴速度。通过这种方式，可以在泵操作期间调整蜗壳的几何形状，以满足可变的系统需求，这可以在不同的操作条件下保持泵的均匀静态压力状态。在一些实施例中，泵可以连续改变蜗壳几何形状，以在操作期间保持最佳效率。因此，本公开的泵可以在BEP或BEP附近在广泛的系统特性范围内操作，这可以改进泵的整体效率并降低操作成本。
根据本公开的离心泵的一个示例性实施例包括叶轮和其中设置有叶轮的蜗壳。蜗壳具有用于从外部环境接收流体的入口和用于将由叶轮推动的流体排出蜗壳的出口。蜗壳包括设置在壳体内的第一轴环和第二轴环。第一轴环和第二轴环配置成使得第二轴环响应于第一轴环的旋转而轴向移动，从而改变蜗壳的横截面积，以调整由叶轮推动并流出蜗壳的流体的流量。
在泵的一些实施例中，第一轴环可以是外轴环，并且第二轴环可以是内轴环。外轴环和内轴环可以螺纹接合，使得外轴环的旋转可以导致内轴环在壳体内轴向移动。内轴环的远端可以包括能够限定蜗壳的轴向尺寸的柱塞。在泵的其他实施例中，第一轴环可以是顶部楔形物，并且第二轴环可以是底部楔形物。底部楔形物可响应顶部楔形物的旋转而轴向移动。顶部楔形物可在其底侧上具有滑动接合特征，并且底部楔形物可在其顶侧上具有滑动接合特征，其中顶部楔形物的滑动接合特征配置成接合底部楔形物的滑动接合特征，以使底部楔形物响应于顶部楔形物的旋转而平移。在一些实施例中，顶部楔形物的滑动接合特征可以是多个锯齿延伸部，并且底部楔形物的滑动接合特征可以是配置成沿着顶部楔形物的多个锯齿延伸部滑动的多个锯齿延伸部。底部楔形物可被旋转约束。
第一轴环可配置成围绕泵的纵向轴线旋转，泵的纵向轴线基本上在中心延伸通过蜗壳的入口和叶轮的叶轮轴。第二轴环可配置成沿泵的纵向轴线轴向移动。在一些实施例中，第一轴环可以具有由内圆周和外圆周限定的形状。第一轴环的形状可以与叶轮的形状基本上同心。第二轴环可具有由内圆周和外圆周限定的形状，其中第二轴环的内圆周可与叶轮的形状基本上同心，并且第二轴环的外圆周可具有与蜗壳的内壁形状相称的形状。第二轴环的外圆周可以是对数螺线，该对数螺线可以基本上匹配蜗壳内壁的扩张形状。在一些实施例中，蜗壳可以是螺旋蜗壳。
在一些实施例中，第一轴环可包括在外表面的至少一部分上的齿轮齿。第一轴环可配置成由蜗杆传动驱动。第二轴环可以是可调节的，使得其可以选择性地相对于蜗壳的壳体移动，以改变蜗壳的横截面积。泵还可包括控制器，该控制器可配置成基于一个或多个参数命令第一轴环选择性移动。一个或多个参数可包括从蜗壳排出的流体的期望流体流速、从蜗壳排出的流体的期望流体体积、经由入口接收的流体压力、泵的入口和出口之间的压力变化、蜗壳中的静态压力的经向分布、由泵消耗的功率、泵电机电压、泵电机电流、叶轮轴转矩或叶轮轴速度中的至少一个。在一些实施例中，叶轮的旋转速度能够是可变的。
根据本公开的离心泵的另一示例性实施例包括叶轮和其中设置有该叶轮的自适应蜗壳。自适应蜗壳具有用于从外部环境接收流体的入口和用于从由叶轮推动的自适应蜗壳中排出流体的出口。自适应蜗壳配置成响应于经由入口接收的流体的一个或多个参数来调整其在其中的可用体积。
自适应蜗壳可包括轴向调整机构，该轴向调整机构可配置成调整自适应蜗壳的轴向高度，其中自适应蜗壳的轴向高度是沿着泵的纵向轴线测量的，该泵基本上在中心延伸通过自适应蜗壳入口。在一些实施例中，自适应蜗壳可包括径向调整机构，该径向调整机构可配置成调整蜗壳的径向尺寸，从而改变蜗壳的横截面积，以调整由叶轮加速并流出蜗壳的流体流量。在一些这样的实施例中，径向调整机构可以包括弯曲的楔形物。
自适应蜗壳可包括锥形部件。在一些实施例中，自适应蜗壳可以是柔性的。自适应蜗壳可以是螺旋自适应蜗壳。泵还可包括控制器，该控制器可配置成响应于一个或多个参数命令来调整自适应蜗壳的可用体积。一个或多个参数可包括从自适应蜗壳排出的流体的期望流体流速、从自适应蜗壳排出的流体的期望流体体积、经由入口接收的流体压力、泵的入口和出口之间的压力变化、蜗壳中的静态压力的经向分布、由泵消耗的功率、泵电机电压、泵电机电流、叶轮轴转矩或叶轮轴速中的至少一个。在一些实施例中，叶轮的旋转速度能够是可变的。
根据本公开的操作离心泵的一种示例性方法包括通过自适应蜗壳的入口从外部环境接收流体，旋转叶轮以使流体移动通过自适应蜗壳，以及通过自适应蜗壳的出口排放流体。该方法还包括通过移动蜗壳的一部分来调整自适应蜗壳的蜗壳，同时蜗壳保持与叶轮耦合。
在一些实施例中，自适应蜗壳可包括设置在其壳体内的外轴环和内轴环。另一个轴环和内轴环可以彼此螺纹接合。调整自适应蜗壳的体积还可包括旋转外轴环以使内轴环轴向移动，从而调整自适应蜗壳的体积。在其他实施例中，自适应蜗壳可包括设置在其壳体内的顶部楔形物和底部楔形物。调整自适应蜗壳的体积可包括旋转顶部楔形物以使底部楔形物平移，从而调整自适应蜗壳的体积。可以在泵操作期间调整自适应蜗壳的体积。在一些实施例中，该方法可还包括连续调整蜗壳的体积，以找到使泵的效率最大化的体积。在某些情况下，该方法可包括测量静态压力的经向分布。自适应蜗壳的体积可被调整以最小化静态压力分布的变化。
在另一示例性实施例中，根据本公开的离心泵包括叶轮和其中设置有该叶轮的自适应蜗壳。自适应蜗壳具有用于从外部环境接收流体的入口和用于从由叶轮推动的自适应蜗壳中排出流体的出口。自适应蜗壳配置成基于至少一个参数调整其可用体积，以实现大致在标称最佳效率点流量的约70%至约标称最佳效率点流量的约135%之间的最佳效率操作范围。
在一些实施例中，至少一个参数可包括体积流量、压差、蜗壳的入口和出口之间的压力上升或泵操作效率中的一个或多个。
在另一示例性实施例中，根据本公开的离心泵包括叶轮和其中设置有该叶轮的自适应蜗壳。自适应蜗壳具有用于从外部环境接收流体的入口和用于从由叶轮推动的自适应蜗壳中排出流体的出口。自适应蜗壳配置成基于至少一个参数调整其在其中的可用体积，以实现大致经过其中的在标称流量的约50%至标称流量的约150%的范围内的流量。
在一些实施例中，至少一个参数可包括体积流量、压力差、蜗壳的入口和出口之间的压力上升或泵操作效率中的一个或多个。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述将更全面地理解本公开，其中：
图1A是现有技术的泵系统的透视图；
图1B是图1A的泵系统的现有技术的泵沿Z-Z线截取的极截面图和沿Y-Y线的经向截面图；
图1C是沿图1A的Y-Y线截取的图1B的泵的现有技术叶轮的截面图；
图2是示出图1A的泵的操作点的图；
图3是适用于本公开的压力流程图；
图4是本公开的自适应蜗壳泵的一个实施例的侧视图；
图5是沿着图4的线A-A截取的图4的泵的横截面侧视图；
图6是图4的泵的壳体、顶部楔形物、底部楔形物、叶轮头端和自适应蜗壳的部分剖面透视侧视图；
图7是具有半透明壳体的图4的泵的顶部透视图；
图8是沿着图4的线B-B截取的图4的泵的横截面子午线图；
图9是图4的泵的顶部楔形物、底部楔形物、自适应蜗壳和涡轮的透视侧视图；
图10是图9的泵的部件的极视图；
图11是本公开的自适应蜗壳泵的另一实施例的透视侧视图；
图12是沿着图11的线aʹ–aʹ截取的图11的泵的截面侧视图；
图13A是图11的泵的透视侧视图，其具有半透明壳体和顶板；
图13B是图13A的圆D所示的泵的蜗轮的详细视图；
图14是图11的泵的外轴环、内轴环、涡轮和自适应蜗壳的部分剖面的透视顶视图；
图15是图14所示的外轴环和蜗轮的部分剖面图的透视图；
图16是图14所示内轴环的透视图；
图17是本公开的自适应蜗壳的实施例的示意性截面侧视图；
图18是本公开的泵壳体的另一实施例的横截面侧视图；
图19是本公开的自适应蜗壳泵的另一实施例的截面顶视图；
图20示出了图19的泵的径向调整楔形物的一个实施例；
图21示出了本公开的自适应蜗壳的另一实施例；
图22是图21的自适应蜗壳的弹性膜调节机构的详细视图；
图23是具有主动边界调整机构的本公开的自适应蜗壳泵的另一实施例；
图24是图23的主动边界调整机制的详细视图；
图25示出了具有主动边界调整机构的本公开的泵的另一实施例；
图26是具有不同蜗壳几何形状的泵的标准化压力-流量图；以及
图27是具有不同蜗壳几何形状的泵的标准化效率-流量图。
具体实施方式
在讨论本公开中提供的供离心泵系统使用的自适应蜗壳的各种特征之前，更好地理解现有技术的常规离心泵系统是有帮助的。图1A-2涉及常规离心泵系统。更特别地，图1A示出了现有技术的泵系统1，而图1B示出了分别沿Z-Z线和Y-Y线截取的图1A的泵的部件的截面极视图和截面经向视图。泵1具有设置在壳体4内的旋转叶轮2。壳体4限定了其中设置有叶轮2的螺旋蜗壳6。壳体4具有流体通过其进入的入口8和流体通过其排出的出口管10。图1C是沿图1A的Y-Y线截取的叶轮2的截面图。叶轮2具有叶轮头端2a和从其纵向延伸的轴2b。轴2b延伸到系统1的电机12中。电机12使叶轮2旋转，这迫使流体从入口8沿径向进入蜗壳4，从而导致流体沿蜗壳的螺旋流动并将其输送至出口管10。旋转叶轮2通过加速流体对流体进行工作，这增加了滞止压力。值得注意的是，对于特定的泵，蜗壳6的几何形状通常是固定的，使得当叶轮2耦合到蜗壳时，蜗壳的几何形状不能被调整。
流体系统可基于系统所需的流量Q和静态压力Ps进行表征。系统特性可通过使流量Q通过系统所需的总压上升来定义。图2是类似于图1A的泵1的流体系统的压力-流量图14。其示出了系统特性曲线16，其将流体系统的压力需求作为流量的函数进行绘图。泵1由作为流量的函数产生的静态压力上升特性曲线18表示。一旦泵1被制造，特性曲线18可以通过实验得出。泵曲线18指示泵压将如何随流量变化。泵1的操作点20由泵所连接的特定系统的泵曲线18和系统曲线16的交线确定。在现有的真实流体系统(即压力和流量随时间波动的系统)中，系统曲线16随着系统的寿命和操作而变化。因此，泵1的操作点20可以沿着泵曲线18转移，并且可以偏离系统的最佳效率点。泵曲线18通常在泵1的整个寿命期间保持不变。在某些情况下，如上所述，泵曲线18可以通过改变叶轮旋转速度或叶轮微调来有意改变。
现在将描述某些示例性实施例，以提供对本文公开的装置和方法的结构、功能、制造和使用的原理的整体理解。这些实施例的一个或多个示例在附图中示出。本领域技术人员将理解，本文特定描述并在附图中示出的装置和方法是非限制性示例性实施例，并且本公开的范围仅由权利要求书限定。结合一个示例性实施例示出或描述的特征可以与其他实施例的特征相结合。这种修改和变化旨在包括在本公开的范围内。
本文公开了离心泵系统和相关方法用于在泵的操作条件和寿命范围内提供改进的泵效率、改进的可靠性和/或更宽的操作范围。本公开的离心泵可包括叶轮和其中设置有叶轮的蜗壳。蜗壳可以是自适应的或可变的蜗壳，使得自适应蜗壳的几何形状可以在泵的操作期间进行调整。调整自适应蜗壳的几何形状可以包括例如调整蜗壳的长度、宽度、高度、体积和/或表面面积和/或蜗壳的部分(例如，蜗壳的特定侧面、喉口、舌片等)。更特别地，可根据本公开调整或改变以适配蜗壳的控制参数的非限制性示例可包括喉道面积(即，喉道宽度和喉道高度的乘积)、蜗壳的宽度的径向变化、蜗壳的高度的轴向变化、舌角、切割水半径和/或叶轮在蜗壳中的高度位置(例如，中心对偏置)。通过这种方式，可以在泵的操作期间调整蜗壳的几何形状，以满足可变的系统需求，并在系统的不同操作参数下保持高效操作。如本文所用，“在泵的操作期间”可以指其中叶轮旋转以驱动流体通过泵的情况。更一般地，本公开的自适应蜗壳的几何形状可以在自适应蜗壳耦合到叶轮时(即，当叶轮保持设置在蜗壳内时)进行调整。因此，在无需打开泵壳体、更换系统部件、停止泵操作的情况下，可对自适应蜗壳几何形状进行调整。
本公开的自适应蜗壳可包括一个或多个机构，以调整蜗壳的横截面积，使得蜗壳可围绕设置在其中的叶轮的周边保持接近均匀的静态压力，即，最佳效率操作(BEP)。例如，可以基于泵和/或流体系统的一个或多个操作参数扩大或缩小蜗壳面积以转移泵的BEP，以跨不同范围的条件保持较高的操作效率。一个或多个操作参数可包括但不限于体积流量、压力差、泵入口和出口之间的压力上升、从蜗壳排出的流体的期望流体流量、从蜗壳排出的流体的期望流体体积、经由泵入口接收的流体压力、泵的入口和出口之间的压力变化、蜗壳中静态压力的经向分布、由泵消耗的功率、泵电机电压、泵电机电流、叶轮轴扭矩和/或叶轮轴速。自适应蜗壳的调整可在泵操作期间实时、接近实时或以不连续的间隔进行。因此，即使系统的操作参数在泵操作期间发生变化，BEP性能也可以跨某一范围的操作参数保持。调整自适应蜗壳的几何形状可以提供扩大的操作范围。
例如，在一些实施例中，自适应蜗壳几何形状可被调整以提供大致在标称BEP流量的约50%至标称BEP流量的约150%范围内、在一些情况下大致在标称BEP流量的约70%至标称BEP流量的约135%范围内、以及在一些情况下大致在标称BEP流量的约85%至标称BEP流量的约110%范围内的流量的改进的泵效率。在某些情况下，本公开的泵可以在上述范围内的流量下提供BEP操作。如本文所用，“标称最佳效率流量”也称为“基线流量”，指具有静态蜗壳几何形状的泵的最佳效率点流量，该静态蜗壳几何形状的尺寸适合其中将使用自适应蜗壳几何形状泵的系统。本公开的具有自适应蜗壳的泵及其相关方法可以提供泵的改进的寿命能效，这可以降低能量成本并减少泵维护的需求和/或频率。
泵的最佳操作效率通常发生在叶轮和蜗壳界面处的速度和压力一致时，这可以减少混合损失、流动分离和气蚀。因此，泵的最佳效率点(BEP)出现在叶轮和蜗壳特性的交会处。这两个特性的交会处也可称为泵的设计点。在设计点以外的操作点，叶轮和蜗壳特性之间存在不匹配，这可能在非设计操作点造成叶轮周边的流量和压力变化。图3是具有泵特性曲线152、叶轮特性154和蜗壳特性156的压力-流量图150。压力-流量图150可以代表本公开的泵的操作，例如将在下文参照图4-10详细描述的泵100。泵的BEP 158可在其中叶轮和蜗壳特征154、156交叉的压力和流量下发生。蜗壳特性156和叶轮特性154可分别由公式(1)和(2)近似表示：
蜗壳特性：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
(1)
叶轮特性：
Figure 788174DEST_PATH_IMAGE002
(2)
在公式(1)和(2)中，A是蜗壳的喉道面积，Q是流体流量，r是叶轮半径，Ω是叶轮的旋转速度，P是静态压力，k是常数，并且η是水力效率。
蜗壳特性156可以捕捉从叶轮收集流量的蜗壳和将动态压力转换成静态压力上升的蜗壳之间的关系。蜗壳特征156中的术语可以理解为流量参数(流量Q和压力P)和控制参数(叶轮转速Ω、叶轮半径r和蜗壳的喉道面积A)的组合。因此，改变蜗壳的几何形状可以改变蜗壳特征156的形状，这从而可以调整泵的最佳效率点158。如上所述，本发明的离心泵可包括自适应蜗壳，使得在泵操作期间可调整蜗壳的几何形状，以跨某一范围的操作条件改变泵的操作效率。因此，本公开的泵可以在泵的整个寿命期间以更高的效率操作。改变蜗壳特性比改变叶轮特性的方法(例如通过变速驱动或叶轮微调)更有利。例如，改变蜗壳的几何形状可以通过更简单的机构来实现，该更简单的机构不需要附接或调整驱动系统的旋转部件。此外，蜗壳特性对泵特性的形状影响较小，而对BEP的位置影响较大。这允许在操作期间对效率进行更直接的控制。更特别地，根据良好的蜗壳设计实践，例如考虑到角动量和/或恒定速度的守恒，本文公开的自适应蜗壳泵可以调整蜗壳的喉道面积A和蜗壳螺旋的横截面面积。在一些实施例中，本公开的自适应蜗壳泵的叶轮特性也可以被调整。换句话说，叶轮微调和/或可变叶轮速度驱动可在自适应蜗壳泵中实施，这可提供对BEP的更大控制和/或扩大的操作范围。
本发明的自适应蜗壳泵也可用于改变通过泵系统的流量，例如，更好地适应或匹配系统的不同流量要求。在一些实施例中，本公开的泵的蜗壳体积可被调整以实现大致在标称流量的约50%至标称流量的约150%范围内的流量。使用单个泵将流量改变至该范围的能力可以节省成本和空间。例如，如果本公开的泵能够提供高达150%的标称流量，则能够减少满足系统需求所需的泵的数量，从而节省操作人员的操作空间和开销成本。
图4-10示出了本公开的离心泵100的一个实施例，该离心泵100可包括具有可调节蜗壳轴向尺寸的轴向滑动机构的自适应蜗壳。图4示出了具有壳体102的泵100，并且图5是沿着图4的线A-A截取的泵100的截面图。泵壳体102可以至少部分地限定自适应蜗壳104。叶轮106可设置在蜗壳104内，并可具有叶轮头端106a和从其纵向延伸的轴106b。尽管图5所示的实施例示出了封闭的叶轮，但是半开放或开放的叶轮也可以与本公开的泵一起使用。叶轮轴106b可延伸穿过壳体102的底板108并进入电机(未示出)。电机可驱动叶轮106以在蜗壳104内旋转，以驱动流体从壳体102的入口110进入蜗壳。流体供应管(未示出)可连接至入口110以向泵100供应流体。叶轮106的旋转可将流体从入口110经蜗壳104径向移动至出口管112，以将流体从蜗壳104中排出。基板108可以例如通过螺栓109固定到壳体102，并且可以通过径向O形环密封件111、面部密封件、衬垫等密封。尽管所示实施例将基板108示出为耦合到壳体102的独立部件，但是在一些实施例中，基板和壳体可以整体形成为单个单元。壳体102的形状以及相应地设置在其中的蜗壳104的形状可以是对数螺线，该对数螺线可以沿着流体流向出口112的路径在体积上扩大。
蜗壳104的横截面面积可具有径向尺寸B和轴向尺寸C。如本文所用，术语“轴向”指平行于中心纵向轴线C1的方向，该方向可纵向且中心地延伸穿过壳体102的入口110。当叶轮106设置在蜗壳104内时，泵100的中心纵向轴线C1也可以沿叶轮轴106b纵向和中心延伸。本文使用的术语“径向”指从中心纵向轴线C1径向延伸的方向。壳体102可具有顶面102t，该顶面102t可在壳体的内壁102a和外壁102之间形成封闭空间。壳体的内壁和外壁102a、102b可以被设计成使得它们之间的体积可以朝向壳体出口112增加。例如，内壁102a可以具有圆形形状，而外壁102b可以具有对数螺线周长。因此，它们之间的体积可以沿着流体流动路径向出口112提高。如下文详细讨论的，自适应蜗壳104可以至少部分地由壳体102的内壁102a和外壁102o以及底板108限定。
图4-10所示的泵100的实施例可包括可调整自适应蜗壳104的轴向尺寸C的轴向滑动机构。更特别地，轴向滑动机构可包括顶部楔形物114和底部楔形物116，该顶部楔形物114和底部楔形物116可被致动，使得底部楔形物116可在壳体102内轴向移动，并且从而可调整蜗壳104的轴向尺寸C。以这种方式，自适应蜗壳104可由壳体102径向限定，并由底部楔形物116和底板108轴向限定。顶部楔形物114和底部楔形物116可以设置在壳体的内壁102a和外壁102b之间。顶部楔形物114和底部楔形物116也可分别称为顶部轴环和底部轴环或螺钉。如图所示，壳体102和底板108可由刚性材料制成，使得对蜗壳104的面积的调整可由底部楔形物116的位置限定。在一些实施例中，底部楔形物116可在轴向方向上移动高达约25毫米，这可使自适应蜗壳的轴向尺寸C在任一方向上扩大或缩小约25毫米。针对特定自适应蜗壳的扩大或缩小范围可至少部分基于泵的尺寸和/或期望的有效操作范围进行设计。
现在将参照图6-10讨论轴向滑动机构的更多细节。图6示出了壳体102的局部剖面图，其中在其中设置有顶部楔形物114和底部楔形物116。叶轮头端106a也被示出在自适应蜗壳104内。顶部楔形物114可以例如通过蜗杆传动装置118(图9)在壳体102的圆周方向R上旋转，而底部楔形物116可以例如通过壳体102的旋转止挡件103(图7)被旋转限制。顶部楔形物114可以与底部楔形物116接合，使得顶部楔形物的旋转运动可以导致底部楔形物116沿着轴C1平移。例如，顶部楔形物114的底部边缘114b可以与底部楔形物116的顶部边缘116t可滑动地接合，使得顶部楔形物114的旋转运动可以平移为底部楔形物116的轴向移动。作为非限制性示例，顶部楔形物114的底部边缘114b可具有一系列锯齿部分115a、115b、115c，其可与底部楔形物116的顶部边缘116t上的一系列对应的锯齿部分117a、117b、117c接合。作为非限制性示例，锯齿部分可以具有大约18度的角度α1。随着底部楔形物116被顶部楔形物114向近侧驱动，即向壳体102的顶面102t驱动，自适应蜗壳104的轴向尺寸C可增加。另一方面，随着底部楔形物116被向远侧驱动，即远离壳体102的顶面102t并朝向底板108，自适应蜗壳104的轴向尺寸C可减小。以这种方式，顶部楔形物114可以旋转，以扩大或缩小自适应蜗壳104。
图7示出了作为半透明部件的壳体102，使得设置在其中的顶部楔形物114和底部楔形物116可见。顶部楔形物114可具有圆柱形形状，而底部楔形物116的形状可与自适应蜗壳104相称，例如对数螺线。更特别地，顶部楔形物114可以在内壁114a和外壁114b之间延伸。顶部楔形物114的内壁和外壁114a、114b可以基本上是同心圆，使得顶部楔形物114具有圆柱形形状。底部楔形物116可以在内壁116a和外壁116b之间延伸。底部楔形物116的内壁116a可以是与叶轮106基本上同心的圆，而外壁116b可以具有与壳体的外壁102b相称的周边，使得底部楔形物116的形状可以与壳体102内形成的自适应蜗壳104的形状相称。如上所述，壳体102可包括旋转止挡件103，该旋转止挡件103可约束底部楔形物116并防止底部楔形物旋转。图8是泵100沿着图4的线B-B截取的截面图，其示出了顶部楔形物114和底部楔形物116在壳体102内的滑动接合。扩散器105和/或过渡区域105t可以提供从蜗壳104到出口112的过渡。扩散器105可以是有助于扩散或减缓流动的扩大，而过渡区域105t提供将扩散器105与蜗壳104连接的体积。在一些实施例中，扩散器105和/或过渡区域105t可以具有沿着流体流动路径逐渐变化的几何形状。例如，如图所示，过渡区域105t可以在其第一端105a处具有矩形截面，并且可以在作为扩散器105一部分的第二端105b处过渡到圆形截面。在一些实施例中，扩散器的几何形状在泵操作期间能够是可变的。例如，挡板可从出口112或沿着扩散器的一点延伸至第二底部楔形物116，使得底部楔形物116的平移可调整扩散器的几何形状。
图9和图10分别示出了顶部楔形物114、底部楔形物116和蜗杆传动装置118的独立侧视图和俯视图。还示出了自适应蜗壳104的体积104ʹ。应当理解，蜗壳体积104ʹ示出了自适应蜗壳104内的流体可以流动通过的区域，该区域可以由壳体102、底部楔形物116和底板108限定。蜗杆传动装置118可被主动或被动控制以驱动顶部楔形物114并调整自适应蜗壳104的几何形状。多个轮齿120可沿顶部齿轮114的至少一部分外壁114b形成。蜗杆传动装置118可包括外螺纹122，该外螺纹122可与顶部齿轮114的轮齿120啮合，使得蜗轮的旋转引起顶部齿轮的轮齿沿蜗轮的螺纹移动，并使顶部齿轮绕中心纵向轴线C1沿方向R旋转。在第一方向上旋转蜗杆传动装置118可导致顶部齿轮114围绕中心纵向轴线C1顺时针旋转，而在与第一方向相反的第二方向上旋转蜗轮可导致顶部齿轮114围绕该轴线逆时针旋转。如下文详细描述的，顶部楔形物114可以由用户手动或经由连接的控制器被动或主动驱动。例如，可以通过壳体102接近蜗杆传动装置118a的头端，使得用户可以手动旋转蜗杆传动装置118。备选地，蜗杆传动装置118可连接至控制器，该控制器可基于一个或多个系统参数驱动蜗杆传动装置118。锯齿部分115a、115b、115c、117a、117b、117c的角度和/或锯齿部分的数量可以至少部分地基于与顶部和底部楔形物114、116的期望旋转和平移相比，致动轴向调整所需的期望力来选择。蜗杆螺纹120和轮齿122可被设计为旋转顶部楔形物114所需的预估输出扭矩的函数。图10示出了底部楔形物116的螺旋形状，其可以但不必与自适应蜗壳104的形状匹配或基本匹配。
如上所述，自适应蜗壳104的截面积可在泵100操作期间被控制，使得可在不同的操作参数(例如在BEP下操作)下保持高操作效率。更特别地，自适应蜗壳104的横截面积可在泵100操作期间进行调整，以转移泵的BEP，以在某一范围的操作条件下匹配系统需求。自适应蜗壳104可基于一个或多个操作参数(例如流体流量、流体压力、叶轮速度等)或期望操作参数(例如从出口112排出的流体的期望流体流速、从出口112排出的流体的期望流体体积等)进行调整，以在泵操作期间转移泵的BEP点。这可以更好地使泵100的操作特性与当前的系统参数相一致，这可以提高并保持高操作效率。在一些实施例中，控制器可以基于一个或多个操作参数或期望操作参数选择性地命令顶部楔形物114移动，以调整蜗壳104的轴向尺寸C。例如，控制器可以在第一或第二方向驱动蜗杆传动装置118，以基于系统的操作条件将蜗壳104的轴向尺寸C扩大或缩小所需的量，以转移泵100的BEP。当泵100操作时，蜗壳104的调整可以实时、近实时或离散间隔进行。在一些实施例中，蜗杆传动装置118可连接至反馈回路，以基于系统的一个或多个参数自动调整自适应蜗壳104。例如，可以测量静态压力的经向分布，并且可以调整蜗壳的体积，以最小化静态压力分布的变化。作为另外的示例，自适应蜗壳可被连续调整，直至定位可使泵效率最大化的蜗壳体积。尽管图4-10中所示的实施例可包括作为顶部楔形物114的驱动机构的蜗杆传动装置118，但其他驱动机构，例如扭转-鲍登线缆椭圆传动装置、电磁阀、棘轮机构、带有加压流体的隔膜、入口导螺杆等都落入本公开的范围。
图11-16示出了具有自适应蜗壳204的本公开的泵200的另一实施例。如下文详细描述的，泵200可包括容纳在泵壳体202内的外轴环214和内轴环或螺钉216，其可被致动以调整自适应蜗壳204的轴向尺寸Cʹ。除下文所述或本领域技术人员容易理解的外，泵200可以与图4-10的泵100相似或相同，具有相同编号和相同字母的部件通常具有相似的特征。因此，为简洁起见，本文省略了对该等特征的结构、操作和使用的描述。
图11是泵200的透视图，其示出了泵壳体202、底板208a和顶板208b。顶板208b可包括入口210，流体可通过该入口210进入壳体202，并且更特别地，自适应蜗壳204。流体可由叶轮206(图12)驱动，径向通过蜗壳204，并通过出口管212从蜗壳排出。底板208a和顶板208b可以例如利用螺栓(未示出)牢固地固定到壳体202上，使得底板、顶板和壳体可以形成封闭空间，流体可以通过该封闭空间从入口210流向出口212。如上所述，壳体202可以具有对数螺线形状，其中内部体积沿着朝向出口212的流体流动路径增加。
图12是沿着图11的线aʹ–aʹ截取的泵200的截面图。如上所述，底板208a和顶板208b可以固定到壳体202上，并且可以利用径向O形环密封件211a、211b密封，使得壳体202内的自适应蜗壳204可以是流体密封的。泵200的纵向轴线C1ʹ可通过顶板208b的入口210并沿着设置在蜗壳204内的叶轮206的中心纵向轴线在中心纵向延伸。外轴环214和内轴环216可用于扩大或缩小蜗壳204横截面的轴向尺寸Cʹ。更特别地，外轴环214和内轴环216可以螺纹接合，使得外轴环的旋转可以导致内轴环216的轴向移动。外轴环214可具有带螺纹的内表面214i(图13B)，其可与内轴环216的带螺纹的外表面216o(图13B)接合。以这种方式，外轴环216和内轴环214可以形成可螺纹接合的螺钉机构。内轴环216可在其远端(即，内轴环的朝向底板208a的一端)具有柱塞217，其可与壳体202一起轴向移动以调整蜗壳204的轴向尺寸Cʹ。柱塞217可以但不必须具有与蜗壳204的形状相称的形状。例如，在一些实施例中，柱塞217可以具有对数螺线形状的平坦表面，与蜗壳204相称。可在柱塞217和蜗壳204之间形成流体密封。柱塞可位于形成于壳体202内的唇缘219的远侧。
现在将参照图13A-16进一步详细描述外轴环214和内轴环216的设计、操作和功能。图13A示出了壳体202内的外轴环214、内轴环216和蜗杆传动装置218。壳体202和顶板208b被示出为半透明部件，使得内和外轴环216、214和蜗杆传动装置218通过其可见。图13B是与图13A的圆D所示的外轴环214接合的蜗杆传动装置218的详细视图。图14示出了外轴环214、内轴环216、蜗杆传动装置218和蜗壳204的体积204ʹ的剖视图。图15是图14的外轴环214的剖视图的详细视图，并且图16是内轴环216的详细视图。使用其他传输方式的系统，例如电缆、牵引驱动、隔膜、流体压力等也可以在不脱离本公开的精神的情况下实施。
蜗杆传动装置218可与沿外轴环214的外表面214的至少一部分形成的轮齿220配合，以将蜗轮的扭矩传递至圈214、216的螺旋机构。如图11所示，蜗杆传动装置218的头端218a可通过壳体202中的开口进入。蜗杆传动装置218的螺纹222可与外轴环214的轮齿220相啮合，使得蜗轮在第一方向上旋转可导致外轴环绕泵200的中心纵向轴线C1ʹ顺时针旋转，即，在图13A所示的箭头Rʹ的方向上。随着外轴环214顺时针旋转，外轴环的螺纹表面214i可以与内轴环的螺纹表面214o接合，以将内轴环向远侧(即，向基板208a)平移。结果，柱塞217可以通过减小蜗壳204的轴向尺寸Cʹ来压缩蜗壳204ʹ(图14)的体积。随着内轴环216向远侧移动，外轴环214可以向上推离壳体202的唇缘219。沿与第一方向相反的第二方向旋转蜗杆传动装置218可导致外轴环214绕泵200的中心纵向轴线C1ʹ沿逆时针方向旋转。随着外轴环214沿反时针方向旋转，内轴环214可向近侧平移，即远离底板208a并向入口210移动，这可通过向近侧移动柱塞217以扩大蜗壳204的轴向尺寸Cʹ而扩大蜗壳204ʹ的体积。随着内轴环216向近侧移动，外轴环214可以向远侧压在壳体唇缘219上。如上文在图4-10的实施例中所述，蜗杆传动装置218可以基于一个或多个操作参数被动或主动致动。
内轴环214的螺纹表面214i和外轴环216的螺纹表面216o可被设计为多头螺钉，其可减轻堵塞并延伸螺钉的导程，同时仅通过部分旋转移动外轴环216。例如，内外轴环螺纹214i、216o可设计为多头螺钉，具有五(5)个起始尺寸，如下表1所示。这种结构仅为内外轴环的螺纹表面214i、216o的尺寸的一个示例。备选尺寸和起始数量(例如少至一个且多于五个)在本公开的范围内。
变量 值 单位
节距 p 6 mm
大直径 d<sub><i>m</i></sub> 80 mm
螺钉起始 s 5 #
导程 l 30 mm
导程角 λ 0.119 rad
6.81 deg
期望行程 t 10 mm
所需旋转 0.33 rot
120 deg
起始角度
1 0 deg
2 72 deg
3 144 deg
4 216 deg
5 288 deg
表1：螺纹轴环尺寸的非限制性示例
泵200可以通过将外轴环214自上而下插入壳体202中来组装。内轴环216可以自下而上地插入壳体202中，使得内轴环216的带螺纹的外表面216o可以与外轴环214的带螺纹的内表面214i接合。外轴环214可旋转以向近侧拉动内轴环216，直至螺纹表面214i、216o完全配合为止。在这种完全配合的结构中，内轴环216的柱塞217可以位于壳体唇缘219的远端。一旦外轴环214和内轴环216分别被容纳在壳体202中，顶板208a和底板208b可以被固定到壳体202。
尽管图4-16示出了本公开的泵的各种实施例，其具有能够调整自适应蜗壳104、202的轴向尺寸C、Cʹ的机构，但是根据本公开可实施备选机构以调整自适应蜗壳的几何形状。同样，除了下文所述或本领域技术人员容易理解的以外，下文所述的各种备选实施例可以与泵100、200类似或相同，具有相同编号和相同字母的部件通常具有类似特征。因此，为简洁起见，本文省略了对该等特征的结构、操作和使用的描述。
图17示出了泵300的一个备选实施例。如图所示，如上所述，可以是离心泵的一部分的泵壳体302可以具有设置在其中的自适应蜗壳304。块305可设置在壳体302内，并可被控制在壳体内轴向平移，从而调整自适应蜗壳304的轴向尺寸Cʹʹ。块305可以但不必须具有与自适应蜗壳304相称的形状，例如对数螺线。块305可与壳体102形成密封，以防止流体从自适应蜗壳304泄漏。块305可以使用例如电磁阀、带有加压流体的隔膜、带有不可反向驱动的传动装置的入口导螺杆、扭转波登线缆椭圆传动装置等选择性地平移。如上所述，块305的控制可以基于系统的一个或多个操作参数。
如图18所示，在一些实施例中，本公开的泵可具有柔性壳体302ʹ，使得壳体可随着轴向调整机构(例如，轴向滑动件304、楔形物114、116、轴环214、216)的移动而弯曲或挠曲。柔性元件可附接到壳体302ʹ，以简化连接到壳体的入口310的管道的静态管道几何形状和设置在其中的本发明的可调节蜗壳304ʹ之间的过渡。
图19示出了本公开的具有自适应蜗壳404的泵400的另一实施例的截面图。泵400可包括径向调整机构，该径向调整机构可通过改变蜗壳的径向尺寸Bʹ来调整自适应蜗壳404的几何形状。泵400可具有可容纳自适应蜗壳404的壳体402。叶轮406可设置在蜗壳404内，并可旋转以驱动流体从壳体402的入口410进入蜗壳404。叶轮406可使流体通过蜗壳404向壳体402的出口412径向移动。如上所述，壳体402和蜗壳404可具有沿着流体路径F向出口412扩大的体积。泵400可包括可沿自适应蜗壳404的周边延伸的柔性楔形物413。柔性楔形物413可沿径向向内和向外移动，即，朝向和远离泵400的中心纵向轴线移动，该中心纵向轴线可通过泵的入口410沿中心和纵向延伸。以这种方式，自适应蜗壳404的几何形状可以通过改变蜗壳的径向尺寸Bʹ进行调整。作为非限制性示例，柔性楔形物413可在径向尺寸上移动高达约25毫米。特定自适应蜗壳的扩大或缩小范围可至少部分基于泵的尺寸和/或期望有效操作范围来设计。
在一些实施例中，柔性楔形物413可包括多个楔形物部分414，其可从底座416径向延伸。在一些实施例中，柔性楔形物413可包括一系列锯齿楔形物，例如，如上所述的关于图6。蜗壳404中的压力可以将柔性楔形物413预加载在壳体402的内壁402i上。随着蜗壳404的曲率半径沿对数螺线向出口412变化，楔形物部分414的径向高度414r可沿柔性楔形物部分413变化。
图20示出了柔性楔形物413的一个实施例，其中图19的多个楔形物414放置在壳体402内。第一楔形物部分414a可以比第二楔形物部分414b更远离流体路径F上的出口412，使得壳体402在第一楔形物部分的位置处的曲率半径小于第二楔形物部分。因此，第一楔形物部分414a的径向高度414rʹ可以小于第二楔形物部分的径向高度414rʹʹ。这可以保持自适应蜗壳404的对数形状，尽管对蜗壳的径向尺寸Bʹ进行了调整。
图21示出了本公开的具有自适应蜗壳504的泵壳体502的另一实施例。更特别地，自适应液压机构可包括隔膜或膜505，其可基于一个或多个操作条件来调整蜗壳504的体积。膜505可由柔性材料制成，使得膜可在壳体502的内部移动，以扩大或缩小蜗壳504的体积。壳体502可具有流体入口510，其中壳体的纵向轴线C1ʹʹ经过入口纵向和中心延伸。膜505可以在壳体502的纵向轴线C1ʹʹ的任一侧固定到壳体502的内壁502i。例如，膜505可以至少在纵向轴线C1的第一侧上的第一固定点507a和与第一固定点相对的纵向轴线的第二侧上的第二固定点507b处固定到壳体。在一些实施例中，第一和第二固定点507a、507b可以位于自适应蜗壳504的外部。在图21所示的实施例中，第一和第二固定点507a、507b可位于自适应蜗壳504的朝向基板(未示出)的远端。
膜505可被预加载，使得膜与壳体502的内壁502i之间的距离为509。设置在自适应蜗壳504内的膜505的至少一部分的位置可以相对于壳体502的内壁502i被动和/或主动调整，这从而可以改变蜗壳的体积。例如，流体可以经由入口510进入，并且可以通过叶轮506移动到自适应蜗壳504中。流体可从叶轮506沿方向F径向流动，叶轮506的压力可调整柔性膜505的至少一部分在壳体502内的位置。在一些实施例中，可使用例如可从膜505延伸至壳体502外部的致动导线511主动操纵膜505以调整其位置。如上所述，膜505可基于一个或多个操作条件手动或自动调整，以调整蜗壳504的体积。
图22示出了图21的壳体502的一侧上的膜505的详细视图。膜505可以在朝向入口510的方向P的至少一侧被预加载。在一些实施例中，约束壁513和/或流体背压可以抵消由叶轮506推动的流体在膜505上施加的力。这种约束壁513和/或背压可为膜505提供稳定性，并有助于实现均匀的静态压力状态。
图23示出了本公开的泵600的另一实施例，该泵600具有壳体602，壳体602具有设置在其中的自适应蜗壳604。叶轮606可设置在蜗壳604内，并可将流体从壳体602的入口610经过蜗壳径向移向出口612。如上所述，壳体602和蜗壳604可以但不必须具有对数螺线形状。蜗壳的横截面或喉道区域可向出口612扩张。泵600可包括一个或多个致动器611，其可被致动以调整蜗壳604的几何形状，如参考图23和图24的插图E进一步详细描述的。插图E提供了致动器611和壳体的内壁602i的一部分的详细说明。膜613可以在蜗壳604和壳体602的内壁602i之间形成边界。致动器611可被主动控制以将膜613移向或移离壳体的内壁602i，从而扩大或缩小蜗壳604的几何形状。如图23所示，泵600可包括多个致动器611，其可在整体的一组子集中被单独控制，或作为整体被控制，以相对于壳体的内壁602i调整膜613的至少一部分来改变蜗壳604。如上所述，(一个或多个)致动器611的控制以及相应的蜗壳604的几何形状可以基于系统的一个或多个操作参数。
图24示出了泵600的四个致动器611的详细视图，该四个致动器611可用于控制膜613的定位，并且从而可调整蜗壳604的几何形状。在一些实施例中，销615可以从每个致动器611延伸至膜613的一部分。致动器611可被致动以使销615径向向内或向外移动，例如，分别朝向或远离可延伸经由入口610的泵600的中心纵向轴线。膜613可以与销613一起移动，以调整蜗壳604的几何形状。在一些实施例中，多个销615可由单个致动器611控制，使得膜613的调整可跨膜的延伸部分同步进行。例如，多个销615可以从楔形物(未示出)延伸，使得单个致动器611可以主动控制楔形物的运动，这可以导致多个销和膜613的相关部分的运动。
图25示出了具有利用致动器611定位膜613的一个示例的泵600。为简化说明，图25中示出了四个致动器611a、611b、611c和611d。然而，应当理解，可以存在更少或更多的致动器611。膜613可在起点617处附接到壳体602。在一些实施例中，起点617可以位于壳体602的螺旋表面的最窄点。在所示实施例中，单个致动器611d可被激活，以将膜的一部分径向向内移向入口610。可以看出，在起点和三个未激活的致动器611a、611b、611c之间延伸的膜613s、613b、613c的片段可以相对于壳体的内壁602i保持在初始位置。然而，在激活的致动器611d和相邻的未激活的致动器611c之间延伸的膜613d的片段，与该膜片段的初始位置613dʹ相比，可以被放置在径向向内的位置，即更远离壳体壁602i。因此，自适应蜗壳604的几何形状可由于将膜613d的至少一部分放置于径向向内的位置而减小。
实验结果
本公开的具有自适应蜗壳的泵可用于转移泵的最佳效率点流量。例如，在一些实施例中，通过调整自适应蜗壳的几何形状，泵效率可改进约2%。下表2示出了在基线蜗壳条件下，泵的最佳效率点处的实验和分析流量和压力、经轴向调整以接收85%的基线流量的自适应蜗壳、经轴向调整以接收110%的基线流量的自适应蜗壳以及经径向调整以接收110%的基线流量的自适应蜗壳。
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表2：计算和实验最佳效率点的比较
这些结果指示，自适应蜗壳的轴向和径向调整可以转移泵的BEP。进行了测试，以比较基线蜗壳、85%流量的蜗壳几何形状和110%流量的蜗壳几何形状。图26和图27示出了BEP的明显转移以及自适应蜗壳几何形状的变化。更特别地，图26绘制了85%流量蜗壳700、基线蜗壳702和110%流量蜗壳704的压力-流量曲线。图27绘制了85%流量的蜗壳700ʹ、基线蜗壳702ʹ和110%流量的704ʹ的效率-流量曲线。与基线效率曲线702ʹ相比，85%的流量蜗壳可导致效率曲线700ʹ向左转移，其中因为流量增加，曲线右侧的下降幅度更大。85%流量的蜗壳可在较低流量下提供更高的效率。这可以改进流动的扩散，并更好地转化为蜗壳中的静态压力。与基线蜗壳702或110%流量蜗壳704的压力-流量曲线相比，这可以在85%流量蜗壳700的压力-流量曲线上的较高值中观察到。与基线蜗壳效率曲线702相比，110%流量蜗壳可导致效率曲线704ʹ向更高流量的向右转移。此外，尽管110%流量的蜗壳可大幅扩大泵的流量，但在较高流量下效率显著提高。
上述实施例的示例可包括以下内容：
1. 一种离心泵，包括：
叶轮；以及
蜗壳，在所述蜗壳中设置所述叶轮，所述蜗壳具有用于从外部环境接收流体的入口和用于将由所述叶轮推动的流体排出所述蜗壳的出口，所述蜗壳包括设置在所述蜗壳的壳体内的第一轴环和第二轴环，所述第一轴环和所述第二轴环配置成使得所述第二轴环响应于所述第一轴环的旋转而轴向移动，从而改变所述蜗壳的横截面积，以调整由所述叶轮推动并且流出所述蜗壳的所述流体的流量。
2. 根据权利要求1所述的离心泵，
其中，所述第一轴环是外轴环，并且所述第二轴环是内轴环，并且
其中，所述外轴环和内轴环可通过螺纹接合，使得所述外轴环的旋转引起所述内轴环在所述壳体内轴向移动。
3. 根据权利要求2所述的离心泵，其中，所述内轴环的远端包括配置成限定自适应蜗壳的轴向尺寸的柱塞。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的离心泵，
其中，所述第一轴环是顶部楔形物，并且所述第二轴环是底部楔形物，并且
其中，所述底部楔形物响应所述顶部楔形物的旋转而轴向平移。
5. 根据权利要求4所述的离心泵，其中，所述顶部楔形物在其底侧上具有滑动接合特征，并且所述底部楔形物在其顶侧上具有滑动接合特征，所述顶部楔形物的滑动接合特征配置成接合所述底部楔形物的滑动接合特征，以引起所述底部楔形物响应于所述顶部楔形物的旋转而平移。
6. 根据权利要求5所述的离心泵，其中，所述顶部楔形物的滑动接合特征为多个锯齿延伸部，并且所述底部楔形物的滑动接合特征为配置成沿着所述顶部楔形物的多个锯齿延伸部滑动的多个锯齿延伸部。
7. 根据权利要求4所述的离心泵，其中，所述底部楔形物受到旋转约束。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的离心泵，其中，所述第一轴环配置成围绕所述泵的纵向轴线旋转，所述泵的纵向轴线基本上在中心延伸通过所述蜗壳的入口和所述叶轮的叶轮轴，并且所述第二轴环配置成沿着所述泵的纵向轴线轴向平移。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的离心泵，
其中，所述第一轴环具有由内圆周和外圆周限定的形状，所述第一轴环的形状与所述叶轮的形状基本上同心，并且
其中，所述第二轴环具有由内圆周和外圆周限定的形状，所述第二轴环的内圆周与所述叶轮的形状基本上同心，并且所述第二轴环的外圆周具有与所述蜗壳的内壁的形状相称的形状。
10. 根据权利要求9所述的离心泵，其中，所述第二轴环的外圆周是对数螺线，所述对数螺线基本上与所述蜗壳的内壁的扩张形状相匹配。
11. 根据权利要求1至10中任一项所述的离心泵，其中，所述第一轴环包括位于外表面的至少一部分上的齿轮齿，并且所述第一轴环配置成由蜗杆传动装置驱动。
12. 根据权利要求1至11中任一项所述的离心泵，其中，所述第二轴环是可调节的，使得其能够选择性地相对于所述蜗壳的壳体移动，以改变所述蜗壳的横截面积。
13. 根据权利要求12所述的离心泵，还包括控制器，所述控制器配置成基于一个或多个参数命令所述第一轴环选择性移动。
14. 根据权利要求13所述的离心泵，其中，所述一个或多个参数包括从所述蜗壳排出的流体的期望流体流速、从所述蜗壳排出的流体的期望流体体积、经由所述入口接收的流体的压力、所述泵的入口和出口之间的压力变化、所述蜗壳中的静态压力的经向分布、由所述泵消耗的功率、泵电机电压、泵电机电流、叶轮轴扭矩或叶轮轴速中的至少一个。
15. 根据权利要求1至14中任一项所述的离心泵，其中，所述蜗壳为螺旋蜗壳。
16. 根据权利要求1至15中任一项所述的离心泵，其中，所述叶轮的旋转速度是可变的。
17. 一种离心泵，包括：
叶轮；和
自适应蜗壳，其中设置有所述叶轮，所述自适应蜗壳具有用于从外部环境接收流体的入口和用于从由所述叶轮推动的自适应蜗壳中排出流体的出口，所述自适应蜗壳配置成响应于经由所述入口接收的流体的一个或多个参数来调整所述自适应蜗壳在其中的可用体积。
18. 根据权利要求17所述的离心泵，其中，所述自适应蜗壳包括轴向调整机构，所述轴向调整机构配置成调整所述自适应蜗壳的轴向高度，所述轴向高度是沿着所述泵的纵向轴线测量的，所述纵向轴线基本上在中心延伸通过所述自适应蜗壳入口。
19. 根据权利要求17所述的离心泵，其中，所述自适应蜗壳还包括径向调整机构，所述径向调整机构配置成调整所述蜗壳的径向尺寸，从而改变所述蜗壳的横截面积，以调整由所述叶轮加速并从所述蜗壳流出的流体的流量。
20. 根据权利要求19所述的离心泵，其中，所述径向调节机构包括弯曲的楔形物。
21. 根据权利要求17至20中任一项所述的离心泵，其中，所述自适应蜗壳是柔性的。
22. 根据权利要求17至21中任一项所述的离心泵，其中，所述自适应蜗壳包括锥形部件。
23. 根据权利要求17至22中任一项所述的离心泵，还包括控制器，所述控制器配置成响应于一个或多个参数来命令对所述自适应蜗壳的可用体积的调整。
24. 根据权利要求23所述的离心泵，其中，所述一个或多个参数包括从所述自适应蜗壳排出的流体的期望流体流速、从所述自适应蜗壳排出的流体的期望流体体积、经由所述入口接收的流体的压力、所述泵的入口和出口之间的压力变化、所述蜗壳中的静态压力的经向分布、由所述泵消耗的功率、泵电机电压、泵电机电流、叶轮轴转矩或叶轮轴速中的至少一个。
25. 根据权利要求17至24中任一项所述的离心泵，其中，所述自适应蜗壳是螺旋自适应蜗壳。
26. 根据权利要求17至25中任一项所述的离心泵，其中，所述叶轮的旋转速度是可变的。
27. 一种操作离心泵的方法，所述方法包括：
通过自适应蜗壳的入口从外部环境接收流体；
旋转叶轮以移动所述流体通过所述自适应蜗壳；
使流体排放通过所述自适应蜗壳的出口；以及
通过移动所述蜗壳的一部分来调整所述自适应蜗壳的体积，同时所述蜗壳保持与叶轮耦合。
28. 根据权利要求27所述的方法，其中，所述自适应蜗壳包括设置在其壳体内的外轴环和内轴环，所述外轴环和所述内轴环彼此可螺纹接合，并且其中，调整所述自适应蜗壳的体积还包括旋转所述外轴环以引起所述内轴环轴向移动，从而调整所述自适应蜗壳的体积。
29. 根据权利要求27或权利要求28所述的方法，其中，所述自适应蜗壳包括设置在其壳体内的顶部楔形物和底部楔形物，并且其中，调整所述自适应蜗壳的体积还包括旋转所述顶部楔形物以引起所述底部楔形物平移，从而调整所述自适应蜗壳的体积。
30. 根据权利要求27至29中任一项所述的方法，其中，调整所述自适应蜗壳的体积发生在所述泵的操作期间。
31. 根据权利要求27至30中任一项所述的方法，还包括连续调整所述体积，以找到使所述泵的效率最大化的体积。
32. 根据权利要求27至31中任一项所述的方法，还包括测量静态压力的经向分布，并且调整所述自适应蜗壳的体积以使最小化静态压力分布的变化。
33. 一种离心泵，包括：
叶轮；以及
自适应蜗壳，在所述自适应蜗壳中设置所述叶轮，所述自适应蜗壳具有用于从外部环境接收流体的入口和用于从由所述叶轮推动的自适应蜗壳中排出流体的出口，所述自适应蜗壳配置成基于至少一个操作参数调整所述自适应蜗壳在其中的可用体积，以实现大致在标称最佳效率点流量的约70%至标称最佳效率点流量的约135%之间的最佳效率操作范围。
34. 根据权利要求33所述的离心泵，其中，所述泵的至少一个参数包括体积流量、压差、所述蜗壳的入口和出口之间的压力上升或泵操作效率中的一个或多个。
35. 一种离心泵，包括：
叶轮；以及
自适应蜗壳，在所述自适应蜗壳中设置有所述叶轮，所述自适应蜗壳具有用于从外部环境接收流体的入口和用于从由所述叶轮推动的自适应蜗壳中排出流体的出口，所述自适应蜗壳配置成基于至少一个操作参数调整所述自适应蜗壳在其中的可用体积，以实现大致在标称流量的约50%至标称流量的约150%的范围内的流量。
36. 根据权利要求35所述的离心泵，其中，所述泵的至少一个参数包括体积流量、压差、所述蜗壳的入口和出口之间的压力上升或泵操作效率中的一个或多个。
本领域技术人员将基于上述实施例理解本公开的进一步特征和优点。因此，除了所附权利要求所指出的以外，本公开不受限于已经特定示出和描述的内容。本文中引用的所有出版物和参考文献均通过引用其整体而明确纳入本文。

Claims (36)

1. 一种离心泵，包括：
叶轮；以及
蜗壳，在所述蜗壳中设置所述叶轮，所述蜗壳具有用于从外部环境接收流体的入口和用于将由所述叶轮推动的流体排出所述蜗壳的出口，所述蜗壳包括设置在所述蜗壳的壳体内的第一轴环和第二轴环，所述第一轴环和所述第二轴环配置成使得所述第二轴环响应于所述第一轴环的旋转而轴向移动，从而改变所述蜗壳的横截面积，以调整由所述叶轮推动并且流出所述蜗壳的所述流体的流量。
2. 根据权利要求1所述的离心泵，
其中，所述第一轴环是外轴环，并且所述第二轴环是内轴环，并且
其中，所述外轴环和内轴环可通过螺纹接合，使得所述外轴环的旋转引起所述内轴环在所述壳体内轴向移动。
3.根据权利要求2所述的离心泵，其中，所述内轴环的远端包括配置成限定自适应蜗壳的轴向尺寸的柱塞。
4. 根据权利要求1所述的离心泵，
其中，所述第一轴环是顶部楔形物，并且所述第二轴环是底部楔形物，并且
其中，所述底部楔形物响应所述顶部楔形物的旋转而轴向平移。
5.根据权利要求4所述的离心泵，其中，所述顶部楔形物在其底侧上具有滑动接合特征，并且所述底部楔形物在其顶侧上具有滑动接合特征，所述顶部楔形物的滑动接合特征配置成接合所述底部楔形物的滑动接合特征，以引起所述底部楔形物响应于所述顶部楔形物的旋转而平移。
6.根据权利要求5所述的离心泵，其中，所述顶部楔形物的滑动接合特征为多个锯齿延伸部，并且所述底部楔形物的滑动接合特征为配置成沿着所述顶部楔形物的多个锯齿延伸部滑动的多个锯齿延伸部。
7.根据权利要求4所述的离心泵，其中，所述底部楔形物受到旋转约束。
8.根据权利要求1所述的离心泵，其中，所述第一轴环配置成围绕所述泵的纵向轴线旋转，所述泵的纵向轴线基本上在中心延伸通过所述蜗壳的入口和所述叶轮的叶轮轴，并且所述第二轴环配置成沿着所述泵的纵向轴线轴向平移。
9. 根据权利要求1所述的离心泵，
其中，所述第一轴环具有由内圆周和外圆周限定的形状，所述第一轴环的形状与所述叶轮的形状基本上同心，并且
其中，所述第二轴环具有由内圆周和外圆周限定的形状，所述第二轴环的内圆周与所述叶轮的形状基本上同心，并且所述第二轴环的外圆周具有与所述蜗壳的内壁的形状相称的形状。
10.根据权利要求9所述的离心泵，其中，所述第二轴环的外圆周是对数螺线，所述对数螺线基本上与所述蜗壳的内壁的扩张形状相匹配。
11.根据权利要求1所述的离心泵，其中，所述第一轴环包括位于外表面的至少一部分上的齿轮齿，并且所述第一轴环配置成由蜗杆传动装置驱动。
12.根据权利要求1所述的离心泵，其中，所述第二轴环是可调节的，使得其能够选择性地相对于所述蜗壳的壳体移动，以改变所述蜗壳的横截面积。
13.根据权利要求12所述的离心泵，还包括控制器，所述控制器配置成基于一个或多个参数命令所述第一轴环选择性移动。
14.根据权利要求13所述的离心泵，其中，所述一个或多个参数包括从所述蜗壳排出的流体的期望流体流速、从所述蜗壳排出的流体的期望流体体积、经由所述入口接收的流体的压力、所述泵的入口和出口之间的压力变化、所述蜗壳中的静态压力的经向分布、由所述泵消耗的功率、泵电机电压、泵电机电流、叶轮轴扭矩或叶轮轴速中的至少一个。
15.根据权利要求1所述的离心泵，其中，所述蜗壳为螺旋蜗壳。
16.根据权利要求1所述的离心泵，其中，所述叶轮的旋转速度是可变的。
17. 一种离心泵，包括：
叶轮；和
自适应蜗壳，其中设置有所述叶轮，所述自适应蜗壳具有用于从外部环境接收流体的入口和用于从由所述叶轮推动的自适应蜗壳中排出流体的出口，所述自适应蜗壳配置成响应于经由所述入口接收的流体的一个或多个参数来调整所述自适应蜗壳在其中的可用体积。
18.根据权利要求17所述的离心泵，其中，所述自适应蜗壳包括轴向调整机构，所述轴向调整机构配置成调整所述自适应蜗壳的轴向高度，所述轴向高度是沿着所述泵的纵向轴线测量的，所述纵向轴线基本上在中心延伸通过所述自适应蜗壳入口。
19.根据权利要求17所述的离心泵，其中，所述自适应蜗壳还包括径向调整机构，所述径向调整机构配置成调整所述蜗壳的径向尺寸，从而改变所述蜗壳的横截面积，以调整由所述叶轮加速并从所述蜗壳流出的流体的流量。
20.根据权利要求19所述的离心泵，其中，所述径向调节机构包括弯曲的楔形物。
21.根据权利要求17所述的离心泵，其中，所述自适应蜗壳是柔性的。
22.根据权利要求17所述的离心泵，其中，所述自适应蜗壳包括锥形部件。
23.根据权利要求17所述的离心泵，还包括控制器，所述控制器配置成响应于一个或多个参数来命令对所述自适应蜗壳的可用体积的调整。
24.根据权利要求23所述的离心泵，其中，所述一个或多个参数包括从所述自适应蜗壳排出的流体的期望流体流速、从所述自适应蜗壳排出的流体的期望流体体积、经由所述入口接收的流体的压力、所述泵的入口和出口之间的压力变化、所述蜗壳中的静态压力的经向分布、由所述泵消耗的功率、泵电机电压、泵电机电流、叶轮轴转矩或叶轮轴速中的至少一个。
25.根据权利要求17所述的离心泵，其中，所述自适应蜗壳是螺旋自适应蜗壳。
26.根据权利要求17所述的离心泵，其中，所述叶轮的旋转速度是可变的。
27.一种操作离心泵的方法，所述方法包括：
通过自适应蜗壳的入口从外部环境接收流体；
旋转叶轮以移动所述流体通过所述自适应蜗壳；
使流体排放通过所述自适应蜗壳的出口；以及
通过移动所述蜗壳的一部分来调整所述自适应蜗壳的体积，同时所述蜗壳保持与叶轮耦合。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述自适应蜗壳包括设置在其壳体内的外轴环和内轴环，所述外轴环和所述内轴环彼此可螺纹接合，并且其中，调整所述自适应蜗壳的体积还包括旋转所述外轴环以引起所述内轴环轴向移动，从而调整所述自适应蜗壳的体积。
29.根据权利要求27所述的方法，其中，所述自适应蜗壳包括设置在其壳体内的顶部楔形物和底部楔形物，并且其中，调整所述自适应蜗壳的体积还包括旋转所述顶部楔形物以引起所述底部楔形物平移，从而调整所述自适应蜗壳的体积。
30.根据权利要求27所述的方法，其中，调整所述自适应蜗壳的体积发生在所述泵的操作期间。
31.根据权利要求27所述的方法，还包括连续调整所述体积，以找到使所述泵的效率最大化的体积。
32.根据权利要求27所述的方法，还包括测量静态压力的经向分布，并且调整所述自适应蜗壳的体积以使最小化静态压力分布的变化。
33. 一种离心泵，包括：
叶轮；以及
自适应蜗壳，在所述自适应蜗壳中设置所述叶轮，所述自适应蜗壳具有用于从外部环境接收流体的入口和用于从由所述叶轮推动的自适应蜗壳中排出流体的出口，所述自适应蜗壳配置成基于至少一个操作参数调整所述自适应蜗壳在其中的可用体积，以实现大致在标称最佳效率点流量的约70%至标称最佳效率点流量的约135%之间的最佳效率操作范围。
34.根据权利要求33所述的离心泵，其中，所述泵的至少一个参数包括体积流量、压差、所述蜗壳的入口和出口之间的压力上升或泵操作效率中的一个或多个。
35. 一种离心泵，包括：
叶轮；以及
自适应蜗壳，在所述自适应蜗壳中设置有所述叶轮，所述自适应蜗壳具有用于从外部环境接收流体的入口和用于从由所述叶轮推动的自适应蜗壳中排出流体的出口，所述自适应蜗壳配置成基于至少一个操作参数调整所述自适应蜗壳在其中的可用体积，以实现大致在标称流量的约50%至标称流量的约150%的范围内的流量。
36.根据权利要求35所述的离心泵，其中，所述泵的至少一个参数包括体积流量、压差、所述蜗壳的入口和出口之间的压力上升或泵操作效率中的一个或多个。
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