CN114857079A - 用于离心泵的动态密封结构 - Google Patents

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CN114857079A CN202110156816.3A CN202110156816A CN114857079A CN 114857079 A CN114857079 A CN 114857079A CN 202110156816 A CN202110156816 A CN 202110156816A CN 114857079 A CN114857079 A CN 114857079A
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朱楠
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Abstract

一种用于离心泵的动态密封结构,其特征在于,所述动态密封结构包括外部静密封环(98),所述外部静密封环(98)包括平行于轴向方向的径向接触部(263)和垂直于轴向方向的轴向接触部(264),其中,所述径向接触部(263)与离心泵的叶轮(70)的叶轮座(78)的筒形基部(782)之间限定出第一空间(265),所述轴向接触部(264)与所述筒形基部(782)之间限定出第二空间(266),其中,所述第一空间(265)沿径向方向的宽度小于所述第二空间(266)沿轴向方向的宽度。

Description

用于离心泵的动态密封结构
技术领域
本申请涉及一种用于离心泵的动态密封结构,特别涉及用于高转速、高扬程的深井用多级离心泵的动态密封结构。
背景技术
深井用离心泵总体上包括电机组件和包含被泵轴驱动而旋转的叶轮的泵体组件。传统的离心泵的泵轴转速一般在3000rpm左右,若要离心泵输出的水的扬程达到300m,通常离心泵的高度可能达到3m,所以,这种深井泵体积大、非常笨重。
深井用离心泵大多用于农业浇灌,使用环境通常在井下100m-500m不等的深度。在高山等自然环境恶劣的应用中,操作非常不方便。特别是,仅仅对于离心泵的搬运来说,工作人员需要人力抬到山顶,这可能需要几个小时、甚至一天的时间,将庞大、笨重的离心泵安装到几百米深的井底以及后续可能的维修都非常困难。这很大程度上限制了离心泵的应用。在泵的改进过程中,为了提高离心泵的扬程,通常采用加大叶轮直径的手段,这进一步增加了泵的体积和重量,加剧了泵的上述不方便。
在这样的情况下,离心泵中的密封构造会消耗大量的功并且产生振动,从而降低离心泵的整体效率。
发明内容
本申请的目的是提供一种用于离心泵的动态密封结构,其具有低功耗的密封构造。
为此,本申请提出了一种用于离心泵的动态密封结构。动态密封结构包括外部静密封环,外部静密封环包括平行于轴向方向的径向接触部和垂直于轴向方向的轴向接触部,其中,径向接触部与离心泵的叶轮的叶轮座的筒形基部之间限定出第一空间,轴向接触部与筒形基部之间限定出第二空间,其中,第一空间沿径向方向的宽度小于第二空间沿轴向方向的宽度。
根据可选的实施方式,离心泵包括:提供旋转运动的电机组件,被电机组件的输出轴驱动的泵轴,和泵体组件,其中,泵体组件包括泵套筒和容置于泵套筒内的多个叶轮级组,叶轮级组包括:在轴向方向上附接到一起而限定出叶轮腔的支撑壳体和导流壳体,以及容置于叶轮腔内被泵轴驱动而随其同步旋转的叶轮,其中,叶轮包括:限定出与泵轴接合的中心孔的毂部,和从毂部径向向外并且轴向向上延伸的锥形壁,从锥形壁的下表面螺旋形延伸的叶片,以及被附接到叶片的外周的叶轮座,叶轮座在其下端限定出外部支撑端面,叶轮座包括筒形基部和从筒形基部的上端径向向外并且轴向向上倾斜延伸的正锥形壁。
根据可选的实施方式,叶轮级组的导流壳体包括具有允许泵轴延伸穿过的中心孔的中心部,与支撑壳体轴向接合的外围部和在中心部和外围部之间螺旋形延伸的导叶,中心部、外围部和导叶限定出叶轮级组的导流通道。
根据可选的实施方式,叶轮座、锥形壁以及叶片限定出离心通道,毂部限定出垂直于轴向方向的中心支撑端面,中心支撑端面通过叶轮的毂部或者嵌置于毂部下端的中心动密封环限定,导流壳体包括与中心支撑端面始终抵接接触的中心抵接端面,以及导流通道与离心通道流体连通。
根据可选的实施方式,中心动密封环由钨钢构成。
根据可选的实施方式,中心部是单独形成并且附接到外围部上的导流座。
根据可选的实施方式,中心抵接端面通过导流座或嵌置于导流座内的中心静密封环提供。
根据可选的实施方式,毂部在远离电机组件的轴向方向上的第一轴向端延伸超出支撑壳体,在与第一轴向端相反的第二轴向端在支撑壳体内终止于中心抵接端面。
根据可选的实施方式,叶轮座与支撑壳体限定出环形缝隙。
根据可选的实施方式,支撑壳体、导流壳体和叶轮座共同限定出杂质收集空间,用于接收来自环形缝隙的杂质。
本申请的用于离心泵的动态密封结构,在离心泵的运转状态下,由于向上流动的水和叶轮的离心力的作用,外部静密封环与离心泵的叶轮的叶轮座的筒形基部之间不再接触,而是形成缝隙,降低了叶轮的摩擦功耗。同时,在离心力作用下,第二空间中的水被甩出,从而形成与外部水压对抗的内部水压,使得叶轮可以减小由水产生的径向力。此外,上述水压平衡还使得叶轮与导流壳体之间始终存在密封,不会由于叶轮的高速旋转而使密封失效。
附图说明
下面将参考附图、结合本申请的示例性实施例详细描述本申请的前述和其它特征、优势和益处。应理解,附图并未按比例绘制,仅仅用于示意本申请的原理,而不意于将本申请限制于图示的实施例。
图1是本申请的示例性离心泵的纵剖面图;以及
图2示出了图1的离心泵的叶轮级组的纵截面图。
具体实施方式
下面参考附图具体描述本申请的离心泵。贯穿各附图,结构或功能相同或相似的部分具有相同的附图标记。
图1是本申请的示例性离心泵的纵剖面图。总体上,离心泵包括马达组件(未示出)和泵体组件20。马达组件包括马达壳体和容置于马达壳体内、能够输出高转速的马达、例如电动马达。为马达的运转提供辅助功能的辅助系统,例如冷却系统,也设置于马达壳体内。泵体组件20包括泵套筒22和容置于泵套筒22内的多个叶轮级组200。马达的输出轴通过离心泵的泵轴11驱动离心泵中各叶轮级组200的叶轮70旋转。在图示实施例中,泵轴11采用的是六齿泵轴。
在本申请中,为方便描述,泵轴11延伸的方向被定义为轴向方向,周向方向围绕着轴向方向延伸。本申请的离心泵在使用过程中通常竖直放置,所以轴向方向也称为竖直方向,在轴向方向上朝向电机组件的方向/端部称为下方/下端,相反的方向/端部称为上方/上端。在垂直于轴向方向的平面中,以限定出轴向方向的泵轴11的中心轴线为基准,从泵套筒22朝向泵轴11的中心轴线的方向称为径向向内,相反,从泵轴11的中心轴线朝向泵套筒22的方向称为径向向外。
返回参考图1,在轴向方向上,从下向上,泵体组件20依次包括进水区段30,由多个叶轮级组构成的叶轮区段50和出水区段40,下面详细描述各区段的结构。
在进水区段30中,在泵套筒22上设置有沿周向方向分布的进水孔32,并且,在进水区段30中,锥壳体34设置于在泵套筒22内。锥壳体34被配置为朝向电机组件开口的倒锥体,包括允许泵轴11穿过的中心孔。将泵轴11连接到电机组件的输出轴并且支撑泵轴11的泵轴连接部设置于由锥壳体34的朝向电机组件的内表面37形成的空间33内。锥壳体34的相反的外表面39与泵套筒22限定出与进水孔32流体连通以便接收从离心泵外面经由进水孔32进入的水的水空间35。根据本申请,进水孔32包括沿泵套筒22的周向方向间隔开分布的多个进水孔组,每一个进水孔组包括密集分布的多个进水孔。
下面描述叶轮区段50所包括的、安装于泵套筒22内的多个叶轮级组200。图示的离心泵的叶轮区段50包括4个叶轮级组200,当然,离心泵的叶轮级组的个数不限制为4,而是可以根据实际需求改变。
叶轮级组200包括静止不动的支撑壳体60和导流壳体250。在轴向方向上,导流壳体250相比于支撑壳体60更靠近电机组件和进水区段30,也就是说,在离心泵处于竖直配置的使用过程中,导流壳体250位于支撑壳体60的下面。叶轮级组200中的支撑壳体60和导流壳体250在轴向方向上彼此接合,附接在一起,共同限定出在轴向方向上贯通的叶轮腔,并且在竖直方向上相邻布置的两个叶轮级组200中上一叶轮级组200的导流壳体250与下一叶轮级组200的支撑壳体60附接在一起。叶轮级组200还包括位于叶轮腔内的叶轮70,叶轮70与泵轴11接合并且被泵轴11驱动而同步旋转。在离心泵领域中,叶轮70与泵轴11通常通过花键接合方式接合在一起,泵轴11包括沿周向方向均匀分布的多个键齿。
图2示出了图1的离心泵的叶轮级组的纵截面图。叶轮70包括圆筒形的毂部72和从毂部72、例如其上端附近径向向外并且轴向向上延伸的锥形壁74(与锥壳体34的延伸方向相反,因而也称为“正锥形壁”),从锥形壁74的下表面79螺旋形延伸的叶片76,叶轮座78被固定地附接到叶片76的外周。叶轮70的毂部72、锥形壁74、叶片76和叶轮座78共同限定出允许水流经的离心通道75。根据本申请的原理,叶轮座78和叶轮70的其他部分可以一体地形成,也可以分开形成、之后通过诸如超声焊接等任何合适的方法附接到一起。叶轮70的叶轮座78包括筒形基部782和从筒形基部782的上端径向向外并且轴向向上倾斜延伸的正锥形壁784。
毂部72限定出中心孔71,中心孔71适于与泵轴11花键接合从而泵轴11驱动叶轮70使叶轮70随泵轴11同步旋转。毂部72的下端限定轴向向下、即朝向中心支撑端面73,叶轮座78、具体为其筒形基部782限定出外部支撑端面77。外部支撑端面77包括平行于轴向方向的一个径向端面和垂直于轴向方向的两个轴向端面。
叶轮级组200的导流壳体250包括具有允许泵轴11延伸穿过的中心孔的中心部252,外周部254,以及在中心部252和外周部254之间呈辐射状延伸的导叶256。导流通道55通过导流壳体250的中心部252和外周部254以及相邻的外部静密封环98限定。外部静密封环98包括平行于轴向方向的径向接触部263和垂直于轴向方向的轴向接触部264。径向接触部263与筒形基部782之间限定出第一空间265。轴向接触部264与筒形基部782之间限定出第二空间266。第一空间265沿径向方向的宽度小于第二空间266沿轴向方向的宽度。第二空间266可以起到压力平衡的作用。具体而言,在离心泵操作期间,从叶轮70外部试图经由第二空间266和第一空间265侵入导流通道55的水在进入第二空间266后速度降低,从而不会继续进入第一空间265,即,水被阻挡在第二空间266中。同时,在离心力作用下,第二空间266中的水被甩出,从而形成与外部水压对抗的内部水压,使得叶轮70可以减小由水产生的径向力。此外,上述水压平衡还使得叶轮70与导流壳体250之间始终存在密封,不会由于叶轮的高速旋转而使密封失效。
在朝向叶轮70的向上方向上,导流壳体250的中心部252限定出中心抵接端面262,中心抵接端面262被配置成始终与中心支撑端面73抵接接触。
在离心泵的非运转状态下,叶轮70装配在由支撑壳体60和导流壳体250的轴向叶轮腔中。中心支撑端面73与中心抵接端面262抵接接触,使导流壳体250对叶轮70提供支撑作用。
在离心泵的运转状态下,叶轮70随泵轴11高速旋转,水在叶轮70旋转产生的离心力的作用被从导流壳体250限定的导流通道吸入,进入叶轮70的离心通道75,之后被甩入下一个叶轮级组200的导流通道55。
叶轮70的叶轮座78的外周、具体为其正锥形壁784的上端外周和支撑壳体60之间限定出允许水中的杂质、例如泥沙向下沉淀的环形缝隙。离心通道75中流动的水流中的泥沙经过环形缝隙之后进入由叶轮级组200的支撑壳体60、导流壳体250和叶轮座78共同限定的杂质收集空间。
在离心泵的高速运转状态下,中心支撑端面73与中心抵接端面262始终保持抵接。除对叶轮70提供支撑之外,此抵接还接收来自叶轮70的轴向力,而轴向力的传递使得相互接触的两个端面73和262产生摩擦。为了降低由此摩擦对离心泵的功率和效率造成的影响,可以对端面73和262进行任何表面处理措施。在一个实施例中,可以对端面73和262施用抗磨擦涂层。在图示实施例中,不是简单地对表面施加抗磨擦涂层,而是分别向叶轮70和导流壳体250设置由抗磨擦材料制成的附加部件来提供端面73和262。由陶瓷制成的中心动密封环92被嵌置于毂部72内用以提供摩擦端面73,由钨钢制成的中心静密封环94被嵌置于导流壳体250内用以提供摩擦表面262。
本领域内技术人员应理解,为了提高泵效率、减少摩擦损失,相互抵接的端面73和262可以通过任何合适的方式提供,绝不仅限于如上面所述的通过叶轮和进水座本身、或者通过向叶轮和进水座施用抗磨擦涂层、或者通过嵌置的特殊材料制成的附加零件等形式提供,而且所施用的抗磨擦涂层或嵌置的附加零件的材料也不仅限于上述提及的那些。
每个叶轮级组200的叶轮70的毂部72沿轴向方向的长度被设计为在远离电机组件的轴向方向上的第一轴向端延伸超出该叶轮级组200的支撑壳体60,在与第一轴向端相反的第二轴向端延伸到导流壳体250内并且终止于中心抵接端面262。
中心支撑端面73与中心抵接端面262始终抵接接触。在离心泵的运转状态下,叶轮70受到的轴向力被经由端面73和262的抵接传递到导流壳体250,之后传递到泵套筒22。这样,所有叶轮级组中叶轮70受到的轴向力都各自传递到泵套筒22,从而竖直布置的各叶轮组件之间不会产生轴向力的叠加。
离心泵运转过程中,水经由进水区段30和多个叶轮级组200之后进入出水区段40。出水区段40包括与最后一个叶轮级组200的支撑壳体60连接的最上端导流壳体250,安装于最上端导流壳体250上的单向阀300,以及连接到泵套筒22上并且限定出出水孔312的出口座310(如图1所示)。
在离心泵操作过程中,电机组件的输出轴驱动泵轴11旋转,泵轴11驱动所有叶轮级组的叶轮70同步旋转。在叶轮70旋转产生的抽吸了的作用下,水从离心泵外面经由泵套筒22上的进水孔32进入进水区段30的水空间35,然后进入叶轮级组200中。在叶轮级组200中,水依次流经导流壳体250限定的导流通道和叶轮70限定的离心通道75,进入下一级叶轮级组200,以此类推。水从最后一个叶轮级组200的离心通道75甩出之后,经由最上端导流壳体250的导流通道,打开单向阀300,经由出口座310限定的出水口310离开离心泵。
如上所述,由每一个叶轮级组200中的叶轮70承受的轴向力都经由中心支撑端面73与相应的中心抵接端面262的接触而传递至泵套筒22,而不会叠加在下面相邻的叶轮级组200上,否则会增加下面叶轮级组200承担的轴向力。这样的布置减少了叶轮70旋转时的泵功率损失。另一方面,对上述抵接端面进行相应地表面处理能够进一步减少损失的泵功率,提高泵工作效率。
本申请的离心泵,采用输出转速高达12000或更高的电机结构组件,采用如图示示意性示出的泵体组件结构,只需配置5个叶轮级组,即可获得300m左右的水输出扬程。此时,离心泵的总高度仅1m左右。即便将离心泵的控制器容置于离心泵内部,离心泵的总高度也仅仅大约1.5m。相比于传统的深井用离心泵,泵的高度缩短了二分之一至三分之二,高度缩短意味着离心泵的重量的大大减轻。这样的结构使得深井离心泵的应用更广泛、更简便、更容易。
尽管在上面参考图中示出的实施例描述了本申请,但是对于本领域的普通技术人员而言显而易见的是,其他实施例和示例可以执行相似的功能和/或获得相似的结果。由此设想所有这样的等效实施例和示例都在本申请的精神和范围之内,并且出于所有目的旨在由以下非限制性的权利要求覆盖。

Claims (10)

1.一种用于离心泵的动态密封结构,其特征在于,所述动态密封结构包括外部静密封环(98),所述外部静密封环(98)包括平行于轴向方向的径向接触部(263)和垂直于轴向方向的轴向接触部(264),
其中,所述径向接触部(263)与离心泵的叶轮(70)的叶轮座(78)的筒形基部(782)之间限定出第一空间(265),所述轴向接触部(264)与所述筒形基部(782)之间限定出第二空间(266),
其中,所述第一空间(265)沿径向方向的宽度小于所述第二空间(266)沿轴向方向的宽度。
2.根据权利要求1所述的动态密封结构,其特征在于,
所述离心泵包括:
提供旋转运动的电机组件,
被电机组件的输出轴驱动的泵轴(11),和
泵体组件(20),
其中,所述泵体组件包括泵套筒(22)和容置于泵套筒内的多个叶轮级组(200),所述叶轮级组(200)包括:在轴向方向上附接到一起而限定出叶轮腔的支撑壳体(60)和导流壳体(250),以及容置于叶轮腔内被泵轴驱动而随其同步旋转的叶轮(70),
其中,所述叶轮(70)包括:限定出与泵轴接合的中心孔的毂部(72),和从毂部径向向外并且轴向向上延伸的锥形壁(74),从锥形壁的下表面螺旋形延伸的叶片(76),以及被附接到叶片(76)的外周的叶轮座(78),所述叶轮座(78)在其下端限定出外部支撑端面(77),所述叶轮座(78)包括筒形基部(782)和从所述筒形基部(782)的上端径向向外并且轴向向上倾斜延伸的正锥形壁(784)。
3.根据权利要求2所述的动态密封结构,其特征在于,
所述叶轮级组(200)的导流壳体(250)包括具有允许泵轴延伸穿过的中心孔的中心部(252),与支撑壳体(60)轴向接合的外围部(254)和在中心部(252)和外围部(254)之间螺旋形延伸的导叶(256),所述中心部(252)、所述外围部(254)和所述导叶(256)限定出所述叶轮级组(200)的导流通道(55)。
4.根据权利要求3所述的动态密封结构,其特征在于,
所述叶轮座(78)、锥形壁(74)以及叶片(76)限定出离心通道(75),所述毂部(72)限定出垂直于轴向方向的中心支撑端面(73),所述中心支撑端面(73)通过所述叶轮(70)的毂部(72)或者嵌置于毂部(72)下端的中心动密封环(92)限定,
所述导流壳体(250)包括与所述中心支撑端面(73)始终抵接接触的中心抵接端面(262),以及
所述导流通道(55)与所述离心通道(75)流体连通。
5.根据权利要求4所述的动态密封结构,其特征在于,所述中心动密封环(92)由钨钢构成。
6.根据权利要求3所述的动态密封结构,其特征在于,所述中心部(252)是单独形成并且附接到所述外围部上的导流座。
7.根据权利要求6所述的动态密封结构,其特征在于,所述中心抵接端面(262)通过所述导流座或嵌置于所述导流座内的中心静密封环(94)提供。
8.根据权利要求2所述的动态密封结构,其特征在于,所述毂部(72)在远离电机组件的轴向方向上的第一轴向端延伸超出所述支撑壳体(60),在与第一轴向端相反的第二轴向端在所述支撑壳体(60)内终止于所述中心抵接端面(73)。
9.根据权利要求8所述的动态密封结构,其特征在于,所述叶轮座(78)与所述支撑壳体(60)限定出环形缝隙。
10.根据权利要求9所述的动态密封结构,其特征在于,所述支撑壳体(60)、所述导流壳体(250)和所述叶轮座(78)共同限定出杂质收集空间,用于接收来自所述环形缝隙的杂质。
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