CN115076145A - 一种节能、轴向力自平衡的变频叶片泵叶轮系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种节能、轴向力自平衡的变频叶片泵叶轮系统，包括：叶轮本体、压板、背叶片顶出与缩回系统；叶轮本体与压板之间形成若干腔体，每个腔体内均设有一套背叶片顶出与缩回系统，背叶片顶出与缩回系统包括弹簧、顶块和背叶片，弹簧的一端与腔体的一端连接，弹簧的另一端与顶块连接，顶块能够在腔体内沿着叶轮本体的径向移动；初始状态时，背叶片被顶块卡住，背叶片的外端面与压板的外侧齐平，当叶片泵转速高，顶块在腔体内沿着叶轮本体的径向移动时，顶块会将背叶片顶出，使得背叶片的外端面超出压板的外侧；本发明能实现高转速区间轴向力自平衡目标，在变频泵转速变化时，背叶片实现有无自调节功能。

Description

一种节能、轴向力自平衡的变频叶片泵叶轮系统

技术领域

本发明涉及液体输送(泵)节能领域，具体设计一种节能、轴向力自平衡的变频叶片泵叶轮系统。

背景技术

泵作为重要的流体输送设备及能量转换装置，广泛应用于工农业生产、海洋船舶、石油化工、航空航天和居民生活等的各个领域，每年消耗在水泵机组上的电能占全国总电耗的21％以上，水泵的高效节能研究，将减少泵的能源损耗，对实现高效节能有着重要的意义。叶片泵的效率和稳定性是关键的性能指标，而叶轮作为其核心的旋转水力过流部件，很大程度上决定着整个叶片泵的性能。

由于叶片泵叶轮前后盖板的压力差，使叶片泵的转子系统产生一定的轴向力，轴向力会缩短轴承的使用寿命，变频泵的转速变化范围大，因此选择承受轴向力值相对较大的轴承，为了减小叶片泵的轴向力，降低轴向力产生的成本，常采用带有背叶片的结构，背叶片以其结构简单，占用空间小等特点，作为叶轮减小轴向力的方式，已经得到了广泛的应用，但是有背叶片的存在，带动背叶片周围的液体转动，从而增加了泵的能量损耗；特别是变频泵在低转速范围时，产生的轴向力相对很小，可以不需要背叶片的平衡作用，也能保证泵的使用寿命，这样可以节约背叶片结构造成的电能损耗；在变频泵高速运转速时，泵的轴向力相对较高，需要有背叶片结构，来平衡轴向力，以延长轴承的使用寿命，同时可以选择轴向承受能力较低的轴承来降低成本，所以，亟需一种新型的结构简单的变频泵叶轮背叶片自调节系统，来平衡产生的轴向力。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种节能、轴向力自平衡的变频叶片泵叶轮系统，实现高转速区间轴向力自平衡目标，在变频泵转速变化时，背叶片实现有无自调节功能。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种节能、轴向力自平衡的变频叶片泵叶轮系统，包括：叶轮本体、压板、背叶片顶出与缩回系统；

所述叶轮本体与所述压板之间形成若干腔体，每个腔体内均设有一套所述背叶片顶出与缩回系统，所述背叶片顶出与缩回系统包括弹簧、顶块和背叶片，所述弹簧的一端与所述腔体的一端连接，所述弹簧的另一端与所述顶块连接，所述顶块能够在所述腔体内沿着所述叶轮本体的径向移动；

所述顶块上设有第一凸起结构和第一凹槽结构，所述背叶片上设有第二凸起结构和第二凹槽结构，所述第一凸起结构与所述第二凹槽结构的形状相同，所述第二凸起结构与所述第一凹槽结构的形状相同；初始状态时，所述第一凸起结构嵌入在所述第二凹槽结构内，所述第二凸起结构嵌入在所述第一凹槽结构内，所述背叶片被所述顶块卡住，所述背叶片的外端面与所述压板的外侧齐平，当叶片泵转速高，所述顶块在所述腔体内沿着所述叶轮本体的径向移动时，所述顶块会将所述背叶片顶出，使得所述背叶片的外端面超出所述压板的外侧。

进一步地，所述弹簧与所述腔体、所述弹簧与所述顶块的连接方式为焊接或者螺纹连接。

进一步地，所述顶块、所述背叶片和所述压板均由耐磨材料制成。

进一步地，所述腔体的个数根据工况确定。

进一步地，所述弹簧由不锈钢弹簧钢制成。

本发明的有益效果：

本发明可以根据变频泵转子系统的转速快慢，实现有无背叶片自调节，整个过程是靠泵的转速变化实现的，无需外界参与。变频泵在低转速范围时，叶轮背叶片消失，叶轮转动产生的轴向力小，可以不需要背叶片的平衡作用，也能保证泵的使用寿命，这样可以节约背叶片结构造成的电能损耗，达到高效节能的目的；变频泵在高转速时，泵的轴向力相对较高，需要有背叶片结构来平衡轴向力，叶轮系统会自动调节，背叶片会自动出现，背叶片带动周围液体旋转，产生低压区，使叶轮前后盖板的轴向压力平衡，达到延长轴承的使用寿命的目的。

附图说明

图1为本发明所述一种节能、轴向力自平衡的变频泵叶轮系统无背叶片状态等轴测视图；

图2为本发明所述一种节能、轴向力自平衡的变频泵叶轮系统有背叶片状态等轴测视图；

图3为本发明所述一种节能、轴向力自平衡的变频泵叶轮系统正视图；

图4为本发明所述一种节能、轴向力自平衡的变频泵叶轮系统背叶片关闭状态A-A剖视图；

图5为本发明所述背叶片关闭状态A-A剖视图局部放大视图a；

图6为本发明所述一种节能、轴向力自平衡的变频泵叶轮系统背叶片打开状态A-A剖视图；

图7为本发明所述背叶片打开状态A-A剖视图局部放大视图b；

图8为本发明所述一种节能、轴向力自平衡的变频泵叶轮本体A-A剖视图；

图9为本发明所述顶块等轴测视图；

图10为本发明所述背叶片等轴测视图；

图11为本发明所述压板等轴测视图；

附图标记：

1：叶轮本体，2：弹簧，3：顶块，4：背叶片，5：压板，1-1：腔体。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种节能、轴向力自平衡的变频泵叶轮系统。

请参阅图1至图11，根据本发明实施例的一种节能、轴向力自平衡的变频泵叶轮系统包括：叶轮本体1、压板5、背叶片顶出与缩回系统。

具体的，如图8所示，所述叶轮本体1与所述压板5之间形成若干腔体1-1，腔体(1-1)的个数根据工况确定，本实施例以腔体1-1的个数为五举例说明。由于腔体的结构相对复杂，可以将叶轮后盖板分成2片进行拼接，以保证腔体结构尺寸和表面光洁度，腔体1-1的形状和后盖板分块的设计，根据叶轮的结构设计而定。

每个腔体1-1内均设有一套所述背叶片顶出与缩回系统，所述背叶片顶出与缩回系统包括弹簧2、顶块3和背叶片4，所述弹簧2的一端与所述腔体1-1的一端连接，所述弹簧2的另一端与所述顶块3连接，所述弹簧2与所述腔体1-1以及所述顶块3的连接方式可以根据结构大小和成本等因素考虑，选择焊接、螺纹连接和一体成型等工艺。弹簧2也可以放到顶块的另一端，此时不需要将弹簧固定到顶块3和腔体1-1上。所述顶块3能够在所述腔体1-1内沿着所述叶轮本体1的径向移动。背叶片4的数量和形状也可以根据叶轮设计的自身情况定义。腔体1-1可以约束顶块3的极限位置和背叶片4的运动方向，叶轮本体1与压板5需要固定连接。

如图9和图10所示，所述顶块3上设有第一凸起结构和第一凹槽结构，所述背叶片4上设有第二凸起结构和第二凹槽结构，所述第一凸起结构与所述第二凹槽结构的形状相同，所述第二凸起结构与所述第一凹槽结构的形状相同；初始状态时，所述第一凸起结构嵌入在所述第二凹槽结构内，所述第二凸起结构嵌入在所述第一凹槽结构内，所述背叶片4被所述顶块3卡住，所述背叶片4的外端面与所述压板5的外侧齐平，当叶片泵转速高，所述顶块3在所述腔体1-1内沿着所述叶轮本体1的径向移动时，所述顶块3会将所述背叶片4顶出，使得所述背叶片4的外端面超出所述压板5的外侧。

顶块3需要有一定的质量，质量大小需要通过物理公式计算，需要在界定的高转速区域，沿着所述叶轮本体1的径向移动。

由于顶块3、背叶片4和压板5经常与周边件摩擦，需要选择耐磨材料制成，并且自身表面粗超度质量较高，以减小摩檫力。弹簧2采用不锈钢弹簧钢。

本发明的工作原理：

通常叶轮的前盖板的面积小于叶轮后盖板，在叶轮没有背叶片时，叶轮前后盖板相同轴向投影截面区域的轴向力近似相等，因为后盖板面积较大，所以后盖板的轴向压力大于前盖板产生的轴向压力，如果在叶轮后盖板上增加背叶片，背叶片带动水旋转，产生低压区，将会减小后盖板上的轴向力，使叶轮前后盖板上产生的轴向压力趋于平衡，从而使叶片泵的转子系统轴向力趋于平衡。变频叶片泵的转速是可以变化的，在泵工作时，转子系统会产生一定的轴向力，同一个变频叶片泵，在低转速区产生的轴向力相对高转速区产生的轴向力小。在低转速区运转时，产生的轴向力小，泵的轴承可以承受这种小的轴向力，轴承的使用寿命满足泵的使用寿命要求，泵的转子系统可以不需要背叶片平衡轴向力，这样可以节约背叶片带动水转动所消耗的电能。此时，如图5所示，叶轮在低转速区时，本发明弹簧2的拉力作用将顶块3拉向叶轮的圆心，背叶片4被顶块3卡住，背叶片4的外端面与叶轮后盖板外侧齐平，整个叶轮系统没有背叶片。

变频泵需要在高转速区运转时，转子系统将产生相对较大轴向力，这个力会降低轴承寿命或破坏轴承，使得轴承的使用寿命不能满足泵的使用寿命要求，由于这时转速较高，如图6和图7所示，叶轮的顶块3受到较大的离心力作用，当顶块3受到的这个离心力大于弹簧的弹力、背叶片的阻碍力和周围的摩檫阻力时，顶块3会沿着离心力的方向向外移动，直到顶到叶片本体1的腔体1-1墙壁为止，这个时候，背叶片4由于顶块3的顶出作用，向外移动，形成真正意义的背叶片，背叶片的存在，使叶轮后盖板的水压产生低压区，以平衡叶轮产生的轴向力，提高轴承的使用寿命。当变频泵转速再次降低到低速区时，顶块3在弹簧2的作用下被拉回，顶块3同时将背叶片4拉回，顶块3在背叶片4和压板5的阻碍作用下，会固定到原始的位置，这时叶轮无背叶片，整个过程是通过叶轮的转速变化完成的，不需要外界参与。在设计时，将需要有背叶片的转速计算好，产品就会自调节。高转速和低转速的分界点可以通过物理学公式离心力F1、弹簧弹力F2、摩檫力F3计算完成，并通过试验数据进行微调整。当F1＝F2+F3时，背叶片因受力平衡，处于平衡位置；当F1>F2+F3时,顶块3会带着背叶片4向外侧运动，这时产生背叶片；当F1<F2+F3时,顶块3会带着背叶片4向内侧运动，这时背叶片自动消失。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种节能、轴向力自平衡的变频叶片泵叶轮系统，其特征在于，包括：叶轮本体(1)、压板(5)、背叶片顶出与缩回系统；

所述叶轮本体(1)与所述压板(5)之间形成若干腔体(1-1)，每个腔体(1-1)内均设有一套所述背叶片顶出与缩回系统，所述背叶片顶出与缩回系统包括弹簧(2)、顶块(3)和背叶片(4)，所述弹簧(2)的一端与所述腔体(1-1)的一端连接，所述弹簧(2)的另一端与所述顶块(3)连接，所述顶块(3)能够在所述腔体(1-1)内沿着所述叶轮本体(1)的径向移动；

所述顶块(3)上设有第一凸起结构和第一凹槽结构，所述背叶片(4)上设有第二凸起结构和第二凹槽结构，所述第一凸起结构与所述第二凹槽结构的形状相同，所述第二凸起结构与所述第一凹槽结构的形状相同；初始状态时，所述第一凸起结构嵌入在所述第二凹槽结构内，所述第二凸起结构嵌入在所述第一凹槽结构内，所述背叶片(4)被所述顶块(3)卡住，所述背叶片(4)的外端面与所述压板(5)的外侧齐平，当叶片泵转速高，所述顶块(3)在所述腔体(1-1)内沿着所述叶轮本体(1)的径向移动时，所述顶块(3)会将所述背叶片(4)顶出，使得所述背叶片(4)的外端面超出所述压板(5)的外侧。

2.根据权利要求1所述的节能、轴向力自平衡的变频叶片泵叶轮系统，其特征在于，所述弹簧(2)与所述腔体(1-1)、所述弹簧(2)与所述顶块(3)的连接方式为焊接或者螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的节能、轴向力自平衡的变频叶片泵叶轮系统，其特征在于，所述顶块(3)、所述背叶片(4)和所述压板(5)均由耐磨材料制成。

4.根据权利要求1所述的节能、轴向力自平衡的变频叶片泵叶轮系统，其特征在于，所述腔体(1-1)的个数根据工况确定。

5.根据权利要求1所述的节能、轴向力自平衡的变频叶片泵叶轮系统，其特征在于，所述弹簧(2)由不锈钢弹簧钢制成。

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