CN115702294A - 用于输送含有固体的介质的离心泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有敞开的叶轮(4)的用于输送含有固体的介质的离心泵。敞开的叶轮(4)包括至少一个叶片，其沿流入的方向突出。敞开的叶轮(4)的表面至少部分地设有碳层。

Description

用于输送含有固体的介质的离心泵

技术领域

本发明涉及一种带有敞开的叶轮的用于输送含有固体的介质的离心泵，其包括至少一个叶片，其沿流入的方向突出。

背景技术

对于含有固体的介质示例性的是废水，尤其市政和工业废水。其通常包括管废水(例如污水、粪便)、废水(来自污水净化池的机械清洁水)、污泥(例如活性污泥、新鲜污泥、消化污泥和接种污泥)和雨水。工业废水可以可能非常腐蚀性或侵蚀性地作用于使用的离心泵。

在用于输送含有固体的介质的离心泵中，可使用不同的叶轮，例如通道轮、涡流轮(Freistromrad,有时也称为旋涡轮)或单叶片式轮(Einschaufler)。通道轮是带有减少的叶片数量的敞开或闭合的叶轮。在径向或半轴向布置中的一个、两个或三个叶片经受考验。

同样，用于输送含有固体的介质的带有涡流轮的离心泵得到使用。其也称为涡流泵，其输送功率由旋转的、以直的或弯曲的叶片填充的承载盘(所谓的涡流轮)传递到流动介质上。涡流轮是径向轮，其具有用于在输送介质中包含的固体的较大通道且较不易受干扰。

在WO 2004/065796 A1中，描述了一种带有涡流轮的离心泵，用于输送混以固体混合物的液体。在涡流轮和吸取侧的壳体壁之间存在间距，因此固体可在没有堵塞的情况下经过涡流泵。吸取侧的壳体壁至径向于涡流轮安置的壳体空间的壁的过渡平滑地进行。壳体空间非对称地设计。

在EP 1 616100 B1中描述了带有涡流轮的离心泵，其叶轮由装备有敞开的叶片的承载盘构成。叶片具有不同高度。吸取侧的壳体壁锥形地伸延。壳体壁与叶轮的较高叶片的前棱边的间距随着直径下降。带有最小延伸的通路沿着朝向叶轮出口倾斜的较低高度叶片的前缘保持相同地跟随。

自由的非狭窄的叶轮通道称为球通道。其描述固体的最大允许的直径，以便确保无堵塞的通道。作为球直径以毫米说明。球通道最大相应于吸取或压力接管的净宽。因此，该最大可能的球通道在常规的涡流泵中实现，但是在壳体内叶片前部与吸取侧的壳体壁的距离同样必须至少相应于吸取或压力接管的净宽。

如果在叶片前部和相对而置的壳体壁之间的无叶片空间超过一定程度，带有涡流轮的离心泵的效率降低。在涡流轮和吸取侧的壳体壁之间的距离越大，带有涡流轮的离心泵的作用效率越低。

即使在敞开的叶轮的设计方案中，叶片形状起到决定性作用。尤其，入口棱边的结构具有重大意义。在废水泵中，入口棱边经常以在输送介质中存在的纤维占据。纤维经常未由叶轮入口棱边运走，因为由于在吸取侧和压力侧上的流动阻力相应的阻碍力平衡。如果产生纤维在入口棱边处的聚集，另外的纤维可聚集，从而可形成较大的占据。该行为尤其在确保高的球通道时有利。

对于足够的球通道所需的较大流动横截面有利于占据的构建。尤其，在部分负荷中、例如较小的体积流，较大的流动横截面导致未穿流的死水区。死水区导致堵塞。

在单叶片式轮中这样的占据导致如下，即，较高的功率需要用于运行离心泵。在多叶片中，可通过占据同样产生通道中的非对称的流动。这样的非对称流动不仅影响所需的功率，而且影响所需的体积流以及输送高度。

在DE 102017221 930 A1中描述了一种用于离心泵的叶轮，带有至少一个叶片，其沿流入的方向突出。叶片由承载盘以其突出的角度以该方式优化，从而聚集可有效避免。

DE 102015212203 A1描述了一种用于输送含有固体的介质的离心泵的涡流轮，其叶片成束布置。由此足够的球通道在高输送效率中实现。

DE 44 09 278A1和EP 0 750 686 A1公开了一种硬铸铁，其成分按重量百分比，Cr= 26至36，Ni≤10，Mo = 2至6，Cu≤3，N≤0.2，Si≤1.5，Mn≤1.5，V = 4至9，C = 1.4至1.9，其余为铁和由于熔化产生的杂质。这种硬铸铁的特点是在侵蚀性介质中具有高耐腐蚀性，同时具有高耐磨性。

通常，在离心泵中经常铸铁构件得到使用。在浇铸中由液态材料在硬化后出现以期望形状的固体。由此，可有针对性地生成期望的壳体结构或叶轮或离心泵的其余构件。在离心泵结构中的铸铁材料通常是铁碳合金。

尤其在用于输送含有固体的介质的离心泵中经常在与输送介质产生接触的构件区域中产生磨损和/或腐蚀迹象。流动固体可磨损敞开的叶轮以及磨损壁(Schleißwände,有时也称为耐磨板)的材料，由此其之间的间隙随着增加的运行变大。由此，泵作用效率随着运行的持续时间降低，直到叶轮和磨损壁由于侵蚀磨损必须更新。

在DE 43 26 545 C2、DE 102013200680 B4和DE 102017 223602 A1中描述了基于陶瓷，尤其基于碳化硅的铸铁构件如例如叶轮和磨损壁。其相对于由灰铸铁构成的构件明显更硬且提高耐用度。然而，该构件在制造中显著更耗费且更贵，其中其一直还未实现在期望程度上的耐用度。

发明内容

本发明的任务是，说明一种用于输送含有固体的介质的带有叶轮的离心泵。叶轮通过侵蚀磨损的损坏应有效降低。此外，泵应可在运行中长久地维持作用效率。离心泵应通过高可靠性和长使用寿命而出众。其应此外确保简单装配。此外，离心泵应通过尽可能低的制造成本令人信服。

该任务根据本发明通过带有权利要求1的特征的用于输送含有固体的介质的离心泵来解决。优选的变型方案可从从属权利要求、说明书和附图得知。

根据本发明，用于输送含有固体的介质的离心泵的敞开的叶轮在表面处、尤其铸铁表面处以碳层覆层。由此，叶轮表面的硬度极大提升，由此出现抵抗通过输送介质的起流动作用的固体颗粒引起的侵蚀磨损的有效保护。

尤其，敞开的叶轮的叶轮侧面和特别地端侧的叶片棱边根据本发明设有碳层。刚好，端侧的叶片棱边根据离心泵的结构类型经受侵蚀负荷且通过碳层特别被保护。

根据本发明，为了输送含有固体的介质，使用带有敞开的对角线的单叶片轮的离心泵，其设有碳层。在该叶轮中，叶片的流线倾斜地向外伸延。有利地，因此可输送未清洁的固体负载的且放出气体的废水以及带有更高粘度的介质。

在本发明的变型方案中，用于输送含有固体的介质的离心泵装备有涡流轮。这样的叶轮具有叶片，其可以以相同间距彼此布置或组装成束。每个束在此包括至少两个叶片。带有分别两个或三个叶片的束证实为特别适宜的。在本发明的变型方案中，每个束包括四个叶片。涡流轮的承载盘具有朝向吸取侧构造的毂突出部，在其处作用有叶片。叶片由承载盘沿吸取侧方向伸出且具有逆转动方向弯曲的走向。在此，所有叶片可具有相同的曲率。在备选的变型方案中，叶片具有不同的弯曲部。如此，例如在束内可布置有带有不同的曲率的叶片。有利地，涡流叶轮的叶片，尤其叶片侧面和端侧的叶片棱边设有碳层。

在用于输送含有固体的介质的离心泵中，敞开的叶轮与配对元件共同作用。这样的配对元件可根据本发明是磨损壁和/或吸取侧的壳体件。特别有利的是磨损壁和/或吸取侧的壳体件以碳覆层，由此出现免于侵蚀磨损的有效保护且尽可能长的运行时间在泵的恒定的作用效率中能够实现。

在本发明的有利的变型方案中，以碳覆层的敞开的叶轮、尤其敞开的对角线的单叶片轮具有切割棱边，以便将长纤维的固体组成部分划分成较短的部段且避免在泵空间中的堵塞。

在本发明的特别适宜的实施方案中，敞开的叶轮与至少一个叶片单件式地构造。在此，证实为有利的是，叶轮和/或一个或多个叶片由金属材料制成。优选地，在此铸铁材料得到使用。由铸铁材料构成的该敞开的叶轮然后根据本发明设有碳层。

碳层应理解为如下层，在其中碳是主要组成部分。碳层可例如以PVD(英语：Physical Vapor Deposition)，物理气相沉积，例如通过蒸发或溅射，或CVD(英语：Chemical Vapor Deposition；化学气相沉积)方法施加。

优选地，其是无定形碳层、尤其四面体、无氢的无定形碳层，其也称为ta-C层。将属于石墨的晶体格的原子键(总体上分别3)标记为称呼“sp2”。在此，存在sp2杂交。

在金刚石层中，带有四个相邻的原子的每个碳原子形成四面体形的布置。在该空间布置中，所有原子间距是相同小。其因此作用非常高的在原子之间的连结力，更确切地说沿所有空间方向。由此产生金刚石的高强度和极端硬度。属于金刚石的晶体格的原子键，总体上分别四，人们以称呼“sp3”标记。由此，存在sp3杂交。

在本发明的特别适宜的变型方案中，碳层由sp3和sp2杂交碳的混合物构成。该层通过无定形结构标记。在该碳网络中也可装入外部原子、如氢、硅、钨或氟。

碳层在敞开的叶轮和配对元件、如例如磨损壁上的根据本发明的布置导致侵蚀磨损的显著减少。

通过碳层在敞开的叶轮上的布置，创造带有抗粘附性质的平滑轴向表面，而不需要叶轮的耗费的机械的再加工。此外，可将多个敞开的叶轮在覆层反应器中带入，其优选地实施为真空室，其中在大量热负荷中ta-C覆层施加。由此，带有敞开的叶轮的根据本发明的离心泵通过比例上较低的制造成本出众。

在本发明的特别适宜的变型方案中，碳层作为覆层施加到叶轮上和磨损壁和/或吸取侧的壳体件上。层的厚度有利地为多于0.5微米、优选地多于1.0微米、尤其多于1.5微米。此外，证实为适宜的是，碳层为小于18微米、优选地小于16微米、尤其小于14微米。

为了保护抵抗颗粒磨损和碰撞(Anlaufen)，应力争在4和12微米之间的层厚。

理想地，由碳构成的覆层具有带有抗粘附性质的极其平滑的轴向的表面，在其中碳层的中心粗糙度值R_a为小于0.7微米、优选地小于0.5微米、尤其小于0.3微米。

ta-C覆层在同时非常良好的耐化学性时具有非常低的摩擦系数。覆层的硬度非常接近金刚石的硬度，其中硬度优选地为多于20GPa、优选地多于30GPa、尤其多于40GPa且少于120GPa、优选地少于110GPa、尤其少于100GPa。

以平均40至75GPa，ta-C覆层硬于a-C:H层。此外ta-C不包含氢。因此由此出发，与水接触的ta-C(在温度在80℃上方时)相比a-C:H更有抵抗性。在与包含其中连结氢的分子的其他的尤其极性液体的接触中，ta-C可同样相比a-C:H具有更好抵抗性。

优选地，碳层不直接施加到叶轮上，而是其首先设置粘附中继层。其优选地由如下材料构成，其不仅良好地粘附在钢处而且阻止碳扩散，例如通过形成更稳定的碳化物。作为满足这些要求的粘附中继层，适当地由铬、钛或硅构成的薄层得到使用。尤其，碳化铬和碳化钨证明为粘附中继物。

在本发明的有利的变型方案中，覆层具有粘附中继层，其优选地包含铬材料。优选地，粘附中继层至多于30重量百分比、优选地多于60重量百分比、尤其多于90重量百分比由铬构成。

根据本发明的ta-C覆层是用于在离心泵中的敞开的叶轮的简单的可快速实现的且经济的覆层。根据本发明的覆层除了非常大的硬度以外同样具有突出的滑动性质和良好的耐化学性。

此外，本发明同样能够实现带有特殊尺寸的叶轮几何形状的覆层。此外，如下叶轮几何形状可实现，其之前由陶瓷材料制造决定地仅可耗费地实现。尤其，大多数金属材料通过直接相比于陶瓷材料较高的可延展性而出众。

通过ta-C覆层的较高硬度的优点合理地在于，经常在含有固体的介质中包含的小和大的固体颗粒此时可强烈减少地侵蚀地作用于叶轮。通过流动，这些固体微粒正常如研磨器件那样起作用。以ta-C覆层的叶轮、磨损壁和/或吸取侧的壳体件具有相对于侵蚀极其硬的保护层，由此其使用时间在输送含有固体的介质中明显提高。

优选地，对于覆层可使用PECVD/PACVD方法。在此，气相的等离子激励通过耦合脉冲直流电压(“脉冲DC”)、中频(KHz范围)或高频(MHz范围)功率进行。出于在不同工件几何形状和负载密度中最大化的过程可变性的原因，此外脉冲的直流电压的耦合被证实是有效的。

理想地，为了覆层使用PVD方法。该方法特别简单且具有较低的过程温度。该技术导致层，根据需要同样外部原子可装入到其中。过程引导优选地如此进行，以至于排除待覆层的材料(金属灰铸铁等)的组织和尺寸改变。

相对于CVD金刚石层，ta-C覆层具有优点，即，对于CVD金刚石层的覆层温度为600至1000℃且对于无定形碳层如ta-C明显处于500℃下。这尤其对于金属材料的覆层具有高技术相关性。PVD金刚石层的制造不可能。

在本发明的特别适宜的实施方案中，单叶片轮敞开地对角线地实施。在本发明的备选的实施方案中，同样证实为有利的是，叶轮设计为径向轮、尤其涡流轮。叶轮也可具有多于一个叶片。在本发明的确定的变型方案中，叶轮具有刚好两个叶片。描述的设计方案提供如下可能性，叶轮不仅实施为涡流轮而且实施为敞开的叶轮。

附图说明

本发明的另外的特征和优点根据附图从实施例的描述且从附图自身得出。

其中：

图1示出了带有敞开的对角线的单叶片轮的用于输送含有固体的介质的离心泵的截面图，

图2示出了带有敞开的叶轮的用于输送含有固体的介质的离心泵的截面图，

图3示出了带有涡流轮的用于输送含有固体的介质的离心泵的截面图，

图4示出了带有磨损壁的敞开的对角线的单叶片轮的细节截面图，

图5示出了带有磨损壁的敞开的叶轮的细节截面图，

图6示出了涡流轮的细节截面图。

具体实施方式

图1示出了穿过用于输送含有固体的介质的离心泵的截面图。该实施例是带有对角线敞开的单叶片轮的水平安置的螺旋壳体泵3。经由吸取嘴1含有固体的介质流入到泵中，由抗扭地与轴6连接的敞开的对角线的单叶片轮4以运动能量加载且经由压力接管5离开泵壳体3。轴6通过球轴承7和滑动环密封件9可转动地支承。轴承载体盖10沿驱动器方向封闭泵空间。

图2示出了穿过用于输送含有固体的介质的离心泵的截面图。该实施例是水下马达泵。混以混合物的废水通过吸取嘴1进入到泵中。敞开的叶轮4抗扭地与轴6连接，其将敞开的叶轮4置于旋转。敞开的叶轮4布置在泵壳体3中，其在实施例中实施为螺旋壳体。插入件伸入到泵的吸取嘴1中，插入件在实施例中实施为磨损壁2或磨损环。轴6由驱动器16置于旋转，其在实施例中作为电马达给出。泵壳体3通过壳体盖10封闭。壳体盖10以滑动环密封件9相对于轴6密封。优选地，叶片侧面12、叶片棱边13和磨损壁2以碳层覆层。

图3示出了穿过用于输送含有固体的介质的离心泵的截面图。该实施例是带有涡流轮4的水平安置的螺旋壳体泵。含有固体的介质通过吸取嘴1进入到泵中。涡流轮4抗扭地与轴6连接，其将涡流轮4置于旋转。

在图4中呈现了根据图1中的视图的带有对应的磨损壁2的对角线敞开的单叶片轮4的细节截面图。理想地，叶片侧面12、叶片棱边13和磨损壁2以碳层、优选地以无定形碳层、尤其以ta-C覆层。由此，获得免于侵蚀磨损的特别理想的保护，其在输送含有固体的介质时必然作用于叶片侧面12、叶片棱边13和磨损壁2。

图5示出了根据图2中的视图的吸取嘴区域的细节截面图。敞开的叶轮与配对元件共同作用，其在实施例中实施为磨损壁2。敞开的叶轮4的叶片侧面12从毂出发径向地在向后弯曲的走向中向外延伸。叶片棱边13与磨损壁2形成间隙。根据本发明，叶片侧面12、叶片棱边13和磨损壁2以碳层、尤其以ta-C覆层。由此确保抵抗侵蚀磨损以及抵抗两个构件的碰撞的有效保护。

在图6中呈现了根据图3中的视图的实施例涡流泵的细节截面图，在其壳体3中定位有涡流轮4。涡流轮4抗扭地与轴6连接。毂体用于涡流轮4的固定，毂体具有用于转入螺纹紧固件的孔14。在涡流轮4的承载盘上布置有多个叶片，其分别包括叶片侧面12和叶片棱边13。吸取嘴1由吸取侧的壳体件15形成。吸取嘴1形成用于含有固体的介质的入口。根据本发明，有利地叶片侧面12、叶片棱边13和吸取侧的壳体件15以碳层、优选地以无定形碳层、尤其以ta-C覆层。由此，获得免于侵蚀磨损的完全特别理想的保护，其在输送含有固体的介质时必然作用于叶片侧面12、叶片棱边13和吸取侧的壳体件15。

Claims (12)

1.一种带有敞开的叶轮(4)的用于输送含有固体的介质的离心泵，其包括至少一个叶片，所述至少一个叶片沿流入的方向突出，

其特征在于，

所述叶轮(4)的表面至少部分地设有碳层。

2.根据权利要求1所述的离心泵，其特征在于，所述敞开的叶轮(4)的叶片侧面(12)以及端侧的叶片棱边(13)设有碳层。

3.根据权利要求1或2所述的离心泵，其特征在于，所述敞开的叶轮(4)与配对元件共同作用。

4.根据权利要求3所述的离心泵，其特征在于，所述配对元件至少部分地设有碳层。

5.根据权利要求3或4所述的离心泵，其特征在于，所述配对元件构造为磨损壁(2)。

6.根据权利要求3或4所述的离心泵，其特征在于，所述配对元件构造为吸取侧的壳体件(15)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的离心泵，其特征在于，所述敞开的叶轮(4)与至少一个叶片单件式地构造。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的离心泵，其特征在于，所述敞开的叶轮(4)和/或所述叶片由金属材料、优选地铸铁材料制成。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的离心泵，其特征在于，其是无定形碳层。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的离心泵，其特征在于，其是四面体无氢无定形碳层。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的离心泵，其特征在于，所述碳层的厚度为多于0.5微米、优选地多于1.0微米、尤其多于1.5微米、且/或少于18微米、优选地少于16微米、尤其少于14微米。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的离心泵，其特征在于，所述敞开的叶轮(4)和所述配对元件的以碳层覆层的表面的表面硬度为多于20GPa、优选地多于30GPa、尤其多于40GPa，且/或少于120GPa、优选地少于110GPa、尤其少于100GPa。

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