CN115898889A - 一种深水液驱离心泵及水下动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种深水液驱离心泵及水下动力系统，涉及深水用离心泵技术领域，包括离心泵单元、液压马达单元和过渡室，过渡室的两端开口分别密封连接在液压马达单元动力输出的一侧和离心泵单元的动力输入的一侧，液压马达单元的输出轴和离心泵单元的驱动轴分别深入过渡室内且在过渡室内动力连接，过渡室内充满用于平衡过渡室内外压差的液压油。本发明通过在液压马达单元和离心泵单元之间密封设置过渡室，在过渡室内充满液压油，能够利用过渡室形成对离心泵单元动力输入的一侧以及液压马达单元动力输出的一侧的有效密封，利用液压油平衡过渡室内外的压差，进而能够避免海水进入液压马达单元内造成油液污染，保证在深水环境下稳定运行。

Description

一种深水液驱离心泵及水下动力系统

技术领域

本发明涉及深水用离心泵技术领域，特别是涉及一种深水液驱离心泵及水下动力系统。

背景技术

深海吸力锚安装或钻井无隔水管泥浆循环工况，需要在数百米至上千米水深运行，将海底设备内海水或泥浆泵出。常规电潜泵，一般指的是一种水下提水设备，整个设备浸没于水下，将深部水提升至地表或一定高度。适用水深一般不超过70m，无法满足深海大排量应用需求。而常规离心泵，一般指的是通过电机或执行器驱动叶轮旋转而使水发生高速旋转运动，水在离心力驱使下甩向叶轮外缘，经蜗形泵壳的流道流出，即将水泵出，离心泵具有排量大、扬程高的特点，但执行器通常为干式电机，无法应用于水下。因此，常规离心泵不适合水下作业，而常规电潜泵潜水深度有限，无法满足深水工况需求。深海吸力锚安装或钻井无隔水管泥浆循环，通常采用ROV或水下动力站提供液压动力，但目前国内没有成熟的液驱离心泵技术。

例如，授权公告号为CN2779710Y的中国专利公开了一种用于可潜水的离心泵的驱动电动机，包括一个可转动的有支承的驱动轴，一个包围转子的定子以及一个散热的电动机外壳，电动机外壳由上面有一面可与离心泵相连接的前终端壁和一个内壳及包层构成，内壳支承了定子，内壳由导热材料所制成并且与前终端壁保持导热接触，包层以一定径向间距包围内壳，内壳与这个包层之间形成一个呈密封状态的环状空间，环状空间里有驱动电动机运行的电气部件。该方案为了解决水下电机的密封问题，采用了接线盒密封结构，通过水下电机驱动离心泵，整体为立式结构，适用于浅水运行，且排量有限。

再如，授权公告号为CN201779093U的中国专利公开了一种深水吸力式筒型基础安装泵撬块，接线盒的一端通过脐带缆连接水上设备，另一端通过光纤分别连接水下液压泵站和测控系统，测控系统通过接线盒和脐带缆与水上设备进行信号传输与反馈，测控系统将反馈后的控制信号输入液压控制阀箱内；液压控制阀箱经过管路分别连接水下液压泵站的输出端、液压卡爪油缸、液力驱动水泵及两位三通球阀；两位三通球阀的一端之间设置有海水进出口；两位三通球阀的另一端之间设置有用于连接吸力式筒型基础的法兰口。该方案提到液力驱动水泵，但主要介绍的是泵撬块系统的控制原理，并没有介绍液力驱动水泵的具体结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种深水液驱离心泵及水下动力系统，以解决上述现有技术存在的问题，通过在液压马达单元和离心泵单元之间密封设置过渡室，在过渡室内充满液压油，能够利用过渡室形成对离心泵单元动力输入的一侧以及液压马达单元动力输出的一侧的有效密封，利用液压油平衡过渡室内外的压差，进而能够避免海水进入液压马达单元内造成油液污染，保证在深水环境下稳定运行。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种深水液驱离心泵，包括离心泵单元、液压马达单元和过渡室，所述过渡室的两端开口分别密封连接在所述液压马达单元动力输出的一侧和所述离心泵单元的动力输入的一侧，所述液压马达单元的输出轴和所述离心泵单元的驱动轴分别深入所述过渡室内且在所述过渡室内动力连接，所述过渡室内充满用于平衡所述过渡室内外压差的液压油。

优选地，所述液压马达单元的泄油口通过泄油管连通所述过渡室，所述过渡室的壳壁上还设置有用于维持所述过渡室内油液压力的单向阀。

优选地，所述离心泵单元包括第一壳体和第一盖体，所述第一盖体连接所述第一壳体且位于所述离心泵单元的动力输入的一侧，所述液压马达单元包括第二壳体和第二盖体，所述第二盖体连接所述第二壳体且位于所述液压马达单元的动力输出的一侧，所述过渡室包括第三壳体和位于所述第三壳体内径侧的轴承，所述第一盖体、所述第三壳体以及所述第二盖体顺次连接，所述驱动轴贯穿所述第一盖体并安装在所述轴承的内圈，所述输出轴贯穿所述第二盖体并与所述驱动轴通过花键配合连接。

优选地，所述第一盖体中部沿径向凸出形成套设在所述驱动轴外径侧的第一套筒，所述第一套筒与所述驱动轴之间设置有机械密封。

优选地，所述机械密封包括朝向所述液压马达单元顺次设置的密封座、静环和动环，所述动环通过压紧弹簧挤压在所述静环上，所述第一套筒与所述密封座之间设置有第一密封圈，所述密封座与所述静环之间设置有第二密封圈，所述动环与所述驱动轴之间设置有第三密封圈。

优选地，所述第一盖体边缘沿径向凸出形成第二套筒，所述第三壳体端部设置有环形凸缘，所述第二套筒的端部与所述环形凸缘密封连接，所述第一套筒与所述第二套筒之间形成环形容纳腔，所述环形容纳腔与所述过渡室的内腔连通。

优选地，所述第三壳体内径侧设置有轴承组，所述轴承组包括设置在靠近所述第一盖体的一侧的第一轴承和设置在靠近所述第二盖体的一侧的第二轴承，所述第一轴承外侧设置有轴承端盖，所述第二轴承外侧通过所述第二盖体压紧。

优选地，所述输出轴与所述第二壳体之间设置有高速油封，所述高速油封截面呈U型结构，所述U型结构的开口朝向所述第二壳体内，且所述U型结构的两支臂分别贴合所述输出轴和密封盖体的内径侧。

本发明还提供一种水下动力系统，包括前文记载的所述的深水液驱离心泵、液压泵和油箱，所述液压马达单元的进油口顺次通过输油管、液压泵和吸油管连通所述油箱，所述液压马达单元的回油口通过回油管连通所述油箱，所述单向阀的出口通过排油管连通所述油箱。

优选地，所述油箱内设置有活塞，所述活塞将所述油箱划分为储油腔和储水腔，所述活塞连接有向所述储油腔侧施加推力的弹簧，所述储油腔与所述液压马达单元的进油口、回油口以及所述单向阀的出口连通，所述储水腔设置有进出水口。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)本发明通过在液压马达单元和离心泵单元之间密封设置过渡室，在过渡室内充满液压油，能够利用过渡室形成对离心泵单元动力输入的一侧以及液压马达单元动力输出的一侧的有效密封，利用液压油平衡过渡室内外的压差，进而能够避免海水进入液压马达单元内造成油液污染，保证在深水环境下稳定运行；

(2)本发明将液压马达单元的泄油口通过泄油管连通过渡室，能够使得液压马达单元高速油封两侧压力相等，进而既能够防止液压马达单元内液压油溢出，又能够防止液压马达单元外的海水(尤其是深水环境下)进入，从而能够有效避免外部海水通过高速油封进入液压马达单元造成对液压马达单元内的液压油的污染，因此，可以仍旧采用现有的液压马达的高速油封结构，在较小的改动下实现离心泵单元和液压马达单元的连接，并达到良好的密封效果；

(3)本发明通过在过渡室的壳壁上设置单向阀，能够维持过渡室压力高于外部环境压力，在此基础上，利用过渡室的压力和机械密封中压紧弹簧的挤压作用，可保证过渡室内压力始终高于离心泵单元腔室内压力，机械密封中的动环和静环始终紧密接触，形成液压油和海水的有效封隔，避免液压油进入离心泵单元内造成液压油泄露。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明水下动力系统整体结构示意图；

图2为本发明深水液驱离心泵结构示意图；

图3为图2中M放大图；

图4为图2中N放大图：

其中，1、离心泵单元；11、第一壳体；12、叶轮；13、机械密封；131、密封座；132、第一密封圈；133、第二密封圈；134、静环；135、动环；136、第三密封圈；137、压紧弹簧；14、驱动轴；15、第一盖体；151、第一套筒；2、液压泵；3、油箱；4、吸油管；5、输油管；6、回油管；7、泄油管；8、排油管；9、液压马达单元；91、第二壳体；92、输出轴；93、高速油封；94、第二盖体；95、密封盖体；96、第四密封圈；10、过渡室；101、轴承端盖；102、第三壳体；103、单向阀；104、第一轴承；105、第二轴承。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供提供一种深水液驱离心泵及水下动力系统，以解决现有技术存在的问题，通过在液压马达单元和离心泵单元之间密封设置过渡室，在过渡室内充满液压油，能够利用过渡室形成对离心泵单元动力输入的一侧以及液压马达单元动力输出的一侧的有效密封，利用液压油平衡过渡室内外的压差，进而能够避免海水进入液压马达单元内造成油液污染，保证在深水环境下稳定运行。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1～4所示，本发明提供一种深水液驱离心泵，包括离心泵单元1、液压马达单元9和过渡室10。其中，离心泵单元1结构与普通的离心泵大体一致，包括有第一壳体11和设置在第一壳体11内的叶轮12，通过叶轮12产生的自吸力使得水流由吸入口进入，利用离心作用将水由排水口流出，叶轮12连接有驱动轴14，利用驱动轴14带动叶轮12旋转。液压马达单元9结构与普通的液压马达大体一致，包括第二壳体91和设置在第二壳体91内的由液压驱动的旋转部件，旋转部件连接有输出轴92。过渡室10可以为筒型或其他形状的结构，具有相对设置的端部开口，两端开口分别密封连接在液压马达单元9动力输出的一侧和离心泵单元1动力输入的一侧，形成密闭的腔室，密封连接时，可以采用法兰结构带有密封圈进行压紧连接，或利用端盖的凸缘进行连接。液压马达单元9的输出轴92和离心泵单元1的驱动轴14分别深入过渡室10内且在过渡室10内进行动力连接(采用花键或联轴器等结构)，过渡室10内充满用于平衡过渡室10内外压差的液压油，过渡室10可以连接有进油口进行液压油补充，也可以为封闭腔室将液压油封闭其中。本发明通过在液压马达单元9和离心泵单元1之间密封设置过渡室10，在过渡室10内充满液压油，能够利用过渡室10形成对离心泵单元1动力输入的一侧以及液压马达单元9动力输出的一侧的有效密封，利用液压油平衡过渡室10内外的压差，进而能够避免海水进入液压马达单元9内造成油液污染，保证在深水环境下稳定运行。

液压马达单元9的泄油口(DR口)通过泄油管7连通过渡室10，能够使得液压马达单元9高速油封93两侧压力相等，进而既能够防止液压马达单元9内液压油溢出，又能够防止液压马达单元9外的海水(尤其是深水环境下)进入，从而能够有效避免外部海水通过高速油封93进入液压马达单元9造成对液压马达单元9内的液压油的污染，因此，可以仍旧采用现有的液压马达的高速油封93结构，在较小的改动下实现离心泵单元1和液压马达单元9的连接，并达到良好的密封效果。过渡室10的壳壁上还设置有用于维持过渡室10内油液压力的单向阀103，单向阀103的泄油压力可以进行调整，以获得所需求的合适压力，能够维持过渡室10压力高于外部环境压力。

进一步的，离心泵单元1可以包括第一壳体11和第一盖体15，第一盖体15采用可拆卸的方式连接第一壳体11，便于安装第一壳体11的内部构件，并且第一盖体15位于离心泵单元1的动力输入的一侧，用于与过渡室10连接。液压马达单元9包括第二壳体91和第二盖体94，第二盖体94采用可拆卸的方式连接第二壳体91，并且，第二盖体94位于液压马达单元9的动力输出的一侧，可以采用法兰盘的形式，一侧通过螺纹方式连接第二壳体91，另一侧与过渡室10连接。过渡室10包括第三壳体102和位于第三壳体102内径侧的一个或多个轴承，轴承的外圈与第三壳体102的内径侧连接，轴承的外圈用于与驱动轴14连接。第一盖体15、第三壳体102以及第二盖体94顺次连接，驱动轴14贯穿第一盖体15并安装在轴承的内圈，输出轴92贯穿第二盖体94并与驱动轴14通过花键配合连接。此时过渡室10作为轴承室，既能平衡内外压差，保持离心泵单元1和液压马达单元9的密封，还能形成对轴承的密封和润滑。

如图2所示，第一盖体15中部沿径向凸出形成套设在驱动轴14外径侧的第一套筒151，第一套筒151与驱动轴14之间设置有机械密封13。机械密封13可以实现驱动轴14穿过第一盖体15处的密封。机械密封13可以采用现有的结构，即朝向液压马达单元9顺次设置有动环135和静环134，利用离心泵单元1内的压力以及弹簧的压力推动动环135挤压在静环134上实现密封。

如图3所示，机械密封13的结构相对于现有结构进行了改进，包括朝向液压马达单元9顺次设置的密封座131、静环134和动环135，动环135通过压紧弹簧137挤压在静环134上。第一套筒151与密封座131之间设置有第一密封圈132，密封座131与静环134之间设置有第二密封圈133，动环135与驱动轴14之间设置有第三密封圈136。通过上述结构的机械密封13的设置，能够利用过渡室10的压力和机械密封13中压紧弹簧137的挤压作用结合，共同施加给动环135，可保证过渡室10内压力始终高于离心泵单元1腔室内压力，机械密封13中的动环135和静环134始终紧密接触，形成液压油和海水的有效封隔，避免液压油进入离心泵单元1内造成液压油泄露。

单向阀103可保持过渡室10和液压马达单元9内压力高于外部环境压力，压力差可根据需求设置，定义为ΔP。静环134和动环135在压紧弹簧137作用下压紧，压紧弹簧137可产生静密封1bar左右。此时，作用在动环135和静环134的压力为ΔP+1bar。因此，只要保证离心泵单元1扬程不超过ΔP+1bar，也就是说，离心泵单元1启动前压差是(ΔP+1bar)，启动后是(ΔP+1bar-扬程压力＞0)，即可维持机械密封13两侧液压油和海水的有效封隔。通常离心泵单元1排量大、扬程小，因此设置较小的ΔP及可维持过渡室10内压力高于离心泵单元1内部压力，维持有效封隔，并且越小的ΔP对液压马达单元9泄油压力越小，对液压马达单元9影响就越小，有利于保护液压马达单元9。

第一盖体15边缘沿径向凸出形成第二套筒，第三壳体102端部设置有环形凸缘，第二套筒的端部与环形凸缘密封连接。第一套筒151与第二套筒之间形成环形容纳腔，环形容纳腔可以形成第三壳体102的端部所安装的轴承端盖101的容纳空间。环形容纳腔与过渡室10的内腔连通，也就是说，液压油可以同时充满环形容纳腔和过渡室10，即液压油可以在第一套筒151与驱动轴14之间布满液压油，保证驱动轴14和离心泵单元1之间的有效密封。

第三壳体102内径侧设置有轴承组，轴承组包括设置在靠近第一盖体15的一侧的第一轴承104和设置在靠近第二盖体94的一侧的第二轴承105，第一轴承104外侧(相对于过渡室10所说的外侧，即靠近离心泵单元1的一侧)设置有轴承端盖101，第二轴承105外侧(相对于过渡室10所说的外侧，即靠近液压马达单元9的一侧)通过第二盖体94压紧。驱动轴14上相应位置还设置有限制第一轴承104和第二轴承105轴向位置的轴肩。

如图4所示，输出轴92与第二壳体91之间设置有高速油封93，高速油封93呈环形套设在输出轴92上，其内径侧与输出轴92动态接触，外径侧设置有密封盖体95，密封盖体95与第二壳体91之间设置有第四密封圈96进行密封连接。高速油封93截面呈U型结构，U型结构的开口朝向第二壳体91内，且U型结构的两支臂分别贴合输出轴92和密封盖体95的内径侧。液压马达单元9内的液压油会进入U型结构的开口内(即U型结构两支臂所包围的环形腔体内)，液压油的压力会将两支臂向相反的方向挤压，进而保证高速油封93的密封效果。如果没有设置过渡室10，由于深海环境外部压力很高，液压马达单元9启动前，有可能压力低于外部环境压力，而导致海水通过高速油封93，进入液压马达单元9内部污染液压油。通过过渡室10的设置，以及液压马达单元9与过渡室10之间通过泄油管7连通，能够使得液压马达单元9与过渡室10压力相等，即高速油封93内外压差相等并且高于或等于外部环境压力，从而能够避免上述问题的发生。

如图1和图2所示，本发明还提供一种水下动力系统，可以包括前文记载的深水液驱离心泵、液压泵2和油箱3，液压马达单元9的进油口(P口)顺次通过输油管5、液压泵2和吸油管4连通油箱3，液压泵2可以采用水下电机驱动的形式，可依靠ROV或水下动力站提供液压动力。深水液驱离心泵采用液压马达单元9驱动离心泵单元1，可依靠ROV或水下动力站提供液压动力，不需要昂贵的水下电机驱动离心泵单元1，结构紧凑、成本低。液压马达单元9的回油口(T口)通过回油管6连通油箱3。单向阀103的出口通过排油管8连通油箱3。

油箱3内设置有活塞，活塞将油箱3划分为储油腔和储水腔，活塞连接有向储油腔侧施加推力的弹簧，储油腔与液压马达单元9的进油口、回油口以及单向阀103的出口连通，储水腔设置有进出水口。通过上述结构的设置，油箱3可以成为压力补偿式结构，可自动平衡油箱3内压力与外部环境压力，保证油箱3能够适应深水的工况。

本发明水下动力系统运行过程如下：

液压泵2通过吸油管4从油箱3内吸油，并将液压油通过输油管5输送到液压马达单元9的进液口P口，液压马达单元9的回油口T口回流的液压油通过回油管6回流到油箱3，油箱3内部设有活塞和弹簧，可自动平衡油箱3内压力与外部环境的压力。液压泵2启动后，液压驱动液压马达单元9的输出轴92转动，通过输出轴92转动带动离心泵单元1的驱动轴14转动，驱动轴14再带动叶轮12转动，泵送海水从离心泵单元1的吸入口吸海水并从排水口将海水排出。

液压马达单元9的泄油口DR口通过泄油管7连接过渡室10的A口，过渡室10的B口连接单向阀103，单向阀103通过排油管8连接油箱3，即液压马达单元9内部泄油经过A口进入过渡室10，通过B口和单向阀103流出过渡室10并进入排油管8后流回油箱3，过渡室10内部充满液压油，液压马达单元9内部压力与过渡室10内部压力相等，外部海水不会通过高速油封93污染液压油。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种深水液驱离心泵，其特征在于：包括离心泵单元、液压马达单元和过渡室，所述过渡室的两端开口分别密封连接在所述液压马达单元动力输出的一侧和所述离心泵单元的动力输入的一侧，所述液压马达单元的输出轴和所述离心泵单元的驱动轴分别深入所述过渡室内且在所述过渡室内动力连接，所述过渡室内充满用于平衡所述过渡室内外压差的液压油。

2.根据权利要求1所述的深水液驱离心泵，其特征在于：所述液压马达单元的泄油口通过泄油管连通所述过渡室，所述过渡室的壳壁上还设置有用于维持所述过渡室内油液压力的单向阀。

3.根据权利要求2所述的深水液驱离心泵，其特征在于：所述离心泵单元包括第一壳体和第一盖体，所述第一盖体连接所述第一壳体且位于所述离心泵单元的动力输入的一侧，所述液压马达单元包括第二壳体和第二盖体，所述第二盖体连接所述第二壳体且位于所述液压马达单元的动力输出的一侧，所述过渡室包括第三壳体和位于所述第三壳体内径侧的轴承，所述第一盖体、所述第三壳体以及所述第二盖体顺次连接，所述驱动轴贯穿所述第一盖体并安装在所述轴承的内圈，所述输出轴贯穿所述第二盖体并与所述驱动轴通过花键配合连接。

4.根据权利要求3所述的深水液驱离心泵，其特征在于：所述第一盖体中部沿径向凸出形成套设在所述驱动轴外径侧的第一套筒，所述第一套筒与所述驱动轴之间设置有机械密封。

5.根据权利要求4所述的深水液驱离心泵，其特征在于：所述机械密封包括朝向所述液压马达单元顺次设置的密封座、静环和动环，所述动环通过压紧弹簧挤压在所述静环上，所述第一套筒与所述密封座之间设置有第一密封圈，所述密封座与所述静环之间设置有第二密封圈，所述动环与所述驱动轴之间设置有第三密封圈。

6.根据权利要求5所述的深水液驱离心泵，其特征在于：所述第一盖体边缘沿径向凸出形成第二套筒，所述第三壳体端部设置有环形凸缘，所述第二套筒的端部与所述环形凸缘密封连接，所述第一套筒与所述第二套筒之间形成环形容纳腔，所述环形容纳腔与所述过渡室的内腔连通。

7.根据权利要求3所述的深水液驱离心泵，其特征在于：所述第三壳体内径侧设置有轴承组，所述轴承组包括设置在靠近所述第一盖体的一侧的第一轴承和设置在靠近所述第二盖体的一侧的第二轴承，所述第一轴承外侧设置有轴承端盖，所述第二轴承外侧通过所述第二盖体压紧。

8.根据权利要求3所述的深水液驱离心泵，其特征在于：所述输出轴与所述第二壳体之间设置有高速油封，所述高速油封截面呈U型结构，所述U型结构的开口朝向所述第二壳体内，且所述U型结构的两支臂分别贴合所述输出轴和密封盖体的内径侧。

9.一种水下动力系统，其特征在于：包括如权利要求2-8任一项所述的深水液驱离心泵、液压泵和油箱，所述液压马达单元的进油口顺次通过输油管、液压泵和吸油管连通所述油箱，所述液压马达单元的回油口通过回油管连通所述油箱，所述单向阀的出口通过排油管连通所述油箱。

10.根据权利要求9所述的水下动力系统，其特征在于：所述油箱内设置有活塞，所述活塞将所述油箱划分为储油腔和储水腔，所述活塞连接有向所述储油腔侧施加推力的弹簧，所述储油腔与所述液压马达单元的进油口、回油口以及所述单向阀的出口连通，所述储水腔设置有进出水口。

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