CN1191430C - 混流液环泵 - Google Patents

Abstract

一种锥形孔液环泵，有一个或多个孔结构，具有15度至75度范围的锥形角。这些锥形角显著大于先前使用的锥形角(最普通为约8度)。本发明的大锥形角使在锥体和转子之间流动的流体具有显著的径向速度和轴向速度分量。大锥形角同时使孔结构做得沿轴向更短，这具有许多重要的优点，如缩短转子轴的未支承长度。该泵的这些性能有利于能够经济地增大泵的长度对直径之比之类目的。此外，本发明的泵保留了锥形孔泵的许多需要的性能。

Description

混流液环泵

本发明涉及液环泵，更具体地涉及有锥形孔的液环泵的孔部件的形状。

液环泵的商业性地制成两种熟知的构型。一种构型通常称为有平面的设计(flat sided design)(例如参见Siemen的美国专利1,180,613)。在有平面的泵中，引导待压缩气体流入和流出转子的孔是在平板中形成的，该平板与转子的轴向端部间具有紧密的间隙。流体流入和流出转子的方向为轴向，也就是平行于转子轴；因此有平面的泵也称为轴流孔泵。另一种构型通常称为锥形设计。在该设计中(例如参见Shearwood的美国专利3,712,764)，气体的孔以锥形结构形成，该锥形结构以紧密的运转间隙安装在转子端部内部的锥形凹槽上。通过锥形口流出转子的流体流动路径基本上是沿径向的；因此，锥形设计的泵也称为径流孔泵。

已知设计的锥形结构做成具有小的锥形角度，通常约8度或更小。也生产孔结构有圆筒形的特殊壳体。

本说明书公开一种新颖设计，其特征在于，一个孔结构，沿轴向和径向支承显著的流动分量。为了将其与现有技术区分，本公开中将它称为混流孔结构。该开发提供液环泵在成本和性能方面的若干改进，特别是极宽构造的性能，这将在下面叙述。通过首先考查现有技术构造方法的优缺点，可以最清楚地理解这些改进的意义。

两种已知设计构型具有明显不同的优缺点，这与孔的构型和其设计限制有很大的关系。例如，轴流或有平面的设计比径流锥形设计具有下述优点。

有平面的孔板比起径流锥形来潜在地是一种更易制造的结构。例如，它可以从钢板和基础扁钢(ground flat)通过相对经济的机加工工艺制造。一个锥形通常通过铸造工艺形成而通过车削工艺加工，这些在某些情况下比较费钱。

有平面的头部可能更易于铸造，因为它在被孔板盖住的侧面上是完全敞开的。径流锥形头部设计并不那样敞开，这使铸造工艺中使用的芯子的支承变得复杂。

有平面的泵的轴上的负载更近地分配在轴承上，这可以对一个等价负载形成更小直径的轴。同时，转子和静止部件之间的径向间隙不像径流锥形泵那样要求严格。从而该轴的刚度要求也不太严格。

有平面的转子用的转子机加工工艺并不包括径流锥形凹槽的操作。

轴流泵的转子叶片是沿转子轮毂的完全长度支承(增强)的，由此尽可能减小任何局部化的高应力区域。径流设计中的叶片并不良好地支承在孔被插入的区域内，这可能导致应力集中区域。

有平面的设计相对于径流锥形泵的某些缺点如下。

轴流设计的效率可能不如径流锥形泵，因为孔的速度可能更高而导致更高的入口和出口压力损失。当泵宽度相对于直径增大时，这变得越来越重要。轴流泵的孔尺寸相对固定，与泵的宽度无关。通过改变底座直径和/或锥体插入转子的长度，径流孔泵对孔速度提供更多的尺寸控制。

此外，锥形孔结构在转子下方提供强制通风，这更好地分配流体流入和流出转子。

有平面的排放流体的轴向限制了有平面的泵的水处理能力。该缺点说明如下。液环泵排放的流体性质上固有地为两相--液相和气相。两相流体的特征是，液体组分除非受外部影响如受导向叶片的影响，否则不会改变方向。因为转子内的流动方向(相对于转子)主要是径向的，除了径向叶片外没有外部影响，所以过量液体更易于留在转子内而不是排放掉。这与径流锥形设计相反，径流锥形设计中液流相对于转子的方向与排放方向相同。因此，径流锥形设计中过量液体容易排放。

结果是，比起径流锥形泵来，有平面的设计的性能受到流入气流中液体的更坏的影响。在极端情况下，这导致较早开始空穴化和/或转子损坏。同时，如与孔速度一样，当泵宽度相对于其直径增大时，与过量液体相关的问题也增多。当泵宽度增大时，轴流孔变成离问题的根源更远，这使清除过量液体的问题变复杂。

相对于径流锥形泵设计，有平面的泵的冷凝能力降低。由于较高的入口孔速度，将液体喷射引入入口气流的影响在有平面的泵中产生比在锥形泵中产生的更高的压力降。因此，冷凝入口气流中蒸气含量的重要优点在有平面的设计中减小了。由于有平面的设计不能安全处理气体/蒸气体积中尽可能多的液体馏分，该问题被加重了，因为冷凝能力直接与液体馏分成正比。

有平面的泵的性能对转子和孔板之间的轴向间隙非常敏感。因此用填隙片来控制有平面的间隙常常是不实用的。这在生产许多泵时导致性能变化很大。在制成具有例如8度的角度的径流锥形设计中，间隙调整有7比1的放大。因此可以利用填隙片调整部件的轴向位置来精确控制转子和锥形之间的严格的间隙，并能得到更均匀的性能。

从上述讨论显然可见，相对于同一排出量的锥形泵，有平面的泵的若干优点可以导致较低的制造成本。但是，较低的制造成本是以性能、液体处理和冷凝能力的牺牲为代价的。这些属性对产品的可靠性和市场能力起显著作用。同样，从上述讨论显然可见，当相对宽度增大时，有平面的设计的不良属性更加恶化。

如泵设计者所知道的，降低液环泵设计费用的关键是加大相对宽度。理由可以通过考查部件直径和部件长度对制造过程成本的相互作用来说明。经验表明，如果直径保持恒定，当宽度增大到达到一个最小点之前，泵的成本除以其排出量(表示成每分钟每立方英尺的美元数或$/CFM)通常会减小；超过此点后每单位排出量的成本会增大。该最小点由机械限度和性能限度决定。例如，若干因素之一是轴的直径变得太大，以致于轴的成本不成比例，而轴的尺寸在桶形体积(相邻转子叶片之间的体积)中占去不成比例的份额，由此增大美元数而减小CFM。

总而言之，对于现有技术的双头泵设计(例如在上述Shearwood专利中)，最小的$/CFM出现于累积的轴向转子叶片长度(不包括端部和中央围板的厚度)为转子直径的约1.3倍。混流锥形发展的优点是将轴向转子叶片长度的最小成本限度延伸到超过转子直径的1.3倍，这在下面将详细叙述。

Jennings的美国专利1,718,294显示一种具有相当大的锥形角(在图1中约18度而在图4中约12度)的有锥形孔的液环泵。但是，Jennings显示转子的围板紧邻锥体中的孔，而且基本上消除锥体和转子之间的流体流动的任何轴向组分。

鉴于上述，本发明的一个目的是提供改进的液环泵。

本发明的更特定的目的是提供能结合轴环泵设计和径流泵设计两者的某些优点的液环泵。

本发明的又一目的是提供这样一种液环泵，它具有径流设计泵的许多优点，但是它能够经济地制造成具有比已知径流泵的通常经济的比例更大的轴向转子叶片长度对转子直径的比例。

本发明的上述和其它目的是根据本发明的原理通过提供这样一种液环泵来完成的，这种泵可以大体上像已知的有锥形孔的泵，但它具有比至今已知的有锥形孔的泵更大的锥形角。虽然数十年来一个约8度的锥形角一直是实际上的工业标准，但本发明制成的泵的锥形角处于15度至75度的范围。作为显著增大的锥形角的伴随情况，本发明的泵的锥形孔结构可以具有比先前的液环泵设计中一直使用的显著的更短的总长度。增大的锥形角有助于使锥体和转子之间流动的流体具有沿轴向的显著的速度分量。邻近锥形表面中孔的转子叶片之间的空间是敞开的，因此没有转子结构妨碍该轴向速度分量。在其它优点中，显著的轴向流体速度分量和较短的轴向孔结构有利于经济地提高轴向转子叶片长度对转子直径的比例。同时，本发明的泵保留所有锥形设计的优点中的全部或大部分。

从附图和下面详细叙述的优选实施例可以更加清楚本发明的其它特点、其性质和各种优点。

图1是一种典型的现有技术中有锥形孔的液环泵的简化截面图；

图2是类似于图1的视图，表示根据本发明制造的液环泵的一个例示实施例；

图3是类似于图2的另一视图；

图4是类似于图1和图2的部分的复合体的又一视图。

图1例示一种径流式锥形设计的普通双头泵10。泵10包括一个固定的环形外壳20，外壳的左右两端上分别固定地连接头部结构30L和30R。每个头部结构30L或30R上分别安装一个锥形孔部件40L或40R，孔部件40L和/或40R有时泛指作孔部件(40)，可以理解为在说明书和附图中“40L”、“40R”和“40”均指相同的基本结构；其中，“L”和“R”只是有时候用来区分附图中在左边“L”的结构和相似的在右边“R”的结构。每个头部结构30的锥形表面的角度α大约为8度。角度α在此处经常称作泵的锥角。轴50沿轴向通过外壳20、头部结构30和孔结构40，并安装成通过轴承组件60L和60R相对于所有这些结构转动。转子70固定地安装在轴50上。转子70包括轮毂部分72和多个叶片74，叶片74从轮毂72沿径向向外伸出并围绕轮毂沿周边互相隔开。每个孔结构40伸入邻近的转子70端部中的环形凹槽。转子70还包括环形围板76L和76R，它们连接转子叶片74的相应的左右轴向端部。一个环形中央围板76C同时连接转子叶片的中点。一个环形中央外壳围板26C(固定在外壳20上)沿径向与围板76C对准。

外壳20对轴50是偏心的，因此从图1中看到的泵10的上部构成泵的膨胀区或吸入区，而从图1中看到的泵10的下部构成泵的压缩区或排放区。在膨胀区中泵的液环中的液体沿转子转动方向从轮毂72沿径向向外移出。待泵抽的气体因此通过吸入通道32L、42L、32R和42R被抽入泵的该部分。在压缩区中泵的液环中的液体沿转子转动方向沿径向向着轮毂72移动。泵中的气体因此在压缩区中受到压缩并通过排放通道44L、34L、44R、34R排放。

由于图1中所示泵的相当小的锥角(α＝8度)，该泵是所谓径流式有孔泵。通过孔结构40和转子70之间的锥形界面的流体沿径向达到极大的角度。

图2表示本发明的图1类型的泵的改型示例。图2例示的泵10′基本上与泵10相同，但其设计以混合流动孔的概念为基础。在图2和后继各图中，对基本相同的部件重复使用图1的标号。但可以理解，如下面要更详细地描述的，这些部件中一些的形状是变化的。泵10′的全部操作类似于泵10的全部操作，虽然具有改进，这些改进也在下面描述。

图3更详细地表示图2中的锥形孔部件40R，用箭头表示流动方向的分量。如图所示，当流体进入和离开转子时流体流动方向沿相应的径向和轴向具有显著的速度分量V-R径向和V-A轴向。

按照本发明，当锥形角度α大于约15度而小于约75度时，流动可以看作是混合的。这对应于一个混合流动的轴向流动分量V-A轴向，它大于锥形表面处绝对流动速度的25％。图3中的示例具有20度锥角α。

图4对比上述两种设计。图4的上半部表示图2和图3中的混流设计，下半部表示图1中的径流设计。径流设计要求更大的轴50，这将会说明。轴径的差别用底部截面图中的虚线和实线例示。轴径的最大部分为D4。两侧部是对同一底部锥形孔结构40的尺寸D1绘制的。

混流设计相对于现有的构造方法具有显著的优点，后者特别接近于极宽液环泵的设计，也就是，该设计的轴向转子叶片长度大于转子直径的约1.3倍。其优点叙述如下。

如图4中所示，混流设计的头部敞开区域C大于径流设计的等价区域C′。这是因为内径D2′大于D2，因为D2′的轴更大。图4也示出标记区域A和B，它们代表两种设计之间转子桶形体积的差别；混流设计具有更大的桶形体积。如果径流锥形孔结构40受到修改而减小体积损失(通过减小直径D1)，那么在C处敞开的头部孔结构的区域中将有大的减小。另外，如果径流结构如图所示，那么为了获得如混流设计一样的体积，转子70需要更长。

净得的改进是，用于形成头部铸造件30中通道的芯子的支承得到改进(做得更大)。因此，改进了头部的铸造性，而并不损失转子体积或延伸转子长度。

在图4中也可看到，通过锥体底座的锥体“咽喉”或最小流量区被做得更大而不损失转子体积。该区域受直径D2和D3的控制。D3由小于壁厚的锥体底座直径确定。D2由轴直径加上锥体内壁厚度确定。(为了讨论的目的，壁厚可以假定为固定)，D3受控制D1的同样因素控制，如上两段中所述。因此，比起同样底座直径的径流锥形孔结构来，混流孔结构40可以有更大的咽喉供气流和液流用而不损失转子体积并具有直径更小的轴。

混流孔结构40的长度可以做得比径流锥形更短。使用径流锥形孔结构40，设计者相信，作为锥形泵的特征性操作优点的效率和大的液流分量是与相对于转子长度尽可能增大锥体的插入长度P′相联系的。插入长度通常大于转子总长度的45％，典型的处于50％至60％的范围内。

已经确定，良好的锥形泵操作特征可以通过使用短得多的孔长度P来维持。例如，可以使用比相应于该孔的转子长度的约45％更短的孔长度。图4的上部表示一个约为相应于(served)转子长度的部分(在围板76C和76R之间)的约34％的孔长度P。

按照极宽液环泵的设计，较短的混流孔长度的冲击是显著的。如上所述，转子轮毂72和轴承60之间的未支承的或未增强的临界距离L显著减小。因为轴50的总偏转正比于该距离的立方，所以对于径流设计(具有相当大的长度L′)与新设计(具有相当小的长度L)的可比偏转来说，其效果是大大减小了轴的直径。

其次，比起用同样运转间隙装配的径流锥形孔结构40来，混流锥形孔结构40允许更大的轴50偏转而不受妨碍。运转间隙是垂直于锥体的表面而测量的。当锥形角α增大时，转子70的可以允许的径向行程正比于1除以角的余弦。例如，与8度的径流锥体相比，一个20度锥形角α的混流锥体可以偏转附加5％而不受妨碍。

虽然在一种轴流式或有平面的设计中转子轮毂和轴承之间的距离更短(例如，图4中示出的L″)，但混流孔40可以将该长度的重要性减小到这样的程度，即其它因素将在确定轴50的尺寸方面占优势。例如，轴的尺寸将受这样一些因素的限制，如轴传动端部的抗扭强度和/或支承所需液压负载所要求的轴承60的轴颈尺寸。因此混流轴50的尺寸将与等效的有平面的轴的尺寸相近或处于相同的基础上。

混流孔结构40和转子70的制造成本较低。因为孔结构40的长度较短，所以其重量和制造总成本低于普通的锥形结构。同时转子70中锥形凹槽的机加工成本也降低了，因为它比较短。

混流设计的转子70中的较短的锥形凹槽也使转子叶片74的强度比普通径流设计的强度大。虽然在混流设计中锥形凹槽中的叶片74区段仍然未受支承，但在许多情况下与平面侧部的设计相比，未支承的长度的重要性被减弱到那样的程度(像轴50设计一样)，即在达到所要的叶片74厚度方面其它因素将占优势。例如，叶片厚度可能减小到使最小的壁厚成为良好铸造设计中的决定因素，而并非是叶片应力。

总之，上述改进能够使混流泵的成本等于或低于轴流孔泵，特别当用于极宽的(即沿轴向长的)液环泵设计时。改进将双头液环泵设计的最小S/CFM点移动到超过上述1.30倍直径。

虽然上述讨论已指向双头设计的泵，但本发明的优点也应用于单头设计，也就是，做成在转子70的一端上仅有一个孔部件40的泵。除了最小的S/CFM通常出现在不同的宽度如出现在转子叶片轴向长度(不包括端部围板)等于转子直径约1.05倍而不是双头设计的等于转子直径的1.3倍以外，上述讨论也适用于单头设计。因此本发明在制造转子叶片轴向长度大于转子直径的1.05倍的单头液环泵时是经济的。

如现在可以理解的，混流设计相对于有平面的设计可以提供降低制造成本的优点，而同时保持可以赶上锥形设计的性能特征。例如，可以保持径流设计的效率优点，因为混流孔40的开口仍然可以做成具有敞开的流动区，这尽可能减小通过这些孔的压力降并具有将液流分配入转子70的大的增压区。在入口处处理冷凝水溅射的重要优点没有受到损害。同时，混流设计仍然使过量液体从转子70沿径向排出。因此没有损失沿径向流出液流的处理水的优点。

因此，将每种现有构型的最佳性能混合在一起是可能的。混流式设计能够制造这样一种泵，该泵在成本效益方面可以等于或超过有平面的设计，而在效率和工艺公差方面赶上或等于径流式锥形设计。

Claims (6)

1.一种液环泵，包括一静止的环形壳体、一安装用于在所述壳体内部绕一转子轴线转动的转子，所述壳体围绕所述转子轴线为环形，该泵还包括一个孔结构，该孔结构固定安装在所述壳体上且延伸到所述转子的轴向端部的凹槽中，该转子有多个沿轴向延伸的叶片，该叶片从凹槽沿径向向外伸出并围绕凹槽互相间隔开，该孔结构紧邻凹槽，形成一个截锥形表面，该截锥形表面有一个从15度到75度范围的锥形角，所述锥形角在一平面中测得，所述转子轴线位于在所述平面中，且所述锥形角在所述转子轴线与位于截头锥体表面内且突出以交叉所述转子轴线的轴线之间测得，该截锥形表面形成流体入口和出口孔，用于有选择地流体连通孔结构和相邻叶片间的空间之间的流体，而紧邻这些孔的转子除了叶片外没有任何结构，这些叶片用于影响通过孔连通的流体的流动方向。

2.如权利要求1中所述的液环泵，其特征在于：这些孔平行于纵向轴所测得的最大尺寸小于相应于该孔的叶片的轴向长度的45％。

3.如权利要求1中所述的液环泵，其特征在于：该孔结构是泵中唯一的孔结构，而转子叶片的轴向长度与转子直径的比大于1.05。

4.如权利要求1中所述的液环泵，该泵还包括一个第二孔结构，其固定安装在所述壳体上且该第二孔结构延伸到该转子的与前述轴向端部对置的第二轴向端部中的第二凹槽中，该叶片也从第二凹槽沿径向向外伸出并围绕第二凹槽互相间隔开，该第二孔结构紧邻第二凹槽，形成一个第二截锥形表面，该第二截锥形表面有一个从15度到75度范围的第二锥形角，所述第二锥形角在所述平面中测得，且位于所述转子轴线与位于第二截头锥体表面内且突出以交叉所述转子轴线的轴线之间测得，该第二截锥形表面形成第二流体入口和出口孔，用于有选择地流体连通第二孔结构和相邻叶片之间的第二空间之间的流体，而紧邻这些第二孔的转子除了叶片外没有任何结构，这些叶片用于影响通过第二孔连通的流体的流动方向。

5.如权利要求4中所述的液环泵，其特征在于：这些第二孔平行于纵向轴所测得的最大尺寸小于相应于该第二孔的叶片的轴向长度的45％。

6.如权利要求4中所述的液环泵，其特征在于：转子叶片的轴向长度与转子直径的比大于1.30。

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