CN1902399A - 水力平衡磁驱动离心泵 - Google Patents

Abstract

一种磁驱动泵，包含：一个外壳；一个固定至所述外壳的包壳；一根固定至所述包壳的封闭端的轴；一个位于所述外壳和包壳内可绕着所述轴旋转的叶轮；以及一个可去除地固定至所述叶轮并可绕所述轴旋转的磁耦合装置。所述泵还包含位于所述叶轮和所述轴之间且可绕所述轴旋转的后轴承；以及一个推力控制阀，该推力控制阀包含位于所述包壳和所述后轴承之间的推力环。该推力控制阀的开口由所述推力环和后轴承之间的可变间隔限定。

Description

水力平衡磁驱动离心泵

本申请是以美国万纳工程公司(Wanner Engineering，Inc.)的名义提交的PCT国际专利申请，要求2003年12月30日提交的第10/751,259号美国专利申请的优先权。

技术领域

本发明一般而言涉及液压泵，更具体涉及磁驱动离心泵。

背景技术

磁驱动离心泵非常适于泵送腐蚀性的或危险的流体，因为它们不具有可能泄漏或磨损的轴密封。这种类型的泵需要一些抵消叶轮产生的推力载荷的方法。通常该载荷由如美国专利4,226,574中描述的止推轴承承受。为了适应在某些泵送条件下发生的与正常方向相反的周期性载荷，使用了如美国专利6,443,710中描述的额外的轴向止推轴承包壳。抵消这些轴向载荷的另一方法是通过使用推力平衡系统，如克雷恩(Klein)在美国专利6,135,728中所述。克雷恩使用流体压力来平衡推力并且利用一个位于叶轮轮毂上的环来控制流体压力，其中该叶轮轮毂在环和轴之间产生可变间隙。

在利用推力平衡阀控制推力时存在固有的困难。由于泵需要在很宽范围的压力和流动状态下操作，推力平衡阀必须也能够在宽压力范围内控制压力。为了获得这种类型的控制，在阀的两边必须总是存在一个压差。因此，需要在阀的出口侧上获得最小的可能压力，同时在阀的背侧上也维持最高的可能静压。

在用来平衡推力的区域的流体旋转产生了一个压力梯度，该压力梯度降低了推力平衡阀两边的压差。克雷恩要求流体穿越旋转叶轮中的通道以到达推力平衡阀。这些旋转通道增加了在阀的背侧的可得压力的缺乏。

对于磁驱动泵来说另一典型问题通常是需要提供不同的叶轮尺寸。由于叶轮通常永久附连到磁体支架上，装配的成本相当高。这意味着需要存储的备件或备用叶轮成为更高成本的存货。即使这些部件单独制造，它们也通常以一种不容易拆卸的方式固定在一起(例如在美国专利5,895,203中揭示的附着结构)。因此，需要一种能够容易分离、但仍然可传递所需扭矩的磁体支架和叶轮。

磁驱动泵的另一方面是需要定期更换磨损环。虽然在美国专利6,234,748中描述了可去除的磨损环，它们需要不容易去除的分离的保持环。需要一种简单方法来更换无需保持环的磨损环。

发明内容

本发明大体涉及液压泵，更具体涉及磁驱动离心泵。本发明的一方面涉及用于控制泵内的压力以平衡轴向叶轮载荷的控制阀。该阀的一个开口由泵的后轴承和推力环确定，该后轴承和推力环位于泵的包壳的封闭端处，在那里固定了轴的端部。位于包壳封闭端处的定子提供了静止流体条件，从而进入阀的流体不旋转。轴的中心流体通道内的流体流出进入泵的主流体流——优选在大体垂直于主流体流的方向，从而产生了低压文丘里效应(venturi effect)。

本发明另一方面涉及一种定子，其包括多个静止径向叶片，这些叶片位于包壳的内容积中，接近包壳的封闭端。定子的叶片逆着包壳封闭端内流体的旋转方向，这可在阀的入口处提供增加的压力。本发明的另一方面涉及位于叶轮轮毂的前侧上的压力端口，其进一步协助平衡泵内的压力。本发明另一方面涉及用于将泵的磁体支架固定到叶轮的附着机构。该附着机构提供了磁体支架的可释放性，同时提供了在任一旋转方向上对扭矩的抵抗。本发明再一方面涉及用于在相对于叶轮和泵壳的多个位置处固定泵的磨损环的附着和锁定机构。

根据本发明的原理的磁驱动泵包括：一个外壳、一个固定到外壳上的包壳、一个固定在包壳的封闭端处的轴、一个位于外壳与包壳内可绕着所述轴旋转的叶轮、以及可去除地固定到叶轮上并且可绕着所述轴旋转的磁耦合装置。该泵还包括位于叶轮和所述轴之间且可绕着所述轴旋转的前和后轴承、以及后推力阀，该后推力阀包括位于包壳和后轴承之间的后推力环。推力控制阀的开口由在后推力阀和后轴承之间的可变间隔确定。

本发明另一方面涉及一种磁驱动泵，其包括：具有封闭端和开放端并且确定了一个内容积的包壳、在内容积之中固定在包壳的封闭端处的轴、和一个固定在包壳的封闭端处的定子，该定子包括至少一个从所述轴的轴线在大体为径向的方向上延伸至所述内容积内的叶片。

本发明另一方面涉及一种磁驱动泵，其包括：一个具有内部通道的固定轴、和一个具有确定了主流体流方向的流体通道的叶轮、以及具有轴孔的叶轮轮毂。叶轮的轴孔的尺寸设置为容纳泵的固定轴和轴承。叶轮轮毂包括与固定轴的内部通道流体连通的流体入口、以及引导流体流出所述轴的内部通道进入主流体流的流体出口。

本发明再一方面涉及一种磁驱动泵，其包括：一个外壳、一个位于外壳内可旋转的叶轮、一个包壳、以及第一和第二磨损环。包壳包括一个开放端、一个封闭端、和一个从包壳的开放端径向延伸的附着凸缘。附着凸缘构造成固定到外壳上并且包括第一磨损环座。第一磨损环可释放地固定到包壳磨损环座上，并且第二磨损环可释放地固定到叶轮上，与第一磨损环对齐。

本发明再一方面涉及一种平衡磁驱动泵的方法，该磁驱动泵包括：具有前端和后端的包壳、具有内部通道并且固定到包壳后端的轴、位于包壳内可绕着所述轴旋转的磁耦合装置、位于磁耦合装置和轴之间并且可相对于轴旋转的前和后轴承、以及推力控制阀，该推力控制阀包括一个推力环和一个阀开口，该开口的尺寸由后轴承和推力环之间的相对位置确定。该方法中的步骤可包括：在包壳和后轴承之间将推力控制阀定位在包壳的后部；增加在包壳内的压力，而由此轴向移动后轴承，从而使其离开推力环，以增加控制阀开口的开口尺寸；移动流体使其经过阀开口进入轴的内部通道，由此降低包壳内的压力；以及随着包壳内的压力降低，朝向推力环轴向移动后轴承，以平衡泵内的压力。

附图说明

图1是根据本发明的原理的示例磁驱动离心泵的剖面侧视图；

图2是图1中示出的泵轴、叶轮和前磨损环的局部放大视图；

图3是图1中示出的定子和推力控制阀的局部放大视图；

图4是图1中示出的叶轮的剖面侧视图；

图5是图4中示出的叶轮的前视图；

图6是图1中示出的内部磁组件的剖面侧视图；

图7是图6中示出的内部磁组件的前视图；

图8是图1中示出的包括内部磁组件、叶轮和内部磨损环的泵组件剖面后视图；

图9是图8中示出的组件的剖面后视图；

图10是图1中示出的定子的剖面侧视图；

图11是图10中示出的定子的前视图；

图12是图1中示出的外部后磨损环的前视图。

具体实施方式

本发明大体涉及液压泵，更具体涉及磁驱动离心泵。本发明的一方面涉及用于控制泵内压力以平衡轴向叶轮载荷的推力控制阀。推力控制阀包括泵的后轴承的一部分以及推力环，它们位于泵的包壳的封闭端处，在那里固定了轴的一端。流经推力控制阀的流体进入轴的中心流体通道并且从中心流体通道中出来进入泵的主流体流。由于轴保持固定的位置，流经中心流体通道的流体可无旋转地通过，由此增加了跨越推力控制阀的压差。

本发明另一方面涉及一个定子，其包括多个静止径向叶片，这些叶片位于包壳的内容积中，接近包壳的封闭端。定子的叶片逆着在包壳的封闭端内流体的旋转方向，这可在推力控制阀的入口处提供增加的压力。本发明另一方面涉及用于将泵的磁体支架固定到叶轮的附着机构。该附着机构提供了磁体支架的可释放性，同时提供了在任一旋转方向上对扭矩的抵抗。本发明再一方面涉及用于相对于叶轮和泵壳在多个位置处固定泵的磨损环的附着和锁定机构。

参考图1-12描述了包括本发明的特征的磁驱动离心泵组件10的一个示例。首先参考图1的剖视图，泵组件10包括一个外壳12、一个叶轮14、一个内部磁组件16、一个轴18、前和后轴承20、22，一个定子24、和一个包壳26。泵组件10还包括一个外部后磨损环28、一个内部后磨损环30、一个外部前磨损环32和一个内部前磨损环34。操作中，一个轮毂马达38为外部磁组件36提供动力，由此导致叶轮14由于内部磁组件16内的磁响应而在外壳12内旋转。泵组件10还包括一个邻接前磨损环32、34的推力垫圈40、一个流体返回装置42、和一个推力控制阀44。推力控制阀44(见图3)与泵组件10的其它特征一起在外壳12内提供压力平衡效应，该压力平衡效应减少了推力和磨损。

外壳12包括：一个主外壳50，其提供贯穿其中的外壳流体通道60；一个抽吸凸缘52和相关的抽吸凸缘支撑件54；以及一个排放凸缘56和相关的排放凸缘支撑件58。当外壳12利用双头螺栓66、68及其它支撑件(未标出)组装并且固定在一起时，除了使流体流过抽吸和排放凸缘52、56的预期流动路径之外，泵组件10被密封。

现在参考图4和5，叶轮14包括叶轮轮毂70、具有罩口74的叶轮罩72、内部后磨损环驱动突耳76、内部前磨损环驱动突耳77、内部前磨损环座78、内部后磨损环座80和多个驱动肋82。叶轮14的后体部84包括一个外表面86和一个前孔88、后孔90，以及主流体流通道92。

内部后磨损环驱动突耳76和内部后磨损环座80构造成接合内部后磨损环30。内部前磨损环座78和内部前磨损环突耳77接合并且保持内部前磨损环34(见图8)。驱动肋82构造成与内部磁组件16接合并且将内部磁组件16保持到叶轮14上(见图8)。后体部84的后孔90的尺寸设置成容纳前和后轴承20、22以及分开所述轴承的隔片21。

现在参考图6和7，内部磁组件16包括一个磁体外罩100、一个磁芯102、多个磁体104(见图9)、一个孔106、多个锁定片108、一个锁定凸缘110、一个锁定片入口112和多个驱动叶片114。锁定片108的尺寸设置成接合叶轮的驱动肋82(见图4)的轮廓以利用一个扭转的锁定附连方式将叶轮14和内部磁组件16固定在一起。锁定凸缘110进一步将叶轮14和内部磁组件16固定在一起，并且阻止内部磁组件16相对于叶轮14的反向旋转，否则该反向旋转将使锁定片108从叶轮的驱动肋82上脱开。锁定片入口112提供了抵达锁定凸缘110的入口。磁体104嵌入磁外罩100内。孔106的尺寸设置成容纳叶轮14(见图4)的后体部84。

图9示出了具有十四个独立磁体的磁组件16，这些磁体固定到磁芯102上并且嵌入磁外罩100内。其它实施方式可以包括少到一个磁体，或者包括多于十四个的磁体，以优化泵组件10的性能。此外，图中示出的各种锁定片、凸缘、入口和驱动叶片仅仅是例示性的，可由任何合适的锁定或接合结构特征替代。

现在参考图2、图3和图8，轴18包括前端120和后端122、内部通道124——优选与轴18的轴线同轴延伸、以及在轴的外部和所述内部通道124之间提供流体连通的横向口126。轴18的前端120的尺寸设置成接合流体返回装置42。返回装置42包括一个前端180、一个中心开孔182和一个侧开口184。当返回装置42耦合到轴18的前端120时，轴的内部通道124与中心孔182流体连通。返回装置还构造成从孔182排放流体，流体通过侧开口184进入主流体流A，优选在主流体流A的流动方向上通过泵组件10。前端180可具有多种不同的构造以利于轴18的前端120周围的流动。

现在参考图10和11，定子24包括一个毂130、多个径向叶片132、一个外部环134、一个螺纹孔136、一个推力环座138和一个推力环140。推力环140能够可去除地固定到毂130上或者可模制到毂130中使得推力环与其它定子结构成为一个整体的构件，如图10和11所示。下面描述具有径向延伸的叶片的定子一些优点，其中这些叶片与包壳分离。

现在参考图1和图3，包壳26包括一个封闭的后端150、一个开放的前端152、一个从前端152延伸的附着凸缘154、一个外部后磨损环座156、一个轴座158和一个定子连接毂160。包壳26限定一个内容积162，该内容积162的尺寸设置成容纳定子24和图8与图9所示部件的子组件。磨损环座156构造成将外部后磨损环28保持到包壳26上。图12中示出了外部后磨损环28的一个示例，该外部后磨损环28包括多个锁定片190，这些锁定片190的尺寸设置成接合位于磨损环座156内的保持构件(未示出)，这些锁定片190类似于图6和7中示出的锁定片108。

现在参考图3和图10，定子24包括一个螺纹孔136，该螺纹孔136构造成接合定子连接毂160。毂160包括位于外表面上的螺纹，该螺纹的尺寸设置成接合定子的螺纹孔136。在其它实施方式中，定子可利用其它附着构造——例如键槽、带有配合平面的孔、一套螺钉或任何其它合适的连接装置——安装到定子连接毂160上。

当装配泵组件10时，后部的外和内磨损环28、30彼此对齐，且前部的外和内磨损环32、34彼此对齐。另外，后轴承22的后端190邻接定子24的推力环140定位。此外，推力垫圈40与内部前磨损环34的前表面对齐。推力垫圈40和推力环140用来在推力没有与压力平衡的情况下——例如在启动时——在两个轴向上控制轴向推力。如下所述，这些彼此对齐的结构特征之间的交界面和相对间隔对于平衡泵组件内的推力是重要的。

当使用时，泵送物质(流经泵组件10的流体)在抽吸凸缘52处进入泵组件10，并且作为流体流A进入叶轮14。在通过叶轮之后，泵送物质流入外壳流体通道60，在那里泵送物质汇集并且经过排放凸缘56被引导出泵组件10。一些汇集在外壳流体通道60内的泵送物质在成对的外壳环28、30和32、34之间通过。在外壳环28、30之间通过的泵送物质汇集在包壳26的内容积162中。随着内容积162内的压力增加，图8和9中示出的不包含轴18的子组件(下文中称为“叶轮/磁体子组件”)开始在包壳26内轴向移动，移离包壳的后端150。随着叶轮/磁体子组件开始移动，推力控制阀44开始打开，使得来自内容积162的流体通过，经过横向口126进入轴18的内部通道124。随着流体流经推力控制阀44，在内容积内在叶轮14后的位置处压力降低，并且叶轮朝向包壳26的后端150轴向向回移动，关闭推力环140和后轴承22之间的空间。推力控制阀44关闭到一个位置，在该位置，内容积162内的压力和作用在包壳26外叶轮14上的力之间达到平衡。该平衡位置优选处于推力环140和后轴承22不彼此接触并且推力垫圈40和内部的前磨损环34不彼此接触的位置。

一旦流体通过推力控制阀44进入轴18的内部通道124，流体能够作为流B朝向流体返回装置42流动，并且重新进入主流体流A，如图2所示。

在使用时，当由外部磁体组件36和轮毂马达38驱动时，叶轮/磁体子组件以非常高的速度在外壳12内旋转。该旋转的子组件导致流体随着叶轮在包壳26的内容积162内旋转。定子24，当位于所述旋转的子组件之后时，减少所述流体的旋转，并将所述旋转流体的动能转化为势能，所述势能产生更高的压力状态，有助于在内容积162和流体返回装置42处的流体之间产生较大的压差。在推力控制阀44上具有高的压差有利于控制内容积162内的压力。如果在推力控制阀44的入口处压力低，那么，当推力控制阀的开口扩大时，将有很小的流动变化，因而压力变化很小。如果打开和关闭推力控制阀不能改变内容积162内的压力，那么推力控制阀22不能帮助对推力进行平衡。

泵组件10内的压差由文丘里效应进一步提高，所述文丘里效应是由流体返回装置42所提供的排出方向和设计产生。随着流体流A经过侧开口184，流B被吸入流A内。此文丘里效应降低了通道124内的压力，有助于进一步增加推力控制阀44上的压差。另外一个重要之处在于：所述阀开口44直接邻接内容积162，从而在所述内容积内集聚的流体不需要经过其将被叶轮进一步旋转的区域。通过使流体的旋转最小化，压力梯度也最小化，并且在所述阀处可得到最大压差。

某些已知的推力平衡阀包含叶轮轮毂中的可变阀开口以及轴的固定端处的分离开口。为了使流体从所述轴的固定端流到此种构造中的叶轮轮毂内的可变开口，流体必须邻近旋转叶轮由管道输送，例如使用一套在叶轮内形成的凹槽，所述凹槽从包壳的后部延伸至向前取向的叶轮轮毂。由于这些通道作为叶轮的一部分旋转，所以产生作用于在通道内旋转的流体上的离心力。此离心力导致在位于所述轴固定端的阀开口和叶轮轮毂内的可变的阀之间具有减小的压差。该降低的压差限制一个有效的操作范围，在该范围内所述可变阀能够控制所述泵组件中的推力。通过在所述轴的固定端处设置带有可变开口的推力阀，并使流体经过不旋转的构件(即，通过轴自身的中心通道)，以上所描述及在图1-12中示出的示例泵组件提供了显著较高的压差，并且为各种泵应用在大很多的条件范围上提供了有效地工作的可能性。

许多不同的材料可以良好地适用于泵组件10的各种构件。例如，所述推力环、推力垫片、磨损环、轴和轴承能够由碳化硅或其它适当的抗磨损材料制成。类似地，所述包壳和叶轮可以覆有诸如碳化硅之类的抗磨损材料。

上述的描述、例子和数据对本发明的构成的制造和使用提供了可完整的说明。由于不脱离本发明的主旨和范围，可以得到本发明包壳的许多实施方式，所以本发明由所附的权利要求书限定。

Claims (20)

1.一种磁驱动泵，包括：

一个外壳；

一个固定至所述外壳的包壳；

一根固定至所述包壳的轴；

一个位于所述外壳内可绕着所述轴旋转的叶轮；

一个可去除地耦合到所述叶轮并且可绕所述轴旋转的磁耦合装置；

一个位于所述叶轮和所述轴之间且可绕所述轴旋转的后轴承；以及

一个推力控制阀，该推力控制阀包括位于所述包壳和后轴承之间的后推力环，该推力控制阀的开口由所述推力环和后轴承之间的可变间隔确定。

2.如权利要求1所述的泵，其中，所述后轴承在沿着所述轴的轴线方向上能够轴向地移动，从而改变推力控制阀开口的尺寸。

3.如权利要求1所述的泵，进一步包括位于所述叶轮前部处的相对的内部和外部前磨损环、以及位于所述叶轮后部处的相对的内部和外部后磨损环。

4.如权利要求1所述的泵，其中，所述包壳包含开放的前端和封闭的后端，并且所述泵进一步包括一个定子，该定子包含至少一个径向延伸的叶片，并且位于所述包壳的后端以稳定由所述叶轮和磁耦合装置相对于所述包壳的旋转所产生的旋转流。

5.如权利要求4所述的泵，其中，所述后推力环嵌入在所述定子内。

6.如权利要求4所述的泵，其中，所述定子能够从所述包壳去除。

7.如权利要求1所述的泵，其中，所述轴包含在所述叶轮内的推力控制阀与主流体流之间延伸的内部通道，且该内部通道与所述叶轮内的主流体流和所述推力控制阀流体连通。

8.如权利要求3所述的泵，其中，所述内部前磨损环包含至少一个锁定片，而所述叶轮包含内部前磨损环座，该内部前磨损环座具有至少一个锁定凹部，所述锁定凹部构造成与所述锁定片接合以可释放地保持所述内部前磨损环。

9.一种磁驱动泵，其包括：

具有封闭端、开放端并且限定一个内容积的包壳；

在所述内容积之中固定在所述包壳的封闭端处的轴；和

一个固定在所述包壳的封闭端处的定子，且该定子包含至少一个从所述轴的轴线在大体为径向的方向上延伸至所述内容积内的叶片。

10.如权利要求9所述的泵，其中，所述定子构造成可释放地固定至所述包壳。

11.如权利要求9所述的泵，其中，所述泵进一步包含固定至所述定子的后推力环。

12.如权利要求9所述的泵，其中，所述定子包含多个径向延伸的叶片和与所述叶片互连的外环。

13.一种磁驱动泵，其包括：

一个具有内部通道的固定轴；和

一个具有流体通道和轴孔的叶轮；其中，所述流体通道确定主流的方向；所述轴孔的尺寸设置成容纳利于所述叶轮在所述固定轴上旋转的轴承，所述流体通道与所述固定轴的内部通道流体连通。

14.如权利要求13所述的泵，进一步包括流体返回装置，该流体返回装置构造成安装至所述轴的一端，并构造成将流体流从所述内部通道引导至所述主流体流内并提供文丘里效应。

15.一种磁驱动泵，其包括：

一个外壳；

一个具有前端和后端并位于外壳内的可旋转叶轮；

一个包壳；其具有一个开放端、一个封闭端、和一个从所述包壳的开放端径向延伸的附着凸缘，所述附着凸缘构造成固定到至所述外壳并且包含外部磨损环保持件；

一个外部后磨损环，其无需中间构件可释放地固定到所述外部磨损环保持件；以及

一个内部后磨损环，其无需中间构件可释放地固定到所述叶轮的后端，且与所述外部后磨损环对齐。

16.如权利要求15所述的泵，其中，所述外壳包含外部前磨损环保持件，并且该泵进一步包括外部和内部前磨损环，所述外部前磨损环无需中间构件可释放地固定至所述外部前磨损环保持件；而所述内部前磨损环无需中间构件可释放地固定至所述叶轮的前端，且与所述外部前磨损环对齐。

17.如权利要求16所述的泵，其中，所述磨损环包含锁定片，所述锁定片构造成为所述外壳、包壳或叶轮提供扭转锁定安装。

18.一种平衡磁驱动泵的方法，该磁驱动泵包括：具有开放前端和封闭后端的包壳；具有内部通道并且固定到所述包壳后端的轴；位于所述包壳内可绕着所述轴旋转的磁耦合装置；位于所述磁耦合装置和轴之间并且可相对于该轴旋转的前和后轴承；以及推力控制阀，该推力控制阀包括一个推力环和一个阀开口，该开口的尺寸由后轴承和推力环之间的相对位置确定，该方法包括如下步骤：

在所述包壳和后轴承之间将推力控制阀定位在该包壳的后部；

增加在所述包壳内的压力，而由此轴向移动所述后轴承，从而使其离开推力环，以增加所述控制阀开口的开口尺寸；

移动流体使其经过阀开口进入所述轴的内部通道，由此降低所述包壳内的压力；以及

随着所述包壳内的压力降低，朝向所述推力环轴向移动所述后轴承。

19.如权利要求18所述的方法，其中，所述叶轮包含用于使所述主流体流通过所述泵的流体通道，所述方法进一步包括使位于所述轴的内部通道内的流体移动至所述主流体流内。

20.如权利要求18所述的方法，其中，所述后轴承位于所述包壳的后端处，所述方法进一步包括使所述后轴承向所述磁体组件的后面延伸，籍此仅仅所述后轴承接触所述推力环以限定所述推力控制环。

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