TWI495797B

TWI495797B - 多級離心泵

Info

Publication number: TWI495797B
Application number: TW098121124A
Authority: TW
Inventors: Aage Bruhn
Original assignee: Grundfos Management As
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2015-08-11
Also published as: US20100232949A1; EP2233748A1; CN101832270A; CN101832270B; TW201033476A; EP2233748B1; US8366388B2

Description

多級離心泵

本發明係有關於一種具有如申請專利範圍第1項之前言部分所述之特徵的多級離心泵。

上述類型之單級或多級離心泵屬於先前技術。本發明所涉及者特定言之係此類離心泵中主動軸平伏(即，在常規運行時水平配置)之多級離心泵。舉例而言，Grundfos公司以型號CH及CHN所提供之離心泵即為此種屬於先前技術之離心泵。此等泵具有一泵殼體及一以可旋轉之方式安裝在該泵殼體內之軸，該軸在其馬達端具有至少一圓柱段及一在靠近泵端一側連接在該圓柱段上的栓槽軸段，該栓槽軸段上以抗扭轉之方式配置有多個葉輪，該等葉輪夾緊在一安裝於該軸上之止動環與自由軸端之間。此種泵由電動馬達驅動，該電動馬達之主動軸與安裝在泵殼體內用於支撐該等葉輪之軸以抗扭轉相連，該電動馬達自身則藉由螺旋連接與該泵相連。

為能將該泵之靜止殼體部分與旋轉軸永久密封隔離，須在圓柱形軸段與泵殼體之間設置滑環密封件。該滑環密封件具有一固定不動且與泵殼體密封隔離之靜止滑環及一配置在該軸上且與該軸密封隔離之旋轉滑環，此兩個滑環具有可相向滑動且可彼此施加彈力的軸向密封面。設有用於施加該彈力之彈簧，該彈簧配置在兩個彈簧座之間，以相反方向對此兩個彈簧座施加壓力。

事實證明此等習知離心泵性能極佳，上述之滑環密封件亦如此。然上述之配置方式要求相當大之軸向結構長度。

在此背景下，本發明之目的在於對一般離心泵進行改良，從而達到在液壓動力保持不變之情況下減小其軸向結構長度之目的。本發明之目的亦在於對結構進行改良，從而達到在大量生產時最大程度地降低成本之目的。

根據本發明，此目的藉由如申請專利範圍第1項之特徵而達成。本發明之有利設計方案由附屬項、下文之說明及附圖給予。

本發明之多級離心泵具有一泵殼體及一係旋轉固定方式安裝在該泵殼體內之軸，該軸在其馬達端包含至少一圓柱段及一在靠近泵端一側連接在該圓柱段上的栓槽軸段，該栓槽軸段上以旋轉固定方式配置有多個葉輪，該等葉輪夾緊在一安裝於該軸上之止動環與自由軸端之間。圓柱形軸段與泵殼體之間設有一滑環密封件，該滑環密封件包含一配置在泵殼體內且與該泵殼體密封隔離之靜止滑環及一配置在軸上且在相對於該軸所密封之旋轉滑環。該等滑環以其反向定向的軸向面彼此滑動，且被施加彈力。設有兩個用於施加該彈力之彈簧座，此兩個彈簧座之間固定有壓縮彈性元件。根據本發明，該止動環配置在該軸之圓柱段與栓槽軸段間之過渡區內及該等彈簧座之間。此外，該等彈簧座之間亦設有形狀配合件，該等形狀配合件至少實現在該軸之預期旋轉方向(即，工作旋轉方向)上。

本發明之上述解決方案將該軸一般情況下不利用之過渡區(即，栓槽軸段之槽底與圓柱段間之直徑差)用於配置止動環。該止動環同時亦位於彈簧座之間，即，位於一通常不利用之空間內。藉此可顯著縮短該泵之軸向結構長度。為能使隨該軸一起轉動之滑環在隨軸旋轉時不受其與該軸間之密封件的影響，本發明在彈簧座之間設置形狀配合件，該等形狀配合件將該軸之旋轉運動自栓槽軸段傳遞至泵側彈簧座及馬達側彈簧座，再自該馬達側彈簧座將此旋轉運動傳遞到旋轉滑環上。

有利者係為，該止動環至少在朝馬達側軸端之軸向上以形狀配合方式固定在該軸上。根據本發明的一種改良方案，若圓柱形軸段之直徑大於栓槽軸段之槽底的直徑，則此種形狀配合式固定特別容易實現。此外，若圓柱形軸段之直徑等於或大於該等槽以外之栓槽軸段的直徑，則可自泵側對滑環進行安裝。其中，該止動環除在軸向上外亦在旋轉方向上以形狀配合方式固定在該軸上。為此，該止動環在其內側具有相應之造型，且藉由該造型以形狀配合之方式與栓槽軸段之栓槽軸輪廓嚙合。大量生產時，該軸之栓槽軸輪廓成型係藉由動力成形(Kraftverformung)(即，藉由模具對該軸進行成形處理)而實現。由於此方法在軸向上之容差亦相對較小，故止動環可藉由特別有利之形狀配合安裝在該軸上之確定位置上。

根據本發明的一種改良方案，該止動環在其內側具有多個斜面，此等斜面支撐在該軸之圓柱段與栓槽軸段間之過渡區內的至少一對應斜面上，藉此可最大程度地增大接觸面積，從而確保對較大作用力之吸收。該軸之斜面可藉由上述之成形方法而實現。止動環之斜面則採用與栓槽軸輪廓相同之成形方法，例如，鍛造成形。作為替代方案，此處亦可使用鑄件或切削加工件。

若該彈性元件採用將止動環及旋轉滑環至少部分包圍之配置方式及設計，則可進一步減小該離心泵之軸向結構長度。在此情況下，該滑環密封件之軸向長度減小至大致相當於旋轉滑環之軸向長度與止動環之軸向長度之總和的程度。與此同時亦可使止動環與彈簧之內徑大致相符，止動環藉此可吸收該過渡區之斜面的作用力，但其自身不會變形。此點可藉由設置一用作彈性元件之螺旋壓縮彈簧而實現。此種螺旋壓縮彈簧在採用相應設計之情況下可提供足夠長之彈簧動程，製造成本低，且在採用相應尺寸之情況下足以用於施加必要之作用力。

根據本發明之較佳設計方案，自該軸之泵側而非自馬達側對該滑環密封件進行安裝。為能簡化安裝且使止動環停留在其預期位置上，本發明的一種改良方案係於彈簧座上設置形狀配合件，安裝時，該等彈簧座可在彈性元件處於偏壓狀態之情況下藉由該等形狀配合件至少在一方向上實現軸向相對固定。亦即，在安裝過程中藉由彈簧座之此等形狀配合件使彈性元件處於偏壓狀態，使彈性元件實際失效。僅當安裝過程結束，最後一個泵葉輪被安裝並固定於軸上後，方解除該等形狀配合件，以便對滑環密封件(尤指旋轉滑環)施加必要之軸向壓力。根據本發明，為此可在彈簧座之間設置一種卡口連接。若該卡口連接能反向於工作旋轉方向實現鎖定，亦即，當該軸朝工作旋轉方向轉動時可自動解除該鎖定，則特別有利。此種配置方案之優點在於，彈簧座間之形狀配合件會在離心泵朝工作旋轉方向啟動時自動解除，而無需在專門之工作步驟中解除該等形狀配合件。

為能使該彈性元件(特定言之為螺旋壓縮彈簧)包圍旋轉滑環，本發明的一種有利改良方案係將滑環側彈簧座設計成有角形式，在此情況下，該彈簧座藉由其凹陷部分包圍旋轉滑環之周邊，其中，螺旋壓縮彈簧嵌入該包圍部分。

為能使葉輪側彈簧座與該軸以扭轉相連，須在葉輪側彈簧座上設置至少一以形狀配合方式與栓槽軸輪廓嚙合之傳動件。有利者係使葉輪側彈簧座具有一中央開口，該開口經對應於栓槽軸輪廓之成型處理，故該彈簧座之整個周邊均可以形狀配合之方式固定在軸上。

靜止滑環亦具有形狀配合件，該等形狀配合件較佳安裝在靜止滑環之外圓周上，用於實現該滑環在泵殼體內之抗扭轉固定。將此等形狀配合件安裝在外圓周上時，無需如在軸向面上配置形狀配合件般來進行封閉式定向，即可實現極佳安裝。

根據本發明的一種改良方案，葉輪側之彈簧座有利地設計成缽狀，且在其環形壁上具有多個朝滑環側之彈簧座方向所開放之凹口，滑環側之彈簧座之徑向突出部卡入該等凹口內。滑環側之彈簧座之徑向突出部藉由此等凹口進入葉輪側之彈簧座之區域內，故葉輪側之彈簧座可藉由形狀配合沿旋轉方向對該等徑向突出部進行傳動。

根據本發明的一種改良方案，在上述之組件由板金構成之情況下，若需防止該凹口內之接觸面出現磨損，則須為該等凹口之位於該等突出部之卡入區內的邊緣採用增強設計。實現此種增強設計之特別簡單的方式是增大支撐面，亦即，將板金件之一部分彎曲，使構成該支撐面者係為扁平面，而非板金邊緣。藉此可有效避免突出部被“埋入”該支撐面內。

圖1以縱剖面圖形式所表示之離心泵組具有一電力驅動馬達1，該驅動馬達上安裝有由馬達1所驅動之三級離心泵2。離心泵2具有一泵殼體3，該泵殼體具有不鏽鋼板襯套或由不鏽鋼板構成。端部殼體部分4及5(即，外側支撐凸緣4及內側連接凸緣5)設計為鑄造件，殼體外套6則由板金構成。經由設置在支撐凸緣4內之抽吸管7實現輸送液體進入。該待輸送液體自該抽吸管經由三個具葉輪8之泵級進入一形成於該等泵級與外套6之間的環形空間，並自此處到外套6上之一徑向離開壓力管9。

在此實施方式中，連接凸緣5亦構成該馬達之端部封閉件，且載有一軸承10，馬達軸11以該軸承安裝在此區域內。馬達軸11與泵軸12固定連接，葉輪8固定在該泵軸上，該泵軸藉由滑環密封件13在相對於連接凸緣來密封該泵軸12，且被泵軸12穿過連接凸緣5。

滑環密封件13具有一以殼體固定(即，不隨之轉動)之靜止滑環14，且藉由O型環15在相對於泵殼體3(特定言之與連接凸緣5區域內之板金材料襯套)來密封該靜止滑環。靜止滑環14如普通靜止滑環般呈圓形，具有兩個突出於該圓形之外的附件16，此兩個附件對徑配置，且抵靠在該襯套之一板金段(未圖示)上，該襯套以抗扭轉固定方式保持滑環14，此外確保由輸送液體所攜帶之氣體不會累積在靜止滑環14之區域中，然而會隨該待輸送液體一起被導出。該靜止滑環在其軸向另一側具有一面向該泵之環面形式的軸向面17，該軸向面構成該密封件之固定式滑面。安裝在軸12上並隨之一起旋轉之旋轉滑環19(未示於圖2)的軸向面18(參見圖3)在此滑面17上滑動，藉由O型環20在相對於軸12來密封該旋轉滑環。泵軸12在滑環14、19之區域內設計成圓柱形，且於此處構成一圓柱段21。軸12朝葉輪8方向逐漸變細，並於此處過渡至栓槽軸輪廓。該泵之葉輪8以形狀配合方式安裝在該栓槽軸段22上。

為能在操作上以必要之作用力將滑環14及19之軸向面17及18相向壓緊，設有一螺旋壓縮彈簧23，該螺旋壓縮彈簧配置在兩個彈簧座24及25之間。馬達側彈簧座24設計成有角形式。如圖3所示，該馬達側彈簧座以軸12之旋轉方向用以形狀配合方式容置旋轉滑環19，且在周邊近乎完全方式包圍該旋轉滑環。馬達側彈簧座24以較小之間隙連接在軸12之圓柱段21上。該馬達側彈簧座先沿徑向延伸，隨後朝馬達1之方向彎曲約90°，沿該軸之旋轉方向以形狀配合方式將旋轉滑環19及O型環20包圍。在此之後，該馬達側彈簧座平行於軸12封閉至滑環19之馬達側軸向末端附近，並於此處彎曲90°後徑向向外繼續延伸。彈簧座24隨後在其徑向段之末端處朝葉輪8方向彎曲90°，最後過渡至另一徑向段，並於此徑向段區域內形成徑向突出部26。

在另一臂上之泵側彈簧座25在其內側具有一可與栓槽軸段22之區域內之栓槽軸輪廓嚙合之輪廓。中央開口27經相應之輪廓處理。彈簧座25自開口27徑向向外延伸，且在其末端處朝馬達1方向彎曲約90°，並於端部向外延伸(參見圖3)。彈簧座24、25之尺寸如下：彈簧23在彈簧座24及25之軸平行外側段內部受到向外橫向導引。向內連接在該等外側段上之徑向段則構成彈簧23之壓力面。彈簧座25在其軸平行環形段28內具有三個凹口29，該等凹口在其中一端彎曲成一支撐面30，在另一端設有一突出部31。此等凹口29與馬達側彈簧座24之突出部26一起構成形狀配合件，在該泵正常操作(特定言之係在軸12受驅動在工作旋轉方向32中)中，將軸12之旋轉運動傳遞到彈簧座25上，再藉由凹口29之支撐面30將該旋轉運動自彈簧座25傳遞到突出部26之徑向端面上，且因此達到將該旋轉運動傳遞到彈簧座24上之目的，彈簧座24以形狀配合方式包圍旋轉滑環19，故可使其隨軸12一起轉動。藉由部分環形段材料28彎曲而成之支撐面30可增大相對於突出部26之軸承面，從而避免突出部26嵌入環形段28內。

突出部26與凹口29構成一卡口連接。對於組裝目的而言，可在彈簧23處於偏壓狀態之情況下，使套在軸12上之彈簧座24及25互相運動，直至突出部26卡入凹口29，隨後反向於旋轉方向32，使突出部26以刺刀方式卡在突出部31後面，將彈簧23保持在偏壓狀態。藉由該軸沿方向32之旋轉可將該僅用於組裝之位置再次解除，恰如在組裝完畢後之操作中，當馬達在方向32啟動時，此位置即會被自動解除。

然而不僅彈簧23併入彈簧座24與25之間，而且止動環33配置在圓柱段21與栓槽軸段22間之過渡區內。止動環33之內側經輪廓處理，故該止動環在朝馬達1之軸向上及在旋轉方向上以形狀配合之方式固定在過渡區34內。為此，該止動環在其內側具有多個斜面35，此等斜面與該過渡區內之對應斜面共同作用，以便在該軸朝馬達之軸向上支撐該環。旋轉方向上之形狀配合連接則藉由突出部36而實現，該等突出部嵌入此區域內向外定向之栓槽軸輪廓內。止動環33支撐在栓槽軸段22內配置於泵軸12上之葉輪8，該等葉輪在組裝狀態下藉由端部螺帽實現相對於止動環33之固定。

止動環33位於彈簧座25內部，且構成將其包圍之彈簧23的內部導引裝置。藉由此配置，結合由旋轉滑環19所銜接之彈簧座24，相對於習知之結構實施方式，大幅減小此區域之軸向結構長度，從而該組裝可設計成顯著之緊密方式，因材料之節省可使該組裝設計輕於習知泵。

自軸12之葉輪側對滑環密封件13進行組裝。將馬達軸11與泵軸12已彼此固定相連並安裝上連接凸緣5後，對滑環密封件13進行組裝，安裝方法如下：先自葉輪側將靜止滑環14連同位於該靜止滑環上之O型環15一起套在軸上，並將其固定在連接凸緣5之襯套內。此後自軸12之葉輪端組裝旋轉滑環19、保持在該旋轉滑環內部之O型環20及與該旋轉滑環部分重疊之彈簧座24，隨後安裝止動環33，加入彈簧23，最後安裝彈簧座25。在彈簧23處於偏壓狀態之情況下將彈簧座25壓緊在彈簧座24上，直至突出部26卡入凹口29，隨後反向於旋轉方向32扭轉彈簧座24及25，並藉由突出部31使其保持此偏壓狀態。隨後再對葉輪及其餘泵組件進行組裝。用於使彈簧23保持偏壓狀態之卡口連接可藉由該泵開始操作時軸11、12沿方向32旋轉而解除，視情況亦可手動解除。在此情況下，彈簧座25由被夾緊之葉輪8支撐，故彈力此時作用於彈簧座24及其所併入之旋轉滑環19，藉此預期將滑面17及18彼此壓緊。

1．．．驅動馬達/馬達

2．．．離心泵

3．．．泵殼體

4．．．殼體部分/支撐凸緣

5．．．殼體部分/連接凸緣

6．．．殼體外套

7．．．抽吸管

8．．．葉輪

9．．．壓力管

10．．．軸承

11．．．馬達軸

12．．．泵軸

13．．．滑環密封件

14．．．靜止滑環

15．．．14之O型環

16．．．14之附件

17．．．14之軸向面/滑面

18‧‧‧19之軸向面/滑面

19‧‧‧旋轉滑環

20‧‧‧19之O型環

21‧‧‧12之圓柱段

22‧‧‧12之栓槽軸段

23‧‧‧螺旋壓縮彈簧

24‧‧‧馬達側彈簧座

25‧‧‧葉輪側彈簧座/泵側彈簧座

26‧‧‧24之突出部

27‧‧‧25之開口

28‧‧‧環形段/環形段材料

29‧‧‧凹口

30‧‧‧支撐面

31‧‧‧突出部

32‧‧‧工作旋轉方向

33‧‧‧止動環

34‧‧‧21與22間之過渡區

35‧‧‧斜面

36‧‧‧突出部

圖1為一具有驅動馬達之三級離心泵之縱剖面圖；圖2為具有彈簧座、彈簧及固定環之滑環密封件的分解立體圖；及圖3為圖1中與滑環及其安裝有關之單元的放大剖面圖。

12．．．泵軸

13．．．滑環密封件

14．．．靜止滑環

15．．．14之O型環

18．．．19之軸向面/滑面

19．．．旋轉滑環

20．．．19之O型環

21．．．12之圓柱段

22．．．12之栓槽軸段

24．．．馬達側彈簧座

25．．．葉輪側彈簧座/泵側彈簧座

26．．．24之突出部

27．．．25之開口

28．．．環形段/環形段材料

33．．．止動環

34．．．21與22間之過渡區

Claims

一種多級離心泵，其具有一泵殼體(3)及一旋轉地安裝在該泵殼體內之軸(12)，該軸在其馬達端包含至少一圓柱段(21)及一與該圓柱段相連之栓槽軸段(22)，該栓槽軸段上以旋轉固定方式配置有多個葉輪(8)，該等葉輪夾緊在一安裝於該軸(12)上之止動環(33)與自由軸端之間，該多級離心泵此外亦具有一滑環密封件(13)，該滑環密封件併入該圓柱段(21)與該泵殼體(3)之間，且具有配置在兩個彈簧座(24，25)間之壓縮彈性手段(23)，其中，該滑環密封件(13)包含一配置在該泵殼體(3)內且在相對於該泵殼體所密封之靜止滑環(14)及一配置在該軸(12)上且在相對於該軸所密封之旋轉滑環(19)，該等滑環包含彼此滑動且可彼此施加彈力的軸向密封面(17，18)，其特徵在於：該止動環(33)配置在該軸(12)之圓柱段(21)與栓槽軸段(22)間之過渡區(34)內及該等彈簧座(24，25)之間，其中，該等彈簧座(24，25)之間亦設有形狀配合手段，該等形狀配合手段至少實現在該軸(12)之工作旋轉方向(32)上。
如申請專利範圍第1項之離心泵，其中，該止動環(33)至少在朝馬達側軸端之軸向上以形狀配合方式保持在該軸(12)上。
如申請專利範圍第1或2項之離心泵，其中，該圓柱段(21)具有直徑大於該栓槽軸段(22)之槽底部分的直徑，且該圓柱段 (21)之直徑等於或大於該栓槽軸段(22)之其餘區域的直徑。
如申請專利範圍第1項之離心泵，其中，該止動環(33)之內側係設計成形狀配合方式嚙合於該栓槽軸段(22)之栓槽軸輪廓中。
如申請專利範圍第1項之離心泵，其中，該止動環(33)包含在其內側之多個斜面(35)，此等斜面支撐在該軸(12)之圓柱段(21)與栓槽軸段(22)間之過渡區(34)內的至少一對應斜面上。
如申請專利範圍第1項之離心泵，其中，該彈性手段(23)將該止動環(33)及該旋轉滑環(19)至少部分銜接。
如申請專利範圍第1項之離心泵，其中，該彈性手段(23)由一螺旋壓縮彈簧構成。
如申請專利範圍第1項之離心泵，其中，該等彈簧座(24，25)具有形狀配合手段，對於組裝目的而言，該等彈簧座可在該彈性手段(23)處於偏壓狀態之情況下藉由該等形狀配合手段至少在一方向上可彼此軸向固定。
如申請專利範圍第1項之離心泵，其中，該等彈簧座(24，25)可彼此卡接，且其卡接之方式係反向於該工作旋轉方向(32)實現鎖定。
如申請專利範圍第1項之離心泵，其中，在該滑環側上之彈簧座(24)設計成有角方式，使該彈性手段(23)將該旋轉滑環(19)包圍。
如申請專利範圍第1項之離心泵，其中，該葉輪側彈簧座(25)包含至少一以形狀配合方式與該栓槽軸輪廓所嚙合之傳動件，該傳動件以旋轉固定方式連接該彈簧座(25)與該軸(12)。
如申請專利範圍第1項之離心泵，其中，該靜止滑環(14)包含在其外圓周上之形狀配合手段(16)，該等形狀配合件用於該靜止滑環在該泵殼體(3)內之抗扭轉固定。
如申請專利範圍第1項之離心泵，其中，該葉輪側彈簧座(25)設計成缽狀方式，且包含在其環形壁(28)上多個朝在該滑環側上之彈簧座(24)所開放之凹口(29)，而該滑環側彈簧座(24)之徑向突出部(26)則係卡入此等凹口內。
如申請專利範圍第13項之離心泵，其中，該等凹口(29)之在該等突出部(26)之卡入區內的邊緣係設計成增強方式，藉由增大作為該形狀配合手段的多個支撐面(30)以增強該等邊緣。
如申請專利範圍第10項之離心泵，其中，一螺旋壓縮彈簧將該旋轉滑環(19)包圍。