专利名称：推力平衡装置的制作方法
技术领域：
本发明是关于推力平衡装置的发明，更具体地说，是关于能大幅度提高例如屏蔽电动泵的推力平衡特性的推力平衡装置的发明。
现有的屏蔽电动泵具有旋转轴以及装在该旋转轴上的叶轮。在这种屏蔽电动泵中，从向旋转轴方向开口的吸入口吸入的流体，受到旋转叶轮的离心力的作用，从向半径方向开口的排出口排出。由于吸入口是向旋转轴方向开口的，因此叶轮在推力方向受到力的作用。这样，原先的屏蔽电动泵的叶轮会被推向装着叶轮的机壳内壁，给叶轮的旋转造成障碍。因此，近年来几乎所有的屏蔽电动泵都在适当的部位装有推力平衡装置。
这种推力平衡装置是一种防止由吸入的流体产生的推力方向的压力妨碍叶轮旋转的装置。通常，这种装置具有(1)将形成于具有平衡孔的叶轮里面的环状圆筒体插入设置于机壳上的、具有圆筒形内周面的凹陷部，由前述圆筒体的外周面与前述凹陷部的圆筒形内周面之间的间隙形成的固定节流孔，(2)由前述圆筒体的底面，该圆筒体的内周面，邻近前述圆筒体的内部空间、在机壳上突出形成的第1突出部向着前述底面且与其有一定间隔的面，以及比前述第1突出部更加突出、环绕旋转轴的环状第2突出部的外周面构成的推力平衡室，以及(3)前述第2突出部向着叶轮里面的前端面与叶轮里面形成的可变节流孔。
在这种推力平衡装置中，由于叶轮的旋转产生离心力使流体径向排出，但是离心方向排出的流体有一部分通过前述固定节流孔流入推力平衡室。流入推力平衡室的流体，通过可变节流孔流到推力平衡室外，从推力平衡室流出的流体通过平衡孔与排出的流体合流。
如果吸入、排出的流体压力升高，叶轮受到推力方向的压力，叶轮的里面就要接近向着该里面的机壳面。但是，由于流体的压力，通过固定节流孔的流体流量增加，推力平衡室内的流体压力就增加，这样一来，因为推力平衡室内的流体压力增加，叶轮就受到压力，使叶轮离开向着该里面的机壳。该压力也称自立力。由于该推力平衡室内的流体压力，叶轮克服吸入、排出流体的压力而移动。
这样，叶轮一离开向着其里面的机壳而移动，换句话说就是叶轮一离开向着该里面的机壳面而移动位置，可变节流孔的间隙就增大，压力增高的流体从该可变节流孔急速流出。其结果是推力平衡室内的压力下降，吸入、排出的流体施加给叶轮的推力方向的压力大于推力平衡室内的流体压力。叶轮受到推力方向的压力，其位置朝向叶轮里面的机壳面移动。
如上所述，叶轮可根据固定节流孔的间隙、可变节流孔的间隙以及推力平衡室的容积而变换位置，使推力平衡室内的压力与吸入、排出流体的压力取得平衡，从而使旋转轴在推力方向上取得平衡。
但是，具有这种现有结构的推力平衡装置，其推力平衡室中，叶轮里面是旋转面，向着该叶轮的机壳面是固定面。因此，流入该推力平衡室的流体要受到因叶轮旋转而产生的角动能，随叶轮的旋转而旋转。在推力平衡室内，因流体与叶轮一起旋转而产生的液道阻抗极大。
旋转面与固定面之间的流体的液道阻抗与同旋转面一起旋转的流体的线速度平方成正比。因此，在叶轮转速极大的高速泵中，或者即便不是高速泵，但固定面与旋转面之间的间隙中流体的量大，旋转的流体的线速度很大的大型泵中，推力平衡室内的流体的液道阻抗很大，推力平衡就很难适当地保持。
为了解决这个问题，有人采用了在推力平衡室的固定面上设置被称为均压孔或减压孔的分流孔，但是这达不到降低液道阻抗，适当保持平衡的目的。之所以这样说，是因为设置前述的分流孔，虽然可以增大自立力，但不能大幅度地降低推力平衡室内的流体的角动能。
本发明的目的是提供一种推力平衡性能优良的推力平衡装置。
本发明的目的是提供一种即使泵的排出量很大，推力平衡性能也仍然优良的推力平衡装置。
本发明的目的是提供一种即使是具有高速旋转叶轮的泵，其推力平衡性能也仍然优良的推力平衡装置。
本发明的推力平衡装置，具有(1)将形成于具有平衡孔、且装在旋转轴上的叶轮里面的环状圆筒体插入设置于机壳上的、具有圆筒形内周面的凹陷部，由前述圆筒体的外周面与前述凹陷部的圆筒形内周面之间的间隙形成的固定节流孔，(2)由前述圆筒体的底面，该圆筒体的内周面，邻近前述圆筒体的内部空间、在机壳上突出形成的第1突出部向着前述底面且与其有一定间隔的面，以及比前述第1突出部更加突出、环绕旋转轴的环状第2突出部的外周面构成的推力平衡室，
(3)前述第2突出部向着叶轮里面的前端面与叶轮里面形成的可变节流孔，(4)在前述第1突出部上形成的、环绕前述旋转轴的环状沟，以及(5)连通前述环状沟与前述凹陷部的均压部。
前述推力平衡装置的优选实施例为，所述的均压部的轴线垂直方向的截面积总和以及所述的环状沟的前述第1突出部的开口面积大于前述平衡孔开口面积的总和的推力平衡装置。
下面参照
本发明。
图1是表示本发明一个实例的纵截面图。
图2是表示本发明另一个实例的纵截面图。
图3是表示本发明另一个实例的纵截面图。
图4是表示本发明另一个实例的纵截面图。
图5是表示一种屏蔽电动泵，即具有图1所示的推力平衡装置的离心泵，以及除了没有前述推力平衡装置之外，其余都和前述屏蔽电动泵相同的屏蔽电动泵在排出流量变化时，残留推力变化的曲线图。
例1该例1是本发明所述的推力平衡装置的一例。
图1是表示装着例1的推力平衡装置的离心泵的半剖截面图。
如图1所示，装着本发明一例的推力平衡装置的离心泵1，具有机壳2与机座3，在该机壳2与机座3形成的泵室4内有装在旋转轴5上的叶轮6。
该离心泵1的吸入口在图1中未表示出，它形成于向着叶轮6轴向的部位。从该吸入口到泵室4为止有一个其轴线与旋转轴5的轴线相同的圆筒状导引路7。
前述叶轮6有一个从轴线方向看呈圆形的基体8。该叶轮6随旋转轴5的旋转而旋转，将从导引路7引入的流体朝离心方向排出。因此，在该离心泵1中，在叶轮6的离心方向，机壳2上设有排出口。
在本发明的推力平衡装置中，在构成叶轮6一部分的前述基体8的里面，即朝着机座3的那一面上，形成有向机座3突出的圆筒体9。在该基体8上，还开设有从靠近旋转轴5的基体8的里面一直贯穿至导引路7一侧表面的叶轮孔10。
在机座3朝着前述基体8的面上，形成了具有内径略大于前述圆筒体9直径的圆筒形内周面的凹陷部11。前述圆筒体9插入该凹陷部11。插入的圆筒体9的外周面与该凹陷部11的内周面之间形成一个很小的间隙。该间隙即是固定节流孔12。
在前述凹陷部11中，在前述圆筒体9的内侧，形成有朝着叶轮6里侧面突出的圆盘状第1突出部13，在该第1突出部13的内侧，靠近旋转轴5，形成有比前述第1突出部13更接近前述叶轮6里侧面、具有环状端面的第2突出部14。第1突出部13的朝着前述圆筒体9底面的端面为环状。在前述圆筒体9插入该凹陷部11的情况下，该第1突出部13的外周面与圆筒体9的内周面之间形成一定的间隙。该间隙设定为比前述固定节流孔12大许多。该第2突出部14的环状端面是从轴向看去呈环状的。
推力平衡室15由第1突出部13的环状端面(该面也是固定面)与前述圆筒体9的底面(该面是叶轮的里面，是旋转面)所确定的空间形成。
第2突出部14的环状端面与圆筒体的底面即基体8的里面之间的间隙就是可变节流孔16。
在前述第1突出部13靠第2突出部14处形成有以旋转轴5为中心的环状沟17。该环状沟17具有由开口于第1突出部13的环状端面的开口部，以与旋转轴5的轴线相同的轴线为中心的圆筒体9的外周面、即内侧内周面，以及以与旋转轴5的轴线相同的轴线为中心的圆筒体9的内周面、即外侧内周面环绕着的沟空间。该沟空间是旋转轴5为中心的环状空间。在纵截面图的图1中，内侧内周面的纵截面端缘线与外侧内周面的纵截面端缘线是平行的。
均压部18由从前述第1突出部13的外周面贯穿前述环状沟17的贯穿孔形成。该均压部18与前述环状沟17以及凹陷部11连通。该贯穿孔、即均压部18在该第1突出部13上设有12个。该均压部在与轴线垂直方向上的截面是圆形的，因此，该均压部具有圆筒形的内部空间。
下面对具有以上结构的离心泵1与推力平衡装置的作用进行说明。
旋转轴5一旋转叶轮6即随之旋转。从吸入口引入的流体经导引路7流入泵室4。在泵室4内，因叶轮6的旋转，其离心力使流体从排出口排出。这是通常的离心泵1的作用。
泵室4内的一部分流体通过前述的固定节流孔12流入推力平衡室15，通过可变节流孔16，穿过平衡孔10回到叶轮6的表面。
如果叶轮6一侧的排出压力增高，叶轮6因该排出压力而向接近机座3一侧移动。这样，可变节流孔16的间隙比原先更加狭小。从该可变节流孔16流出的流体的流量降低。另一方面，可变节流孔16的间隙虽然变狭小了，但是固定节流孔12的间隙却依然没变，所以流体继续流入推力平衡室15内。在流体继续流入推力平衡室15内的同时，可变节流孔16的间隙因排出压力的增高而比原先狭小了，因此从可变节流孔16流出的流体流量受到了限制。其结果是推力平衡室15内的流体压力增高。继而是推力平衡室15的流体压力高于排出压力。
推力平衡室15的流体压力一旦高于排出压力，叶轮6便向圆筒体9从凹陷部11拔出的方向移动。叶轮6的移动使可变节流孔16的间隙扩大。可变节流孔16的间隙扩大，推力平衡室15内的流体从可变节流孔16流出的流量变多，推力平衡室15内的流体量减少，其结果是推力平衡室15内的流体压力与叶轮6一侧的排出压力变得一致，叶轮6停止移动。
但是，存在于推力平衡室15内的流体本身随着叶轮6的旋转而旋转。在推力平衡室15内旋转的流体具有角运动量，会产生液道阻抗。该液道阻抗如增大，即便可变节流孔16的间隙扩大，推力平衡室15内的流体也难以迅速地从可变节流孔16流出。
本发明的目的在于减少因流体的角运动量而产生的液道阻抗。因此，在本发明的该实例中设有环状沟17与均压部18。通过让没有角运动量的流体从该均压部18经环状沟17流入推力平衡室15内，与具有角运动量的流体混合，使推力平衡室15内的流体的角运动量迅速减少，让推力平衡室15内的流体迅速、顺利地通过可变节流孔16流出。
用计算机对具有均压部18与环状沟17的泵，以及对只有均压部18的泵的旋转轴5的推力平衡进行模拟的结果表明，只有均压部18的泵的可变节流孔16流出的流体流出量为290升/分，叶轮6背面的流体压力(推力平衡室15内的压力)为2363N(241kgf)，具有均压部18与环状沟17的泵的可变节流孔16流出的流体流出量为301升/分，叶轮6背面的流体压力为2157N(220kgf)，有明显的减少。在计算时采用的泵的规格为SUC125A、DIS100A、200m3/h×32m×2900rpm，叶轮直径为Φ190。
例1的变型例在本发明所述的结构中，环状沟17只要在前述第1突出部13上形成，环绕着前述旋转轴5，其沟空间无论怎样都可以。例如，如图2所示，环状沟17可以是具有由开口于第1突出部13的环状端面的开口部，相当于以与旋转轴5的轴线相同的轴线为中心的圆筒体9外周面的内侧内周面，以及相当于以与旋转轴5的轴线相同的轴线为中心的圆锥体内周面的外侧内周面环绕着的沟空间。在这种情况下，在图2所示的纵截面图中，该沟空间的纵截面呈楔型。环状沟17的另一个例子是具有由开口于第1突出部13的环状端面的开口部，相当于以与旋转轴5的轴线相同的轴线为中心的圆锥体外周面的内侧内周面，以及相当于以与旋转轴5的轴线相同的轴线为中心的圆筒体9内周面的外侧内周面环绕着的沟空间。在这种情况下，在图3所示的纵截面图中，该沟空间的纵截面呈楔型。环状沟17的又一个例子是具有由开口于第1突出部13的环状端面的开口部，相当于以与旋转轴5的轴线相同的轴线为中心的圆锥体外周面的内侧内周面，以及相当于以与旋转轴5的轴线相同的轴线为中心的圆锥体内周面的外侧内周面环绕着的沟空间。
无论环状沟17的沟空间是什么形状，均压部18与轴线垂直方向的圆形截面积的总和A(A用n×(π/4)×d12计算，其中n表示均压部18的个数)基本上来说，最好要小于环状沟17的开口面积B(B用(π/4)×(D22-D32)计算)(即A＜B)。
前述均压部18的前述圆形截面积的总和A与前述环状沟17的开口面积B中的任何一个都比平衡孔10在基体8的开口面积总和大的推力平衡装置，因其推力平衡性能特别好，所以比较理想。
均压部18的数目没有特别的限制。
实施例1在屏蔽电动泵(型号HN25E)中设置具有图1所示结构的推力平衡装置，让排出流量在10～140m3/h的范围内变化，测定推力平衡室15内的流体压力与叶轮6一侧的排出压力之差、即残留推力。
在前述屏蔽电动泵的推力平衡装置中，前述均压部18的前述圆形截面积的总和A与前述环状沟17的开口面积B中的任何一个都比平衡孔10在基体8的开口面积总和大，而且均压部18的前述圆形截面积的总和A比环状沟17的前述开口面积B小。前述屏蔽电动泵以50Hz的交流电驱动。测定结果如图5所示。
如图5所示，前述屏蔽电动泵的排出流量在10～140m3/h的范围内时，残留推力几乎为零，推力平衡室15内的流体压力与叶轮6一侧的排出压力大致吻合。其中，
是表示实施例1所用的屏蔽电动泵流量与残留推力关系的曲线。
比较例1除了没有环状沟17与均压部18之外，其余结构均与实施例1相同的屏蔽电动泵(型号HN25E-F4)，在与实施例1相同的条件下，在相同的排出流量范围内，测定其残留推力，结果如图5所示。
如图5所示，前述屏蔽电动泵产生了从推力平衡室15向叶轮6方向的最大达70kgf左右的残留推力。其中，
是表示比较例1所用的屏蔽电动泵流量与残留推力关系的曲线。
本发明可以提供一种推力平衡性能优良的推力平衡装置。
本发明可以提供一种即使泵的排出量很大，推力平衡性能也仍然优良的推力平衡装置。
本发明可以提供一种即使是具有高速旋转叶轮的泵，其推力平衡性能也仍然优良的推力平衡装置。
权利要求
1．一种推力平衡装置，其特征是具有将形成于具有平衡孔、且装在旋转轴上的叶轮里面的环状圆筒体插入设置于机壳上的、具有圆筒形内周面的凹陷部，由前述圆筒体的外周面与前述凹陷部的圆筒形内周面之间的间隙形成的固定节流孔，由前述圆筒体的底面，该圆筒体的内周面，邻近前述圆筒体的内部空间、在机壳上突出形成的第1突出部向着前述底面且与其有一定间隔的面，以及比前述突出部更加突出、环绕旋转轴的环状第2突出部的外周面构成的推力平衡室，前述第2突出部向着叶轮里面的前端面与叶轮里面形成的可变节流孔，在前述第1突出部上形成的、环绕前述旋转轴的环状沟，及连通前述环状沟与前述凹陷部的均压部。
2．根据权利要求1所述的推力平衡装置，其特征是前述权利要求1所述的均压部与轴线垂直方向的截面积的总和以及前述权利要求1所述的环状沟在前述第1突出部上的开口面积中的任何一个，都大于前述权利要求1所述的叶轮所具有的平衡孔开口面积的总和。
全文摘要
本发明提供了一种推力平衡性能优良的推力平衡装置。该装置在机座上设有与推力平衡室连通的环状沟与均压部。
文档编号F04D29/18GK1232928SQ99105578
公开日1999年10月27日 申请日期1999年4月14日 优先权日1998年4月20日
发明者久保田康志 申请人:日机装株式会社