用于立式泵的排放头和立式泵的制作方法

本发明涉及根据相应的装置独立权利要求的前序部分的用于立式泵的排放头和立式泵。

背景技术：

立式泵已经成功地用于多种应用很长时间了。用于特定应用的立式泵通常根据使用者的具体要求被制造或者详细匹配特定需求。立式泵可被设计成单级泵和多级泵。它们通常浸入待泵送的液体容器中，从而使得至少纳入或吸入喇叭口与邻接的泵转子被浸入到待泵送的流体中，由此泵直接准备好进行操作。

立式泵的一个越来越重要的使用领域是利用太阳能系统，尤其是利用聚光太阳能（CSP）系统产生能量。这些系统使用反射镜或透镜将在大区域中收集的阳光聚集到小区域上，在该处，阳光加热传热流体（HTF），所述传热流体用于例如产生用于驱动发电机的涡轮机的蒸汽。目前，一种优选的传热或储热流体是熔盐。

这种CSP系统的典型设置包括将阳光聚集到中心塔顶部的多个太阳能收集器。存在用于熔盐的至少两个罐，即，冷罐和热罐。冷罐中的熔盐具有例如高至350℃的温度。熔盐从冷罐被泵送至中心塔顶部，在该处它被阳光加热，然后被移动到热罐，在该处熔盐通常具有高至600℃的温度。如果需要的话，热罐中的熔盐可存储上至若干天，而不会显著损失存储的热量。为了产生电力，将熔盐从热罐移动至例如蒸汽发生器，蒸汽发生器将热量从熔盐传递到水，以便产生蒸汽，蒸汽继而驱动与发电机连接的蒸汽涡轮机，以产生电能。熔盐从蒸汽发生器返回冷罐。

为了在这种CSP系统中传送熔盐，使用立式泵，立式泵被安装到罐的盖上并且向下延伸到熔盐中。立式泵的典型设置包括具有入口和叶轮的泵送单元，叶轮用于传送熔盐并且浸入到熔盐的容器中。泵送单元通常连接到罐的盖，或连接到罐处的支撑结构，从而使得叶轮可浸入罐内的熔盐中。在罐的盖之上，安装有立式泵的排放头，排放头具有用于流体（即，熔盐）的出口。在排放头之上，设置有用于驱动轴的轴向轴承单元以及用于驱动叶轮的驱动单元。驱动单元通过驱动轴操作性地连接到叶轮，所述驱动轴在被布置在排放头和叶轮之间的管内延伸。

高温和熔盐的特性是合适地设计立式泵的大挑战。为了解决环境、安全和维修问题，用于熔盐的立式泵通常被设计成无密封泵。无密封泵不使用填料密封件或机械密封件来防止过程流体，例如熔盐，泄漏到环境中，而是使用本领域已知的其他方法，例如，使用密封流体。因此，在无密封立式泵中，不存在与熔盐接触的填料密封件和机械密封件。

另一个挑战是与环境温度和热瞬变相比相当大的热应力，该热应力是由熔盐的高至600℃的高温产生的。通常，用于熔盐的罐中的立式泵不会连续地排放熔盐，而是具有特别依赖阳光的可获得性的工作周期。因此，可能的是，立式泵空转若干小时，从而使得泵头部通过向环境放出热量而冷却下来。然后，泵的重新启动导致对排放头的热冲击。在另一方面，在操作期间，当泵的部件与熔盐处于热平衡时，在泵的既暴露于熔盐温度也暴露于环境温度的那些零件上产生大的温度梯度。这些作用在立式泵的部件上产生相当大的热负荷。

本发明解决了由立式泵所传送的流体和立式泵的环境之间的高温度差导致的这些问题。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提出特别适合传送温度显著不同于环境温度的流体的用于立式泵的新排放头和立式泵。特别地，排放头和立式泵应该尤其适于传送很热的流体，如高至600℃的熔盐。

本发明的满足此目的的主题由相应的独立权利要求的特征来描绘。

因此，根据本发明，提出一种用于立式泵的排放头，其包括：用于安装所述排放头的基板；顶板；将所述基板与所述顶板连接在一起的至少一个支撑构件；用于输送流体的具有出口的排放管道，所述排放管道延伸穿过所述基板；以及用于接纳轴的内管，所述轴将驱动单元与所述立式泵的叶轮连接在一起，其中，所述内管沿轴向方向延伸并且在所述基板的区域中在所述排放管道内同轴地延伸，在交叉位置处穿过所述排放管道的壁，并且进一步延伸至所述顶板，其中，所述内管包括位于所述交叉位置和所述顶板之间的波纹管构件。

本发明具体基于以下发现，即，尤其是内管的位于该内管穿过排放管壁的交叉位置和该内管与顶板连接的连接位置之间的部段被暴露于可致使内管弯曲的很高的热应力下。这种弯曲对内管与排放管的连接和内管与顶板的连接都具有很大应变。此外，所述弯曲还可导致其他部件（如基板、顶板和支撑构件）变形。通过在交叉位置和顶板之间设置波纹管构件，显著地释放了这种应变。波纹管构件的作用之一是其补偿了部件的不同热膨胀并由此显著减小了排放头中因温度差和热瞬变导致的高应力。已经发现，即使在经受由从泵的空转操作转变到传送操作（反之亦然）而导致的许多次热循环的情况下，根据本发明的排放头也具有显著增加的寿命。

根据优选实施例，所述波纹管构件牢固地连接到所述顶板，例如通过焊接。

有利地，波纹管构件在所述交叉位置和所述顶板之间的距离的至少一半上延伸，因为这使得能够很好地补偿不同的热膨胀。

此外，已经发现，对减小热应力有利的是，所述排放管道具有沿所述轴向方向延伸的竖直部段，与竖直方向垂直地延伸的水平部段，以及将所述竖直部段与所述水平部段连接在一起的中间部段。

从结构上看，所述中间部段优选相对于所述轴向方向以约45°的角度延伸。

用于减小热应力的另一个优选措施是，所述至少一个支撑构件具有处于与所述轴向方向平行的平面中的主延伸部分。显然，支撑构件的这种定向在热性能方面优于径向定向，径向定向时支撑构件沿径向方向延伸，即，垂直于轴向方向。

为了向顶板提供更坚固和均匀的支撑，实施例优选具有多个支撑构件，其中，每个支撑构件具有处于与所述轴向方向平行的平面中的主延伸部分。

用于减小热应力的另一有利措施是，提供用于所述排放管道的排放支撑件，所述排放支撑件牢固地连接到所述基板，并且具有处于与所述轴向方向平行的平面中的主延伸部分。

优选地，所述排放支撑件不接触所述顶板，以避免顶板和排放支撑件之间的直接热传递。

为减小热应力，更优选的是，所述排放支撑件仅连接到所述基板和所述排放管道的所述水平部段。

根据优选实施例，排放头具有终止于所述内管中用于将密封介质供应到所述内管的供应管路。通过向内管提供密封介质，确保了立式泵所传送的流体不能穿过内管，例如向上到达填料函或轴向轴承。

此外，本发明提出了一种用于传送流体的立式泵，其包括：具有入口和用于传送所述流体的叶轮的泵送单元；用于所述流体的具有出口的排放头；用于旋转所述叶轮的驱动单元；沿轴向方向延伸并且将所述驱动单元与所述叶轮连接在一起的轴，其中，根据本发明设计所述排放头。

在优选实施例中，立式泵具有轴向轴承单元，所述轴向轴承单元具有用于所述轴的轴向轴承，其中，所述轴向轴承被安装到所述排放头的所述顶板，并且其中，马达单元被安装到所述轴向轴承单元。

由于根据本发明设计的排放头，立式泵优选被设计用于传送至少250℃的热流体，具体是用于传送熔盐。

根据优选应用，立式泵被设计成并且适合被安装到太阳能系统中用于熔盐的罐，或被安装到所述罐处的支撑结构。以使得立式泵可被安装在罐上方并且立式泵的轴延伸到罐中的方式来设计支撑结构。

在从属权利要求中，本发明的其他有利措施和实施例将变得显而易见。

附图说明

下面将参照附图更详细地解释本发明。在示意图中示出了：

图1：根据本发明的排放头的实施例的立体剖视图，

图2：根据本发明的立式泵的实施例的剖视图，

图3：图2所示的立式泵的排放头的放大剖视图，以及

图4：图2所示的立式泵的排放头的顶视图。

在附图中，相应的相同零件或具有相同功能或大体相同的功能的零件由相同的附图标记表示。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的用于立式泵的排放头的实施例的立体剖视图。排放头整体上由附图标记10表示。图2示出了根据本发明的立式泵的实施例的剖视图，立式泵整体由附图标记1表示并且包括根据本发明的排放头10。

在以下描述中，作为示例来参考所述重要的应用，即，立式泵被设计成并且适合用于太阳能系统，该太阳能系统是相应地利用熔盐作为传热流体（HTF）或作为热存储流体的聚光太阳能（CSP）系统。更具体地，在本例子中，立式泵被安装到用于熔盐的罐，例如，安装到罐的盖，并且将熔盐从罐传送到聚光太阳能系统的其他位置。当然，立式泵也可被安装到罐处的支撑结构，尤其是安装到位于罐上方的支撑结构，从而使得立式泵可被安装在罐上方，以便延伸到罐中。

自不待言，本发明不受限于此例子，而是可用于许多不同的应用，尤其是其中立式泵用于传送温度显著不同于环境温度的流体的那类应用。根据本发明的排放头和立式泵尤其适合用于传送很热的流体，如高至600℃及甚至更高的熔盐。

由于这样的立式泵是现有技术中众所周知的，因此在以下描述中仅详细描述对于理解本发明而言所必需的那些部件。

图1所示的用于立式泵的排放头10的实施例包括：基板11，其用于将排放头10安装到例如用于熔盐的罐100的盖101（见图2）；以及顶板12，其被设计成与基板11平行的圆盘。至少一个支撑构件13将基板11和顶板12连接在一起，为顶板12提供支撑。在排放头10的本实施例中，提供了多个，即三个，支撑构件13，图1描绘了其中两个。

排放头10还包括具有出口16的排放管道15，用于从罐100排放流体，这里是熔盐。排放管道15延伸穿过基板11并且具有斜接设计，该斜接设计包括沿竖直方向延伸穿过基板11的竖直部段151，垂直于竖直部段151在基板11和顶板12之间延伸的水平部段152，以及将竖直部段151与水平部段152连接在一起的中间部段153。出口16位于水平部段152的端部处。

此外，排放头10包括用于接纳轴4（见图2）的内管17，轴4将驱动单元3与立式泵1的叶轮21连接在一起。内管17沿轴向方向A延伸，轴向方向A被定义为叶轮21在操作期间围绕着其旋转的轴线。在立式泵1的一般操作位置中，即，图2所示的竖直方位，轴向方向A与竖直方向重合。在下文中，关于位置的相对用语，如“上方”或“下方”以及用语“水平”和“竖直”都参考图2所示的此操作位置。

内管17沿轴向方向A延伸，并且在基板11的区域中在排放管道15的竖直部段151中同轴地延伸。在交叉位置18处，内管17穿过排放管道15的壁，进一步沿轴向方向A延伸至顶板12，并在其中心穿过顶板12。内管17牢固地连接到顶板12，例如通过焊接。此外，在交叉位置18处，内管17牢固地连接到排放管道，优选通过焊接。在基板11下方，内管17设置有两个返回管路20，每个管路与轴向方向A基本垂直地从内管17分支出。每个返回管路20首先垂直于轴向方向延伸，然后向下弯曲成沿轴向方向A。返回管路20的功能是使内管17中向上流动的熔盐的泄漏流返回罐100。

内管17与排放管道15的交叉位置18位于排放管道的中间部段153中。中间部段153相对于轴向方向A以约45°的角度在排放管道15的竖直部段151和水平部段152之间延伸。

根据本发明，内管17包括位于交叉位置18和顶板12之间的波纹管构件19。通过波纹管构件19，内管17能够改变其沿轴向方向A在交叉位置18和顶板12之间的延伸。这容许补偿部件（如内管17、排放管道15或顶板12）的不同热膨胀，因此显著减小操作期间在排放头10中产生的热应力。在操作期间，排放头10暴露于很强的热冲击下，例如当将立式泵1从不排放熔盐的空转操作改变至通过排放管道15排放熔盐的传送操作时。此外，排放头10在操作期间暴露于大的温度梯度，这是因为，一方面温度高至600℃或甚至更高的热熔盐流过排放管15并且接触内管17，另一方面内管17、基板11和顶板12暴露于罐100外的环境温度。通过容许内管17改变其沿轴向方向的长度，可以成功地避免内管17经历弯曲或径向方向（即，垂直于轴向方向A）上的局部移位。除顶板12和支撑构件13之外，这种弯曲也会在尤其是交叉位置18上施加额外的应力。

优选地，波纹管构件19被固定到顶板12。这可通过焊接或适于提供波纹管构件19与顶板12的牢固连接的任何其他方法实现。形成内管17的壁的一部分的波纹管构件19优选由金属材料制成，例如适合内管17中产生的高温的合金。适合用于波纹管构件19的材料是本领域已知的，并且包括例如钢，如奥氏体钢。

为了使得能够特别有效地补偿不同的热膨胀，波纹管构件19沿轴向方向A的长度L（见图3）至少是交叉位置 18和顶板13之间的距离的一半。如图1和图3所示，波纹管构件19还可在顶板12的下表面和交叉位置18之间的几乎整个距离上延伸，从结构的观点来看，延伸得尽可能远。

减小排放头10中的热应力的另一优选措施是支撑构件13的定向。如在图1和图4中可见的，每个支撑构件13具有处于与轴向方向A平行且分隔开的平面中的主延伸部分E。因此，如在图4中最佳可见的，每个支撑构件13相对于排放管道15的竖直部段151沿周向方位布置，而非沿径向方位。

具有三个基本相同的支撑构件13（见图4），其中每个将基板11和顶板12连接在一起，并且其中每个相对于排放管道15的竖直部段151沿周向定向，即，每个支撑构件13具有处于与轴向方向A平行且与轴4的旋转轴线分隔开的平面中的主延伸部分E。

优选地，支撑构件13围绕内管17（或排放管道15的竖直部段151）等距地布置，以便为顶板12提供坚固和均匀的支撑。由于顶板12可用作竖直泵1的轴向轴承和/或驱动单元3所用的架座，因此它必须承载相当大的负荷并因此需要可靠的支撑。

通过周向地定向支撑构件13，减少了在泵1的操作期间暴露在非常不同的温度下的部件之间的热传递，这也致使热应力减小。

排放头10还包括用于排放管道15的排放支撑件14，排放支撑件14牢固地连接到基板11并且为排放管道15的水平部段152提供支撑。排放支撑件14被设计成具有中心开口的板状构件，所述中心开口用于接纳排放管道15并且用于紧密地配合围绕排放管道的整个圆周。这可通过以下方式实现，例如通过将排放支撑件14焊接到排放管道15，或通过将排放支撑件设计成两部分式构件，而两个部分通过螺钉或螺栓固定到彼此，由此提供排放支撑件14和排放管道之间的牢固连接。

与支撑构件13一样，板状排放支撑件14也相对于内管17沿周向定向，即，它具有处于与轴向方向A平行的平面中的主延伸部分。为了最小化排放头10的部件之间的热传递，排放支撑件14优选不接触顶板12。这可通过使排放支撑件14与轴4的旋转轴线之间的距离大于顶板12的直径来实现。最优选地，排放支撑件14仅连接到基板11和排放管道15的水平部段152，而不连接到排放头的其他部件。

如已经说过的，图2示出了根据本发明的立式泵1的实施例的剖视图，立式泵1包括根据本发明的排放头10。可如前所述地设计排放头10。图2至图4中的附图标记具有与已经解释的含义相同的含义。

图3示出了图2中的立式泵1的排放头10的放大剖视图，并且图4示出了图3所示的立式泵1的排放头10的顶视图。

用于传送流体（例如，熔盐）的立式泵1包括泵送单元2，泵送单元2具有用于熔盐的入口22和用于传送熔盐的至少一个叶轮21。立式泵1可以被设计成仅具有一个叶轮21的单级泵或被设计成多级泵1，在多级泵中，泵送单元2包括相对于轴向方向A一个被布置在另一个后面的若干个叶轮21。在根据图2的实施例中，竖直泵1被设计成具有六个叶轮21的多级泵1。

立式泵1还包括：具有用于熔盐的出口16的排放头10，用于驱动泵送单元2的叶轮21的驱动单元3，将驱动单元3与叶轮21操作性地连接在一起以便旋转叶轮21的轴4，也被称作动力轴（line shaft）。轴4可以是单个零件，或者它可由通过一个或多个耦接件连接在一起的两个或更多个轴部分构成。

立式泵1被安装到用于熔盐的罐100。在图2中仅象征性地指出了罐100及其盖101。

安装可以按以下方式执行：具有叶轮21的泵送单元2例如通过螺钉或螺栓被安装到罐100的盖101的内表面，并且从该处自由地下垂至罐100内。排放头10的基板11被安装到罐100的盖101的外表面。基板11可以是单独的零件，其通过使螺钉孔23（见图4）接纳螺栓或螺钉被安装到盖101。盖101可以是单独的零件，或者它可以是罐100整体的一部分。

因此，立式泵1的排放头10位于罐100外，并且泵送单元2位于罐100内，从而使得泵送单元的入口22在操作期间浸入熔盐中。

排放头10的排放管道15连接到沿轴向方向延伸并且与最后一个叶轮22的出口流体连通的出口管道7，也被称作柱体。排放管道和出口管道7之间的连接可通过螺钉和螺栓实现。排放头10的内管17在排放管道15的竖直部段151内延伸并且围绕轴4。内管17终止于返回管路20的孔口下方。

立式泵1还包括具有至少一个轴向轴承61的轴向轴承单元6，用于相对于轴向方向对轴4进行轴颈支承。轴向轴承单元6被安装到排放头10的顶板12并由其支撑。顶板12包括用于将轴4从排放头10引导至轴向轴承单元6的填料函62。以本领域已知的方式设计填料函62。

驱动单元3，例如电动马达，被安装在轴向轴承单元之上。

立式泵1被设计成所谓的无密封泵。无密封泵不使用填料密封件或机械密封件来防止过程流体，即熔盐，散逸到环境中，而是使用本领域已知的其他方法，例如，使用密封流体。因此，在无密封立式泵中，不存在会与熔盐接触的填料密封件和机械密封件。为了避免例如填料函62或轴向轴承61与熔盐发生任何接触，内管17包括上文已经描述的两个返回管路20，以使沿轴4向上的熔盐的任何泄漏流返回罐100。

此外，排放头10包括终止于内管17中的供应管路24，用于将密封介质，例如氮气，供应到内管17。如在图2和图3中最佳可见的，供应管路24终止于内管17中的孔口位于交叉位置18（内管17在该处穿过排放管道15的壁）和内管17的波纹管构件19之间。供应管路24可与密封流体的容器连接，以便将密封流体输送到内管。密封流体进入内管17并且在返回管路20上游堵住了熔盐的通道。因此，沿轴4向上的熔盐的任何泄漏流都被施力以进入到返回管路20中。在氮气作为密封介质或密封流体的情形中，通过供应管路24在高至足以防止熔盐到达内管17的压力下将氮气供应到内管17。

在立式泵1的操作期间，罐100中的熔盐通过立式泵下端处的入口22进入泵送单元2，并且经由叶轮21被传送通过出口，进入出口管道7，然后通过排放头10的排放管道15到达出口16。出口16与将熔盐导引至期望位置的管道（未示出）连接在一起。

为了减小立式泵1的排放头10中的热负荷或热应力，还可以分配有波纹管构件19，并且以上文描述的方式仅提供支撑构件13或以上文描述的方式仅提供排放支撑件14或如上文描述地提供支撑构件13和排放支撑件14的组合。