用于离心泵的叶轮、离心泵及其使用

文档序号:9286256阅读:492来源:国知局
用于离心泵的叶轮、离心泵及其使用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于离心栗的叶轮、一种离心栗及其使用。本发明特别涉及一种 用于离心栗的新的闭式叶轮结构。利用本发明的叶轮的离心栗适于栗送清洁的液体和包含 固体的液体,例如浆料和纸或板材工业的纤维悬浮液。
【背景技术】
[0002] 节能,换言之效率,现今正在变成各种机器和机器元件(包括离心栗和它们的叶 轮)的开发和设计中的一个越来越重要的因素。一直以来已知的事实是,离心栗的叶轮承受 它栗送的流体的功没有被完全转换成动能和/或势能,而是它的一部分被浪费在发生于流 体与旋转的叶轮和静止的栗蜗壳或静止的蜗形壳二者之间的现象中。尤其,这样的现象包 括流体与叶轮和栗蜗壳二者的表面之间的表面摩擦以及叶轮和蜗形壳之间的各种泄漏流 等。
[0003] 几年前欧盟也已考虑到栗送的能源方面,当时他们为设定用于能源相关产品的生 态设计要求建立了框架。在2012年,欧盟委员会已经引入了用于电动机系统中所用的产品 (例如水栗)的实施措施。根据欧盟调研,形成电动机系统的部件的水栗在各种栗送过程中 是基本的,并且存在将这些栗送系统的能量效率改进大约20%至大约30%的总成本效益 的潜力。即使主要的节约能够通过电机实现,使用高能效的栗也是有助于这种改进的因素 之一。因此,水栗是优先级产品,应当建立针对水栗的生态设计要求。
[0004] 所以,欧盟已给栗的制造商设定目标,以制造具有作为栗的比转数的函数的特定 效率的栗。图1示意性地图示了相对于比转数的两种效率曲线,并且图2示意性地图示了 比转数及其与基本栗构建的关系。图2实际上教导的是,比转数越高,栗的容量就越大。换 言之,小尺寸的栗具有较低的比转数。
[0005] 比转数(ns)指通过压头(H)、流量(Q)和速度(n)来表征栗的叶轮的形状的一维 值。比转数通过使用下式来计算:
?压头(H)指栗在指定的操作点处产生的以米[m]为单位的水的液压能的增长, ?转速(n)指轴的每分钟转数[rpm], ?流量(Q)指通过栗的流体的体积流率[m3/s],以及 ?最佳效率点(BEP)指栗的特定操作点,在所述操作点处,所述栗处于利用清洁的冷水 测量的最大液压栗效率。
[0006] 还有一个需要指定的变量,即液压栗效率或仅仅是效率(n),其是在液体穿过栗 通过期间转移到所述液体的机械功率和在所述栗的轴处传送到所述栗的机械输入功率之 间的比率。
[0007] 现在返回到图1,实线曲线A示出了欧盟所要求的效率,并且虚线曲线B示出了一 系列具有半开式叶轮的现今的栗的效率。一系列栗是指具有相同的基本构建但不同的容量 /流量的栗,所述不同的容量/流量被设计成覆盖客户的差不多所有栗送需要(鉴于流量)。 值得注意的是,对于栗系列的操作范围(比转数)中的大部分而言,半开式叶轮具有远高于 欧盟要求的效率。但是,在比转数范围的低端处,效率曲线B落到欧盟曲线A之下。
[0008] 因此,看来为了满足欧盟的要求,必须改进具有低比转数的栗的效率。由于上文中 已解释了表面摩擦和泄漏流二者明显都是栗送效率降低的原因,所以必须更详细地考虑它 们。
[0009] 为了栗送纯净的水,使用具有闭式叶轮、具有与工作叶片相对的光滑面的盖板以 及耐磨环的离心栗也已是惯例。但是,由于离心栗的比转数与效率相关联,所以当研究具有 低比转数的栗时,现在已理解的是,它们因两个对效率具有相对较高影响的叶轮相关的因 素而具有较低的效率。第一因素是通过耐磨环的相对于总流量而言较高的泄漏流量。并且 第二因素是相对于栗所用的总功率在盖板的光滑面上浪费的能量。
[0010] 在开式叶轮的情况下,由于在叶片的侧边缘和蜗形壳的壁之间必须有一定的运行 间隙,所以泄漏流出现在叶轮叶片的相反的侧边缘处,由此要栗送的流体的一部分能够经 由这样的间隙从在前的叶片腔传送到在后的叶片腔。
[0011] 在半开式叶轮的情况下,上述泄漏流仅出现在叶轮的一侧上,因为在另一侧(通常 为叶轮的后侧)处,工作叶片被附接到叶轮的后盖板,也称为毂。但是,在半开式叶轮中还可 以找到另一种类型的泄漏流,这是由于栗送的流体在叶轮的后盖板的径向外边缘处具有这 样的高压力,以至于它能够施力使流体绕过叶轮的周界到达后盖板和蜗形壳的后壁之间的 叶轮的后侧。
[0012] 在闭式叶轮(即,具有紧固到工作叶片的后侧边缘和前侧边缘的后盖板和前盖板 二者的叶轮)的情况下,自然地防止了绕过工作叶片的侧边缘的泄漏流,但绕过盖板的径向 外边缘或径向外周界的泄漏流是事实。
[0013] 基于一方面对欧盟要求以及另一方面对具有低比转数的栗的属性和构建的进一 步考虑现在已教导,小尺寸的半开式叶轮的效率要改进到如下程度是非常困难的,如果不 是不可能的,即:所述效率将在图1中所示的欧盟曲线A之上。因此,所述考虑导致在比转 数范围的低端处使用闭式叶轮。
[0014] 在闭式叶轮中,封闭工作叶片的侧边缘不仅产生绕过一个或多个盖板的一个或多 个径向外周缘的泄漏流,而且还使一个或多个盖板的与工作叶片相反的一个或多个面经受 栗送流体的压力。在盖板的后侧处的压力分布是抛物线型的,即在叶轮的外周界处处于它 的最高值,当从那里朝向叶轮的轴移动时,压力逐渐减小。由于后盖板的整个区域都经受 流体压力,所以在半开式叶轮和闭式叶轮的情况下,所述压力都产生朝向栗的入口推叶轮 的轴向推力。因为在半开式叶轮中没有如在闭式叶轮中所述压力能够作用到其前侧的前盖 板,所以所述轴向推力在半开式叶轮中比在闭式叶轮中明显要大。但是,在两种叶轮类型 中,都需要使叶轮平衡,使得栗的轴的轴承不会经受过高的轴向负载。此外,在没有任何措 施的情况下,所述压力影响轴的密封,并且必须进行限制以便防止密封变差。所述轴向力通 过将栗出叶片布置到盖板的背面来平衡,其目的在于增加进入盖板后侧的流体的速度,使 得它的压力降低。因此,所述后栗出叶片作用有点像叶轮的工作叶片。然而,由于它们通常 要小得多,所以它们产生的压力无法克服工作叶片产生的压力。替代的是,后栗出叶片仅仅 作用于将那个排出压力减弱至吸入压力和排出压力之间的值。影响在后盖板的后侧处的压 力的另一项措施是给在轴附近的盖板提供穿过盖板延伸的孔,通过这些孔能够平衡所述压 力。
[0015] 在闭式叶轮的前侧处,状况是不同的。因为由于如下事实,即:与工作叶片相反 的前盖板面的面积比与工作叶片相反的后盖板面的面积要小得多,没有理由去试图降低压 力,所以无需对抗压力,这是后栗出叶片的主要任务之一。所述盖板的正面必须配有使绕过 叶轮的周界到达前盖板的前侧的泄漏流最小化的装置。在它最坏的情况下,存在通过叶轮 的前盖板和蜗形壳之间的缝隙从叶轮的压力侧回到叶轮的吸入侧的相当大量的再循环泄 漏流。这样的泄漏流耗费了用于栗送的大量能量,由此叶轮的效率显著降低。存在两种可 以控制泄漏流的方式,即通过在叶轮和蜗形壳之间布置密封件,最常称为耐磨环,或通过在 前盖板的正面上(即,在与工作叶片相反的面上)布置前栗出叶片。
[0016] 基本上当作滑环密封件起作用的耐磨环有效地限制试图循环回到叶轮的吸入侧 的排出流体的量。耐磨环为处理清水或偶尔处理轻质固体的应用提供了胜任的解决方案。 但是,由于耐磨环具有一定的操作间隙,所以当所述间隙变得过大时,必须更换耐磨环。静 止的耐磨环面和旋转的耐磨环面之间的紧密间隙所产生的流动限制引起非常高的局部速 度,并且因此引起较高的磨损率。如果要栗送的流体包含磨料颗粒,则因为耐磨环经受非常 高的流速,即使当它们由硬质材料制成时或当已考虑到磨损而对它们的表面特别处理时, 它们也将具有不可接受的短使用期限。因此,当栗送包含固体的液体时,使用耐磨环是不可 取的。
[0017] 栗出叶片为处理磨料固体提供了更好的替代方案。使用这样的栗出叶片从浆料栗 (例如,US-A1-20090226317中所讨论的那些浆料栗)是已知的。栗出叶片通过栗送动作来 控制泄漏,所述栗送动作产生压头以防止或至少对抗从叶轮的外部高压外围出口径向向内 到叶轮和蜗形壳之间的
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