专利名称：多元复合涡旋式蒸汽泵的制作方法
技术领域：
多元复合涡旋式蒸汽泵，属于热工技术领域。是一种结构简单紧凑、体积小、重量轻、造价低、运行稳、寿命长、噪音低、特别是效率高，利用蒸汽的压力做功泵液(并可产生动力)的热工机械，可以做为蒸汽泵使用，也可以做为蒸汽机使用。
蒸汽锅炉的正常运行需要及时补充软水，因此，必须配备具有一定供水压力和一定供水量的水泵，该泵的运转，也需要大量电力。同时，蒸汽锅炉需要蒸汽泵备用于停电时对锅炉供水，以防缺水引起锅炉爆炸。现用的往复式蒸汽泵结构复杂，造价高(每台蒸汽泵上万元，每台锅炉配备两台蒸汽泵)，故障率高，维护费用高，寿命短。
尤其是热电厂锅炉，其电动给水泵是能耗最大的辅机，功率消耗约占主机容量的5～6％。由于它在产热产电过程中的重要性，流量、压力裕量设计得一般都偏大，按《电厂设计技术规范》的要求，给水系统除备用泵外，配套给水泵出口流量应为锅炉最大蒸发量的110％，出口压力为锅炉额定压力与管道压力损耗及高差之和的105％。此外，在计算管道阻力时还要加上10～20％的裕量，以及给水泵调节阀储备的压差。因此，在锅炉蒸发量最大时，给水泵出口压力也有很大的富裕，又由于用电用汽量的波动，给水泵大部分时间不能在其设计工作点上运行。热电厂的设备都是较大的设备，其锅炉的电动给水泵是节能潜力非常大的耗能设备。
直燃式溴化锂制冷机的运行需要电动泵将液体加压，整机的控制系统更是不能离开电网独立运行，节能潜力很大。
汽车、农机、铁路机车和大型舰船的发动机工作时排出大量的高温(800K左右)尾气，该热量的排放既浪费了能源，又造成了对环境的热污染，亟需适当的设备将尾气的余热回收利用，以产生动力。
由上述事实可见，蒸汽锅炉(包括电厂锅炉和工业锅炉)、直燃吸收式制冷机、动力机车(包括汽车、农机、铁路机车和大型舰船等)亟需一种利用低品味热能产生动力并泵送液体的动力——工作一体化机械。
本实用新型的任务是提供一种结构简单紧凑、体积小、重量轻、造价低、运行稳、寿命长、噪音低、特别是效率高，利用蒸汽的压力做功泵液(并可)产生动力的热工机械。
为完成上述任务，本实用新型的技术解决方案是多元复合涡旋式蒸汽泵，包括动盘总成(1)、静盘(2)、曲轴(3)、泵体(4)、限位辊(5)、一级气体膨胀动涡旋体(111)、二级气体膨胀动涡旋体(112)、液体增压正旋动涡旋体(121)、液体增压反旋动涡旋体(122)、动盘(13)、一级气体膨胀静涡旋体(211)、二级气体膨胀静涡旋体(212)、液体增压正旋静涡旋体(221)、液体增压反旋静涡旋体(222)、密封瓦(6)，其特征在于一根曲轴(3)动装一个或多个动盘总成(1)；一级气体膨胀动涡旋体(111)、二级气体膨胀动涡旋体(112)在曲柄周围成组设置，一级气体膨胀动涡旋体(111)、二级气体膨胀动涡旋体(112)、液体增压正旋动涡旋体(121)和液体增压反旋动涡旋体(122)的轴线与动盘(13)轴线平行地固装在动盘(13)上成为动盘总成(1)；动盘总成(1)的轴线与曲轴(3)轴线平行地以轴承动装在曲轴(3)的曲柄上，而且曲轴(3)的曲柄轴心通过动盘总成(1)的质心；静盘(2)固装于泵体(4)上；每一动盘(13)都有两个静盘(2)在其两侧对称地与之相配，一级气体膨胀静涡旋体(211)、二级气体膨胀静涡旋体(212)、液体增压正旋静涡旋体(221)和液体增压反旋静涡旋体(222)固装在静盘(2)上，与相应动盘总成(1)上的一级气体膨胀动涡旋体(111)、二级气体膨胀动涡旋体(112)、液体增压正旋动涡旋体(121)和液体增压后反旋涡旋体(122)密切配合；密封瓦(6)动装在各涡旋体的端部；曲轴(3)通过轴承动装于泵体(4)上；动盘(13)和静盘(2)上各有一组轴线平行于曲轴(3)轴线、动盘(13)和静盘(2)上相互对应的限位孔(131、23)，限位辊(5)就位于各自的限位孔(131、23)中起到限制动盘总成(1)只公转而不自转的作用以利于安装和调整；单动盘总成(1)的曲轴(3)则固装平衡锤(7)。
其第二个特点是一级气体膨胀动涡旋体(111)、二级气体膨胀动涡旋体(112)、液体增压正旋动涡旋体(121)及液体增压反旋动涡旋体(122)均为由关于其平隔板(1112、1122、1212、1222)的中心面对称的左、右涡旋体(111a和111b、112a和112b、1211a和1211b以及1221a和1221b)构成，且平隔板(1112、1122、1212、1222)上有一组直径小于涡旋体端部的密封瓦(6)宽度、轴线平行于涡旋体轴线的通孔(113、1213、1223)，以平衡左、右相对应的膨胀、泵液腔内的压力。
其第三个特点是液体增压正旋动涡旋体(121)与液体增压反旋动涡旋体(122)、液体增压正旋静涡旋体(221)与液体增压反旋静涡旋体(222)的旋向相反，并且均为一个半圆周(3π弧度)的渐开角，平隔板(1212、1222)上与相配涡旋体端部相应有一月牙形通孔，液体增压正旋动涡旋体(121)与液体增压正旋静涡旋体(221)、液体增压反旋动涡旋体(122)与液体增压反旋静涡旋体(222)相配合而成的一对泵液腔相互并联成为一级泵液单元，以消除泵液流速的突变而消除泵液振动，对于较高压力泵液要求的场合，使用多级这样的泵液单元串联以提高泵液压力。
其第四个特点是动盘(13)上的限位孔(131)径与其中限位辊(5)径之差和静盘(2)上的限位孔(23)径与其中限位辊(5)径之差的和等于动盘总成(1)的公转直径。
图1为动盘总成(1)的正、俯、仰视图。
图2为整机安装关系图。
图3、图4分别为左、右静盘(2)总成俯视图。
图5为二级气体膨胀动涡旋体(112)的主、俯视图。
图6为液体增压正、反旋动涡旋体(121、122)的轴向剖视图(二者形状、形位完全一样，只视安装的正、反而成为正旋动涡旋体(121)和反旋动涡旋体(122)。
图7为现有涡旋泵的流量(流速)角度关系C1(图7-a)与多元复合涡旋式蒸汽泵的流量(流速)角度关系C2(图7-b)。
图8为曲轴(3)和平衡锤(7)的位置关系图。
现有的涡旋泵，有一个动涡盘和一个静涡盘，其动、静涡盘的涡旋体是由基圆展开的渐开线而成的渐开柱面，渐开线的圈数为1.5圈。尽管它有效率高、制造成本低的优点，但是它在运行时产生明显的压力脉冲，机器振动大，无法在高速下运行。为减小或消除压力脉冲，在动、静涡盘的中心区各挖出类似半圆形的凹槽。实践证明，这对于减小压力脉冲只能够起到有限的作用，原因是其动、静涡盘的动、静涡旋体所构成的行程容积的变化，关于角度不是线性的，而是角度的二次函数，在曲轴作等速转动时，行程容积的变化速率即液体流速则是角度的一次函数，转动一个周期后，紧接着下一个周期的开始，这时行程容积的变化速率有一个突变，即流速有一个突变。因而不可能有效地消除压力脉冲。设A为行程容积，θ为动、静涡旋体接触位置的角度，dV/dt为行程容积的变化速率即液体流速，则计算如下 =A2+πa2θ2(1-δπa)+π2a2θ(1-δ2π2a2)]]>当δ=πa时，A=A2，取h为涡旋体的高度，则行程容积为V=Ah，因而流速为dVdt[2πa2θ(1-δπa)+π2a2(1-δ2π2a2)]dθdt=[2πa2θ(1-δπa)+π2a2(1-δ2π2a2)]ω]]>其中ω为曲轴的转速。可见，行程容积与角度有关，每个行程中行程容积的变化速率都有一个突变，即流速有一个突变。在较长的管路中流速发生如此突变，一定会产生类似水击的强烈振动效应，并不完全是由于液体流动通路狭窄的缘故。流速与角度的关系见图3-a。只有设法消除这种流速突变，才能从根本上解决这一问题。本实用新型所采用的两个旋向相反的泵液腔相互并联成为一级泵液单元工作的方案，圆满地解决了这一问题。两个泵液单元的流量(流速)“互补余缺”，总流速与角度无关，总流速与曲轴的转速成正比。流速与角度的关系见图3-b，压力较高时，则采用多级这样的泵液单元串联工作。
以下是与SHL10-13AⅡ型锅炉配套使用的FWQB10-13型多元复合涡旋式蒸汽泵的部分设计数据计算过程 =1.249853991×(1-116.8)0.8×1.31.3-1×[1-(216.8)1.3-11.3]V1=0.873755086·V1]]>其中κ为保险系数，Vg为高压蒸汽容积，V1为上水容积。
由以上与SHL10-13AⅡ型锅炉配套使用的FWQB10-13型多元复合涡旋式蒸汽泵的设计数据计算的例子可知具体制造时，是按照动力匹配的原则和动平衡的原则来确定气体膨胀涡旋体(11、21)、液体增压涡旋体(121、122、221、222)的高度，应当特别注意对气体膨胀涡旋体(11、21)外加一定的保险系数κ，因为所在蒸汽压力和泵送压力相等时，蒸汽压力越高，泵送液体的能力越小，即泵送的液体量越小，故保险系数κ是一个非常重要的系数，一般应取κ＞1.15。
多元复合涡旋式蒸汽泵的工作原理是高压蒸汽进入一级气体膨胀动涡旋体(111)、二级气体膨胀动涡旋体(112)和一级气体膨胀静涡旋体(211)、二级气体膨胀静涡旋体(212)构成的膨胀腔之后开始膨胀对外做功，驱动在各动、静涡旋体和限位辊(5)共同限制下的动盘总成(1)绕曲轴(3)的轴心做不自转的公转，这时液体增压正旋动涡旋体(121)和液体增压反旋动涡旋体(122)便作同步运动，液体增压正旋动涡旋体(121)与液体增压正旋静涡旋体(221)以及液体增压反旋动涡旋体(122)与液体增压反旋静涡旋体(222)所构成的泵液腔同时作有规律的变化，由于二者旋向相反，泵液速率大小互补，使总泵液速率成为曲轴转速的一次函数(二者成正比)，从而从根本上消除了泵液的压力脉冲；限位辊(5)与动、静涡盘以及各动、静涡旋体之间的相互限制作用，保证了动盘总成(1)的平动——绕曲轴(3)的轴心做不自转的公转，限位辊(5)与动、静涡盘之间的相互限制作用，也方便了各零、部件的安装和调整；做功之后的乏汽凝入源水一起被加压，从而蒸汽的能量完全得以利用；工作过程中，密封瓦(6)起到了消除各动、静涡旋体之间轴向热应力和冷间隙的作用；各动涡旋体(11、121、122)的平隔板(112、1212、1222)上的通孔(113、1213、1223)，随时平衡了左、右相对应的膨胀、泵液腔内的压力；对于多级泵液单元相互串联的多动盘多元复合涡旋式蒸汽泵，泵液压力得到了相应的提高。
多元复合涡旋式蒸汽泵一个动盘上既有气体膨胀涡旋体，又有泵液正、反涡旋体和一根曲轴可装设多个动盘的显著特点，决定了有其先天性的体积小、重量轻(约为同类设备的1/2)、造价低(约为同类设备的80％)、运行稳(无压力脉冲)、寿命长(为同类设备的3倍以上)、噪音低、特别是效率高的显著优点；乏汽凝入源水一起被加压，蒸汽的能量完全得以利用；替代电动泵工作，可大幅降低运行费用；它可广泛地用于包括电站锅炉的各型蒸汽锅炉的上水和各型直燃式吸收制冷机的泵液，减小液体增压涡旋体的高度之后，可作为微小型蒸汽机用于各种需要的场合。
权利要求1．多元复合涡旋式蒸汽泵，包括动盘总成(1)、静盘(2)、曲轴(3)、泵体(4)、限位辊(5)、一级气体膨胀动涡旋体(111)、二级气体膨胀动涡旋体(112)、液体增压正旋动涡旋体(121)、液体增压反旋动涡旋体(122)、动盘(13)、一级气体膨胀静涡旋体(211)、二级气体膨胀静涡旋体(212)、液体增压正旋静涡旋体(221)、液体增压反旋静涡旋体(222)、密封瓦(6)，其特征在于一根曲轴(3)动装一个或多个动盘总成(1)；一级气体膨胀动涡旋体(111)、二级气体膨胀动涡旋体(112)在曲柄周围成组设置，一级气体膨胀动涡旋体(111)、二级气体膨胀动涡旋体(112)、液体增压正旋动涡旋体(121)和液体增压反旋动涡旋体(122)的轴线与动盘(13)轴线平行地固装在动盘(13)上成为动盘总成(1)；动盘总成(1)的轴线与曲轴(3)轴线平行地以轴承动装在曲轴(3)的曲柄上，而且曲轴(3)的曲柄轴心通过动盘总成(1)的质心；静盘(2)固装于泵体(4)上；每一动盘(13)都有两个静盘(2)在其两侧对称地与之相配，气体膨胀静涡旋体(21)、液体增压正旋静涡旋体(221)和液体增压反旋静涡旋体(222)固装在静盘(2)上，与相应动盘总成(1)上的一级气体膨胀动涡旋体(111)、二级气体膨胀动涡旋体(112)、液体增压正旋动涡旋体(121)和液体增压后反旋涡旋体(122)密切配合；密封瓦(6)动装在各涡旋体的端部；曲轴(3)通过轴承动装于泵体(4)上；动盘(13)和静盘(2)上各有一组轴线平行于曲轴(3)轴线、动盘(13)和静盘(2)上相互对应的限位孔(131、23)，限位辊(5)就位于各自的限位孔(131、23)中起到限制动盘总成(1)只公转而不自转的作用以利于安装和调整。
2．根据权利要求1所述多元复合涡旋式蒸汽泵，其特征在于一级气体膨胀动涡旋体(111)、二级气体膨胀动涡旋体(112)、液体增压正旋动涡旋体(121)及液体增压反旋动涡旋体(122)均为由关于其平隔板(1112、1122、1212、1222)的中心面对称的左、右涡旋体(111a和111b、112a和112b、1211a和1211b以及1221a和1221b)构成，且平隔板(1112、1122、1212、1222)上有一组直径小于涡旋体端部的密封瓦(6)宽度、轴线平行于涡旋体轴线的通孔(113、1213、1223)，以平衡左、右相对应的膨胀、泵液腔内的压力。
3．根据权利要求1所述多元复合涡旋式蒸汽泵，其特征在于液体增压正旋动涡旋体(121)与液体增压反旋动涡旋体(122)、液体增压正旋静涡旋体(221)与液体增压反旋静涡旋体(222)的旋向相反，并且均为一个半圆周(3π弧度)的渐开角，平隔板(1212、1222)上与相配涡旋体端部相应有一月牙形通孔，液体增压正旋动涡旋体(121)与液体增压正旋静涡旋体(221)、液体增压反旋动涡旋体(122)与液体增压反旋静涡旋体(222)相配合而成的一对泵液腔相互并联成为一级泵液单元，以消除泵液流速的突变而消除泵液振动。
4．根据权利要求1所述多元复合涡旋式蒸汽泵，其特征在于动盘(13)上的限位孔(131)径与其中限位辊(5)径之差和静盘(2)上的限位孔(23)径与其中限位辊(5)径之差的和等于动盘总成(1)的公转直径。
专利摘要多元复合涡旋式蒸汽泵,包括:气体膨胀涡旋体、液体增压正、反涡旋体、限位辊等;其一个动盘上既有气体膨胀涡旋体,又有泵液正、反涡旋体的显著特点,决定了有其体积小、重量轻、造价低、运行稳(无压力脉冲)、寿命长、噪音低、特别是效率高的显著优点;乏汽凝入源水一起被加压,蒸汽的能量完全得以利用;它可替代电动泵广泛地用于各型蒸汽锅炉的上水和各型直燃式吸收制冷机的泵液,也可作为微小型蒸汽机用于各种需要的场合。
文档编号F04C2/00GK2433423SQ0021407
公开日2001年6月6日 申请日期2000年4月10日 优先权日2000年4月10日
发明者吕孟让 申请人:吕孟让