具有锯齿状的叶轮的离心泵的制作方法

本发明总体上涉及离心泵及其相关联的部件，并且更具体地涉及离心泵的叶轮。

背景技术：

叶轮是离心泵的旋转部件，该离心泵通过使从旋转中心向外的流体加速而将来自驱动泵的动力源的能量传递到被泵送的流体。当输出运动被泵壳限制时，叶轮的速度转化为压力。典型地，叶轮包括位于泵入口处的中心毂或中心眼以及径向地推进流体的多个叶片。中心毂通常包括轴向孔或开口，该轴向孔或开口可以被花键联接以接收花键驱动轴。

离心泵的挑战之一是通过在泵的变化流率下在泵的输出处提供大体稳定的升压。这种大体稳定的升压是改善系统的动态稳定性所期望的。事实上，尽管许多现代的高效泵效率高，但它们在低流率下相比于在较高的流率下具有明显降低的升压。为了解决这个问题，一种常见的解决方案是使用效率较低的离心泵，其通过增加泵内部泄漏而在低流量下不会显示出猛烈的升压差异。尽管这种解决方案已被证明是有效的，但在很多情况下并不理想，尤其是那些需要良好热效率和低功耗的应用。

在不同流率下保持大体稳定的升压的另一种方法是将稳定阀结合到系统中，该稳定阀在任何给定流量下有效地用作固定孔口。不幸的是，这种稳定阀消耗了额外的功率并降低了泵的压力输出。此外，通过这样的配置，增加了系统的整体尺寸、重量和成本。

因此，本领域需要一种在不同流率下提供减小的升压变化量的离心泵。本发明提供了这种离心泵。本发明的这些和其它优点以及附加的创造性特征将通过本文提供的本发明的描述而变得显而易见。

技术实现要素：

在一方案中，本发明的实施例提供了一种用于离心泵的叶轮。根据这种实施例的叶轮包括盘状护罩，其具有中轴线以及限定所述中轴线的中心毂。所述叶轮还包括盘状基板，其具有与所述护罩的所述中轴线共轴的中轴线。所述基板具有从所述基板的第一表面延伸的多个叶片。所述护罩包括沿着所述护罩的外周沿圆周形成的多个锯齿。所述基板包括沿着所述基板的外周沿圆周形成的多个锯齿。所述护罩抵着所述基板安装。

所述护罩的所述中心毂具有第一外径。所述基板包括从所述基板的所述第一表面轴向地延伸的中心毂。所述基板的所述中心毂具有小于所述第一外径的第二外径。所述基板的所述中心毂的一部分轴向地延伸到由所述护罩的所述中心毂限定的开口中。

所述基板的所述多个锯齿包括多个主齿以及多个次齿，其布置成使得数个次齿布置在所述多个主齿中的相邻主齿之间。所述多个主齿中的每个主齿具有在圆周方向上测量的厚度。所述多个次齿中的每个次齿具有在所述圆周方向上测量的厚度。所述多个主齿中的每个主齿的所述厚度分别大于所述多个次齿中的每个次齿的所述厚度。

所述多个叶片与所述多个主齿对齐，使得每个叶片的径向朝外表面分别与每个主齿的径向朝外表面共面。对齐的多个叶片和多个主齿中的每个在圆周上测量的组合厚度在轴向方向上是可变的。

所述护罩的所述多个锯齿包括多个主齿和多个次齿，使得所述多个次齿中的数个次齿介于所述多个主齿中的相邻主齿之间。所述护罩的所述多个主齿与所述基板的所述多个主齿对齐。所述护罩的所述多个次齿与所述基板的所述多个次齿对齐。

所述护罩的所述多个锯齿中的每个锯齿具有在轴向上测量的第一宽度，并且所述基板的所述多个锯齿中的每个锯齿具有在轴向上测量的第二宽度。所述第一宽度小于所述第二宽度。

在另一方案中，本发明的实施例提供了一种用于离心泵的叶轮。根据该方案的离心泵的实施例包括护罩和基板。所述护罩安装到所述基板。多个叶片形成在所述基板上并且在轴向上介于所述基板的一部分和所述护罩之间。所述护罩和所述基板限定所述叶轮的外周缘。所述外周缘包括在其上沿圆周形成的多个锯齿。

所述多个锯齿中的相邻锯齿由间隙间隔开，使得所述多个锯齿径向向外突出。所述多个锯齿中的每个锯齿具有在径向方向上大致矩形的横截面形状。所述多个叶片径向向外突出到所述叶轮的所述外周缘。所述多个锯齿由形成在所述护罩上的多个锯齿和形成在所述基板上的多个锯齿形成。所述护罩上的多个锯齿与所述基板上的多个锯齿对齐。

在又一方案中，本发明的实施例提供了一种离心泵。这种离心泵的实施例包括：泵壳，其限定入口、出口以及布置在所述入口和所述出口之间的内腔。所述泵还包括驱动轴。所述驱动轴的一部分可旋转地布置在所述内腔内。所述泵还包括叶轮，其布置在所述内腔内。所述叶轮安装到所述驱动轴使得其能够随所述驱动轴旋转。所述叶轮是盘状的并且限定外周缘。多个锯齿形成在所述外周缘上。

所述叶轮还包括护罩和基板。所述护罩安装到所述基板。所述多个锯齿形成在所述护罩和所述基板中的每个上。所述叶轮还包括形成在所述基板上的多个叶片。所述多个叶片径向向外延伸到所述叶轮的所述外周缘，使得所述多个叶片的径向延伸部与所述多个锯齿中的选定锯齿相邻。所述多个锯齿具有在径向方向上大致矩形的横截面。

当结合附图时，通过以下详细说明，本发明的其他方面、目的和优点将变得更加明显。

附图说明

并入说明书中并形成说明书的一部分的附图图示出了本发明的几个方面，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1是根据本发明的教导的具有一个或多个锯齿状叶轮的离心泵的示例性实施例的局部横截面的立体图；

图2是图1的实施例的另一横截面；

图3是根据本发明的教导的锯齿状叶轮的示例性实施例的立体图；

图4和图5是图3的叶轮的实施例的分解立体图；

图6是图3的叶轮的实施例的外周缘的局部立体图；

图7是图3的叶轮的实施例的立体横截面；并且

图8是图示出作为根据本发明的锯齿状叶轮和非锯齿状叶轮的作为流率的函数的升压的曲线图。

尽管将结合某些优选实施例描述本发明，但并不意图将其限制于那些实施例。相反，该意图是覆盖包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有替代方案、修改和等同方案。

具体实施方式

现在转向附图，图示出了根据本发明的教导的离心泵及其相关的锯齿状叶轮的实施例。如下面将更详细解释的，锯齿状叶轮通过减小不同流率的升压的变化来克服现有叶轮设计的问题。实际上，锯齿状叶轮在低流率下向泵的工作流体提供额外的动量和速度，使得即使在这样的低流率下，工作流体中也有令人满意的压力增加。在较高流率下，工作流体的速度接近叶轮本身的速度，并由此，锯齿状叶轮对工作流体的升压具有较小的影响。结果，该泵在广泛的流率范围内保持工作流体的明显“更平坦”的升压特性。结果，消除了对稳定阀的需求以及使用效率较低的泵的需求。

具体参照图1，图示出了结合上述叶轮的离心泵20。更具体地，图1图示出了三级离心泵。两级使用根据本发明的教导的锯齿状叶轮。尽管图示出了三级离心泵，但将容易认识到，如本文描述的锯齿状叶轮的优点可以在离心泵的其他实施例例如单级离心泵中使用。

离心泵20包括外壳22。离心泵20还包括用于其各级中的相应各个的多个入口和出口。事实上，对于上面提及的一级，存在入口24和出口26。在入口24和出口26之间限定了内腔28。锯齿状叶轮30位于内腔28内。叶轮30被用以泵送或传送来自入口24的工作流体到出口26。在离心泵20的另一级中，存在另一入口34和出口36。另一内腔38位于入口34和出口36之间。锯齿状叶轮40位于内腔38内。该第二锯齿状叶轮40与锯齿状叶轮30相同，除了它是镜像。

现在转向图2，示出了通过穿过出口26延伸的平面截取的离心泵20的横截面。该横截面图示出了叶轮30在内腔28内的相对位置。叶轮30安装在轴32上(也参见图1)。轴32的旋转导致叶轮30的同样旋转。叶轮30的外周缘42包括如所示的多个锯齿44。

在图2中所示的特定构造中，当叶轮30相对于布置在内腔28内的工作流体顺时针旋转时，多个锯齿44向流体施加额外的动量和动力，这导致流体在与叶轮30的旋转相反的方向上，即逆时针方向上，局部地旋转。在低流率下，这会导致额外的升压。结果，通过这种构造克服了现有设计的低流量下升压相对小的问题。

随着流率增加，叶轮圆周速度和内腔28内的工作流体的速度彼此接近。结果，存在较少的动量和动力从多个锯齿44传递到工作流体。因此，相较于非锯齿状叶轮设计，低流率下的工作流体的升压更接近高流率下的升压。因此，通过这种构造大大减少了不同流率下升压的不期望的变动。

现在参考图3至图7，将更详细地描述叶轮30的结构属性。如上所述，除了作为对方的镜像，叶轮30与图1中所示的叶轮40相同。因此，对叶轮30的描述同样适用于上面介绍的叶轮40。

具体参照图3，叶轮30包括护罩50和基板52。护罩50直接安装到基板52。该安装可以通过任何机械连接来实现。护罩50和基板52围绕叶轮30的穿过其中心的轴线54同心布置。如在图3中还可以看到的那样，多个锯齿44径向朝外延伸并且限定叶轮30的外周。如从下面将理解的，护罩50和基板52包括它们各自的锯齿，这些锯齿彼此对齐使得当完全装配好时它们形成前面提及的叶轮30的多个锯齿。然而，应该认识到，这种对齐不是必需的。在其他实施例中，护罩50上的多个锯齿可与基板52的多个锯齿对偏。

现在参考图4，护罩50包括限定中心开口58的中心毂56。多个锯齿64限定护罩50的外周。该多个锯齿64包括多个主齿80和次齿82，这将在下面更详细地讨论。

基板52还包括带有穿过其中的开口68的中心毂66。开口58、68被设定尺寸成使得轴32(参见图1)可延伸穿过其中。另外，开口58也设定尺寸成使得工作流体从内腔28流动并随后接触基板52。

多个叶片72从基板52的第一表面70轴向向外延伸。通过检查图4而能够看出的是，这些叶片在形状上是弓形的，并且从大于中心毂66的外径的直径延伸到基板52的外周。在其它实施例中，叶片72可径向向内延伸使得它们接触中心毂66。同样在其它实施例中，叶片72可不径向延伸到叶轮30的外周，而是可停止在不到该外周处。

与护罩50的情况一样，基板52也包括多个锯齿74。同样如能够在图4中看到的，多个叶片72中的每一个包括径向朝外表面，其与多个锯齿74中的选定锯齿的径向朝外表面大体共面。如在下面更详细讨论的，该多个锯齿74包括多个主齿90和多个次齿92。

现在转向图5，附加的毂76从基板52的第二表面78轴向向外延伸用于接收轴32(参见图1)。尽管未示出，毂56以及毂76也可以包括安装在其上的动态密封件，以密封地接合泵壳体22的内表面。

现在参考图6，将讨论上面提及的多个锯齿的特定结构性细节。首先转向护罩50的多个锯齿，护罩50包括多个主齿80和次齿82。主齿80与次齿82的区别在于它们具有在圆周方向上测量的厚度t1，其大于在次齿82的圆周方向测量的厚度t2。如同样在该视图中能够看出的，主齿80和次齿82具有在轴向方向上测量的均匀宽度。

以类似的方式，基板52的多个锯齿如所示地包括多个主齿90和次齿92。主齿90和次齿92的区别在于：在主齿90的圆周方向上测量的厚度t₃大于在次齿92的圆周方向上测量的厚度t₄。从图6的观察中也可以看出，厚度t₁等于厚度t₃并且厚度t₂等于厚度t₄。这样，当护罩50和基板52的多个锯齿如所示地对齐时，它们通常形成具有多个主齿和次齿的组合的多个锯齿。然而，如上所述，这种对齐不是必需的。

主齿80、90和次齿82、92之间的另一个区别因素在于每个主齿80、90之间布置有一个上述叶片72的端部。如上所述，每个叶片72包括径向朝外表面，其与基板52上的每个主齿90的径向朝外表面大体共面。对于护罩50的每个主齿80同样如此。然而，通过观察图6，将认识到的是，叶片72和主齿90的前述径向朝外表面形成大致连续且不间断的径向朝外表面94。

通过观察图6而还将认识到的是，主齿80、90以角度θ₁环形地间隔开，该角度θ₁大于相邻次齿82、92之间间隔的角度θ₂。在图6中所示的特定结构中，存在位于相邻的主齿80、90之间的两个次齿82、92。此外，在相邻的主齿80和次齿82之间以及相邻的次齿82之间形成的间隔或间隙是稳定的。这同样适用于基板52的主齿90和次齿92。通过本文的教导而将看出的是，可以使用任何数量的齿。此外，还可以设想，不是使用在圆周方向上采用的不同厚度的主齿和次齿，而是所有齿可以具有均匀的厚度。

现在转向图7，图示出了叶轮30的横截面。示出了护罩50和基板52的前述同心对齐。基板52的毂66轴向地延伸到护罩50的毂56的开口58中。工作流体如大体由流动方向箭头所图示出地进入开口58，并随后在其被径向朝外推动到叶轮30的外周时遇到叶片72。

如上所述，叶轮30的多个锯齿构造成在较低流率下向工作流体施加额外的动量和动力。事实上，图7图示出了采用锯齿状叶轮的离心泵和不包括锯齿状叶轮(即，基线叶轮)的离心泵的比较例。

正如能够从该曲线图中看出的，对于采用锯齿状叶轮的泵在10gpm的低流率下和在50gpm的高流率下的泵增压差显著小于基线叶轮。结果，该系统在低流率下产生更理想的增压。这有利地减少或完全消除了使用效率较低的泵的需求，或者附加地或替代地，有利地减少或完全消除了使用稳定阀以确保在较低流率下存在足够的增压的需求。

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这里描述了本发明的优选实施例，包括用于实施本发明的发明人已知的最佳模式。在阅读前面的描述之后，那些优选实施例的变化对于本领域的普通技术人员来说可以变得显而易见。发明人预期本领域技术人员视合适与否采用这些变化，并且发明人意图本发明能够以说明书中所描述以外的方式来实现。因此，本发明包括适用法律所允许的所附权利要求书中记载的主题的所有修改和等同物。此外，除非本文另有说明或者与上下文明显矛盾，否则本发明涵盖上述要素在其所有可能变型中的任何组合。