本发明涉及一种用于离心泵的蜗壳，以及涉及一种根据相应的独立权利要求的前序部分的离心泵。
背景技术
具有蜗壳的离心泵被用于许多不同的应用。蜗壳的特性特征是用于接纳泵的叶轮的蜗室，其中，当沿着朝向蜗壳的出口通路的流动方向观察时，界定蜗室的内壁与蜗壳的中心轴线(叶轮在操作期间绕其旋转的轴线)之间的距离增大。具有蜗壳的离心泵可设计成单级泵或多级泵，其中，在第一级上具有单吸设计或双吸设计。待由泵输送的流体，例如液体，通过一个或多个入口进入蜗壳，受泵的叶轮作用，并且通过出口通路离开泵。为了将流体引导至出口通路，蜗壳包括还被称为分水角舌或舌或分流肋的至少一个分水角。
还已知将蜗壳设计成带有两个分水角，所述两个分水角当沿着蜗壳的周向方向观察时相对于彼此移位大约180°。带有两个分水角的设计主要用于使叶轮相对于径向方向平衡，即减小必须由用于叶轮的径向轴承承载的径向推力。由于在排出口处、即在出口通路的进入处的相当大的不均匀的压力和流分布，所以在叶轮上作用有相当大的径向力，其指向所述排出口。通过提供移位180°的两个分水角，该径向推力可以被平衡，或者所产生的径向推力至少可以被显著地减小。
蜗壳的一个已知的问题是气蚀的发生，尤其是在液体具有非常高的流动速度的分水角处。高的流动速度可将局部压力降低至低于液体的汽化压力，这导致气泡的形成。气泡将会破裂，由此产生强烈的压力冲击。该现象也已知为壳的气蚀，其具有多个负面影响，例如增加了的泵的振动和噪声、减小的差异压头、压头性能曲线的不稳定性以及在壳处的缩短所述壳的寿命的严重腐蚀。
当泵偏离最佳效率点操作时，例如，当以泵产生的流量显著低于该泵设计用于的流量的部分负荷操作时，或者当以泵产生的流量明显高于泵设计用于的流量的过度负荷操作时，气蚀的风险特别高。这样的远离最佳效率点的操作的一个明显特性是流动角度与分水角角度之间的失配，这导致了局部流动速度峰值，其中，速度峰值的大小通常随着分别离最佳效率点或离设计流量增大的距离而增大。
实践表明，离心泵常常偏离最佳效率点操作，尤其是以部分负荷操作。部分负荷操作明显增大了具有所有负面影响的气蚀的风险，尤其是在分水角的内表面处，所述内表面是面对蜗壳的中心轴线的表面。
降低所述气蚀的风险的一个明显的可能是提高吸入压力、即在泵的入口处的液体的压力，使得对于泵的给定的差异压头而言，分别在分水角或进入到出口通路的进入处的局部压力较高。然而，因为在大多数的现有泵安装中，吸入压力是不能改变的边界条件，所以提高吸入压力在许多应用中不可能。但即使吸入压力可提高，这也需要更多的能量、附加的装备、努力和成本。
技术实现要素：
因此，根据该现有技术状况，本发明的目的是提出一种用于离心泵的蜗壳，在所述离心泵中，气蚀的风险明显减小，尤其是当离心泵在分别偏离最佳效率点或设计流量的部分负荷区域中操作时。本发明的另一目的是提出一种具有这样的蜗壳的离心泵。
满足这些目的的本发明的主题通过相应的独立权利要求的特征来作为特征。
因而，根据本发明，提出了一种用于离心泵的蜗壳，该蜗壳具有限定轴向方向的中心轴线、用于接纳用于绕轴向方向旋转的叶轮的蜗室、用于排出流体的出口通路和用于将流体引导至出口通路的第一分水角，其中，分水角包括面对中心轴线的内表面、背离中心轴线的外表面和使内表面与外表面结合的前导边缘，其中，分水角在与轴向方向垂直的中间平面中具有横截面轮廓，该横截面轮廓包括在前导边缘处的分水角起始点和在内表面上的分水角最小点，分水角起始点由前导边缘的切线限定，所述切线与中心轴线相交，并且分水角最小点由内表面在该处具有离中心轴线的最短距离的位置限定，其中，分水角以这样的一种方式设计，使得位于横截面轮廓中并且从分水角起始点延伸至分水角最小点的直剖面弦具有离内表面的最大正交距离，所述最大正交距离为剖面弦的长度的至多15%，优选为至多13%。
因而，本发明的一个重要方面是分水角的内表面在与分水角的前导边缘相邻的区域中的特定设计。已发现的是，通过该分水角区域的特定设计，至少可明显减小在分水角的前导边缘下游出现的局部速度峰值。因而，即使没有根本消除，也明显减小了气蚀的风险，尤其是在泵的部分负荷操作范围内。
分水角的内表面在与前导边缘相邻的区域中的设计通过参考分水角的在该分水角的中间平面中的横截面轮廓来描述，所述中间平面是与轴向方向垂直的几何中间平面。必须指出的是，当在轴向方向上移离中间平面时，因为基本设计基本上不改变，所以内表面在所述中间平面处的设计代表了整个内表面在与前导边缘相邻的该区域中的设计。
当沿着分水角的内表面在下游方向上从前导边缘朝着壳的出口移动时，内表面离中心轴线的距离持续减小，直到所述距离达到其最小值的分水角最小点为止。当在下游方向上进一步移动时，所述距离再次增大。除了离中心轴线的距离的该最小值之外，分水角的内表面在能通过参考剖面弦描述的前导边缘与分水角最小点之间具有特定的设计。剖面弦是在分水角的中间平面中(并且在中间平面内的横截面轮廓中)将分水角起始点与分水角最小点连接的(假想)直线。该直线具有作为分水角起始点与分水角最小点之间的最短距离的长度。另外，剖面弦具有离分水角的内表面的正交距离，其中，所述正交距离在分水角起始点与分水角最小点之间变化。根据本发明，在剖面弦与内表面之间的最大正交距离为剖面弦的长度的至多15%，并且优选为至多13%。
优选的是，剖面弦离内表面的所述最大正交距离近似为剖面弦的长度的13%。
优选地，分水角的内表面以这样的一种方式弯曲，即，使得剖面弦离内表面的正交距离当从分水角起始点移向分水角最小点时首先增大，达到最大正交距离，并且然后在分水角最小点处减小至零。
另一有利措施涉及在分水角起始点与分水角最小点之间的距离。优选的是，在中间平面上通过在通过分水角起始点的前导边缘的切线与将分水角最小点与中心轴线连接的直线之间的角度测量的在分水角起始点与分水角最小点之间的角度距离为至少5.5°，优选为至少6.5°。
特别优选地，在分水角起始点与分水角最小点之间的所述角度距离近似为6.5°。
此外，有利的是，在中间平面上测量的在剖面弦与将分水角最小点和中心轴线连接的直线之间的倾斜角度为至少110°，优选为至少114°。
特别优选地，所述倾斜角度近似为114°。
此外，优选的实施例是，当分水角的内表面设计成使得横截面轮廓与基准圆在分水角最小点处彼此相切时，基准圆使其中心在中心轴线上并且具有等于中心轴线与分水角最小点之间的距离的半径。
蜗壳可具体实施为具有仅一个分水角、即第一分水角，或者可具体实施为具有两个分水角。因而，蜗壳还可包括用于将流体引导至出口通路的第二分水角，其中，第二分水角包括面对中心轴线的内表面、背离中心轴线的外表面和使内表面与外表面结合的前导边缘，其中，第二分水角的内表面至少在前导边缘与分水角最小点之间被类似地设计成第一分水角的内表面。优选地，第一和第二分水角关于蜗壳的周向方向移位180°。
根据最优选的实施例，每个分水角被设计成具有以下特征的组合：
在剖面弦与分水角的内表面之间的最大正交距离为剖面弦的长度的至多15%，优选为至多13%；
在分水角起始点与分水角最小点之间的角度距离为至少5.5°，优选为至少6.5°；和
剖面弦的倾斜角度为至少110°，优选为至少114°。
另外，根据本发明，提出了一种离心泵，包括蜗壳和布置在蜗壳中的叶轮，其中，蜗壳根据本发明设计。
本发明的另外的有利措施和实施例将从从属权利要求中变得明显。
附图说明
在下文中将参考本发明的实施例并且参考附图来更详细地说明本发明。在示意图示中示出的是：
图1是根据本发明的蜗壳的实施例的示意性横截面视图；
图2是根据本发明的离心泵的实施例的横截面视图；和
图3是分水角的上游端在分水角的中间平面内的横截面视图中的放大视图。
具体实施方式
图1是根据本发明的蜗壳的实施例的示意性横截面视图，所述蜗壳整体地用附图标记1标识。图2是根据本发明的离心泵的实施例的横截面视图，所述离心泵整体地用附图标记100标识，并且所述离心泵包括图1所示的蜗壳1。离心泵100包括：入口101，流体、尤其是例如水的液体通过其能进入泵100；以及出口102，其用于排出流体。泵100还包括用于作用于流体的至少一个叶轮103。叶轮103布置在蜗壳1的蜗室2内。在操作期间，叶轮103绕沿着轴向方向a延伸的旋转轴线旋转。蜗壳1包括与泵100的旋转轴线重合的中心轴线c。因而，轴向方向a由蜗壳1的中心轴线c限定，或者相同地，由叶轮103在操作期间绕其旋转的旋转轴线限定。
与轴向方向a垂直的方向被称为“径向方向”。术语“轴向的”或“轴向地”与“在轴向方向上”或“相对于轴向方向”的普通含义一起使用。以类似的方式，术语“径向的”或“径向地”与“在径向方向上”或“相对于径向方向”的普通含义一起使用。
图2示出了在与轴向方向a平行的横截面中的泵100，更准确地说，中心轴线c位于截面平面中。图1示出了在与轴向方向a垂直的横截面中的蜗壳1，如其由图2中的切割线i-i指示的那样。
叶轮103以抵抗扭矩的方式安装在轴104上。借助于在轴向方向a上延伸的轴104，叶轮103在泵100的操作期间被驱动，以便绕轴向方向a旋转。轴104借助于轴104被耦连至其的驱动单元(未示出)被驱动，例如电动马达或任何其他类型的马达。以本身已知的方式，轴104和叶轮103由轴承单元105支撑。提供密封单元106，用于密封轴104，防止流体沿轴104的泄漏。
如图1所示，蜗壳1包括用于接纳叶轮103的蜗室2和用于将液体引导至出口102的出口通路3。来自入口101的液体的流大致沿着轴向方向a进入蜗室2，并且然后通过叶轮103沿周向方向转向。如蜗壳特有地，当在朝着出口通路3的流动方向上观察时，界定蜗室2的内壁与蜗壳1的中心轴线c之间的距离增大，因而建立用于液体的流动通道，所述流动通道在流动方向上变宽。蜗壳1至少还包括第一分水角4，用于将液体引导到出口通路3中，即，第一分水角4划分流动通道，使得液体沿着分水角4的两侧流动。分水角4还被称为分流肋，或被称为分水角舌或简单地被称为舌。图1所示的实施例配置有两个分水角，并且包括来自第一分水角4的一部分和第二分水角4’，当在蜗室2的周向方向上观察时，第二分水角4’布置在相对于第一分水角4的位置移位180°的位置。带有两个分水角4、4’的设计本身在本领域是已知的，因此不需要更详细的说明。在蜗壳2中提供两个分水角4、4’的主要原因是对作用于叶轮103的径向推力的平衡。
尽管在此描述的实施例包括第一和第二分水角4、4’，但必须理解的是，本发明还包括这样的实施例，即其中蜗壳1设计成仅带有一个分水角。
每个分水角4、4’包括：内表面，其面对中心轴线c；外表面42，其背离中心轴线c；和前导边缘43，其是分水角4、4’的面对液体流的轴向延伸的边缘，即，在前导边缘43处，液体流被分开。前导边缘43构成分水角4、4’的上游端。因而，相应分水角4、4’的内表面41是分水角4、4’的更靠近中心轴线c的那个侧表面，并且相应分水角4、4’的外表面42是分水角4、4’的更远离中心轴线c的那个侧表面。前导边缘43将内表面41与外表面42结合。
现在参考图3，将更详细地描述分水角4、4’的设计，尤其是靠近前导边缘43的内表面41的设计。不言而喻，该描述适用于第一分水角4并且适用于第二分水角4’。
图3示出了分水角4、4’的上游端的放大视图，所述上游端是包括分水角4、4’的前导边缘43的端部。图3表示了在与分水角4、4’的中间平面重合的截面平面中、与轴向方向a垂直地贯穿分水角4、4’的横截面。中间平面与轴向方向a垂直，并且表示分水角4、4’相对于轴向方向a的几何中心平面。在图3中，绘图平面与中间平面重合。分水角4、4’在中间平面中的设计由分水角4、4’在中间平面中的横截面轮廓44表示。中间平面，以及更准确地说是横截面轮廓44，包括分水角起始点cs和分水角最小点cm。
分水角起始点cs位于前导边缘43和中间平面(或相应地，横截面轮廓44)上。分水角最小点cs由横截面轮廓44的在该处存在前导边缘43的切线t的那个点来限定，所述切线t与中心轴线c正交地相交。
分水角最小点cm位于内表面41上，更准确地说，位于内表面41与中间平面(或相应地，横截面轮廓44)的交点处。分水角最小点由位于中间平面(或相应地，横截面轮廓44)中并且位于内表面41上的那个点限定，在所述分水角最小点，如在中间平面中测量地，内表面41具有离中心轴线c最短的距离d。
如在图3中所能看到地，分水角4、4’的内表面41设计成使得当沿着内表面41从分水角起始点cs移向分水角最小点cm时，内表面41离中心轴线c的距离d持续减小。在分水角最小点cm处，所述距离d达到其最小值，并且当超过分水角最小点cm进一步移离前导边缘43时增大。内表面41设计成在分水角最小点cm处具有离中心轴线c最短的距离d的平滑弯曲表面。
图3还示出了在横截面轮廓44中限定为从分水角起始点cs延伸至分水角最小点cm的直线的剖面弦（profilechord）p。剖面弦p的长度l是在分水角起始点cs与分水角最小点cm之间的距离。由于内表面41的弯曲设计，所以在直的剖面弦p与内表面41之间的正交距离在分水角起始点cs与分水角最小点cm之间是变化的。内表面41以这样的一种方式设计并弯曲，即，使得当从分水角起始点cs向分水角最小点cm移动时，剖面弦p离内表面41的所述正交距离首先增大，达到最大正交距离dm，并且然后在分水角最小点cm处减小至零。
根据本发明，在剖面弦p与内表面41之间的最大正交距离dm为剖面弦p的长度l的至多15%，并且优选为至多13%。在图3所示的实施例中，最大正交距离dm近似等于剖面弦p的长度l的13%。
分水角4、4’的设计的另一优选特征涉及在分水角起始点cs与分水角最小点cm之间的距离。所述距离由在中间平面上通过角度α测量的角度距离来确定。角度α是在前导边缘43的切线t与垂直于轴向方向a或相应地，垂直于中心轴线c的直线w之间的角度，其中，直线w将分水角最小点cm与中心轴线c连接。测量分水角起始点cs与分水角最小点cm之间的角度距离的该角度α至少为5.5°，并且优选至少为6.5°。在图3所示的实施例中，测量在分水角起始点cs与分水角最小点cm之间的角度距离的角度α近似等于6.5°。
分水角4、4’的设计的又一优选特征涉及剖面弦p的倾斜。所述倾斜在中间平面上通过倾斜角度β测量，所述倾斜角度β限定为在剖面弦p与直线w、即垂直于轴向方向a并且将分水角最小点cm与中心轴线c连接的线之间的角度。优选地，倾斜角度β至少为110°，并且更优选地至少为114°。在图3所示的实施例中，倾斜角度β近似等于114°。
根据另一有利措施，分水角4、4’的内表面以这样的一种方式设计，即，使得分水角最小点cm构成横截面轮廓44离中心轴线c的距离d中的绝对最小值，即，在横截面轮廓44上不存在其他的点使得内表面41在该处离中心轴线c的距离d小于或等于在分水角最小点cm处的距离d。也就是说，横截面轮廓44与基准圆bc在分水角最小点cm处彼此相切，其中，基准圆bc通过使其中心在中心轴线c上并且具有等于中心轴线c与分水角最小点cm之间的距离d的半径来限定，其是距离d的最小值。基准圆bc位于中间平面中。
分水角4、4’的外表面42可以任何已知的方式设计。
根据本发明的蜗壳，以及尤其是分水角4、4’的内表面41在与前导边缘43相邻的区域中的构造明显减小了分水角4、4’处的气蚀风险，在分水角4、4’处，由离心泵100输送的液体的流动速度非常高。特别地，当离心泵100在部分负荷区域中、即远离泵100的最佳效率点操作，并且泵100产生比泵100设计用于的流量小的流量时，内表面41的构造避免了通常在已知设计中存在的局部速度峰值的出现，或者至少明显减小了速度峰值。已发现的是，这种在已知设计中的局部速度峰值主要出现在分水角的在该分水角的前导边缘下游的区域中的内表面处。
通过根据本发明的、具有在前导边缘43下游的内表面41的新设计的蜗壳1，流体的局部速度在分水角4、4’的内表面41的关键区域中、尤其在泵100的部分负荷操作中被减小。减小流体的速度或者避免局部速度峰值提高了流体在这些位置的局部静态压力。更准确地说，在泵100的入口101处的吸入压力与在分水角4、4’的内表面41处的局部静态压力之间的差增大。因此，避免了在分水角4、4’的内表面41处的局部静态压力降至低于液体的汽化压力(或者至少明显减小了在分水角4、4’的内表面41处的局部静态压力降至低于液体的汽化压力的风险)。因而，在无需增大吸入压力的情况下有效地避免了气蚀。通过避免诸如增强的振动、噪声、压头性能曲线的不稳定性、减小的差异压头和缩短蜗壳寿命的严重腐蚀效应之类的气蚀引起的效应，这导致了泵100的更安全并且更好的操作。