推力平衡裝置的製作方法
2023-12-09 12:26:46 2
專利名稱：推力平衡裝置的製作方法
技術領域：
本發明是關於推力平衡裝置的發明，更具體地說，是關於能大幅度提高例如屏蔽電動泵的推力平衡特性的推力平衡裝置的發明。
現有的屏蔽電動泵具有旋轉軸以及裝在該旋轉軸上的葉輪。在這種屏蔽電動泵中，從向旋轉軸方向開口的吸入口吸入的流體，受到旋轉葉輪的離心力的作用，從向半徑方向開口的排出口排出。由於吸入口是向旋轉軸方向開口的，因此葉輪在推力方向受到力的作用。這樣，原先的屏蔽電動泵的葉輪會被推向裝著葉輪的機殼內壁，給葉輪的旋轉造成障礙。因此，近年來幾乎所有的屏蔽電動泵都在適當的部位裝有推力平衡裝置。
這種推力平衡裝置是一種防止由吸入的流體產生的推力方向的壓力妨礙葉輪旋轉的裝置。通常，這種裝置具有(1)將形成於具有平衡孔的葉輪裡面的環狀圓筒體插入設置於機殼上的、具有圓筒形內周面的凹陷部，由前述圓筒體的外周面與前述凹陷部的圓筒形內周面之間的間隙形成的固定節流孔，(2)由前述圓筒體的底面，該圓筒體的內周面，鄰近前述圓筒體的內部空間、在機殼上突出形成的第1突出部向著前述底面且與其有一定間隔的面，以及比前述第1突出部更加突出、環繞旋轉軸的環狀第2突出部的外周面構成的推力平衡室，以及(3)前述第2突出部向著葉輪裡面的前端面與葉輪裡面形成的可變節流孔。
在這種推力平衡裝置中，由於葉輪的旋轉產生離心力使流體徑向排出，但是離心方向排出的流體有一部分通過前述固定節流孔流入推力平衡室。流入推力平衡室的流體，通過可變節流孔流到推力平衡室外，從推力平衡室流出的流體通過平衡孔與排出的流體合流。
如果吸入、排出的流體壓力升高，葉輪受到推力方向的壓力，葉輪的裡面就要接近向著該裡面的機殼面。但是，由於流體的壓力，通過固定節流孔的流體流量增加，推力平衡室內的流體壓力就增加，這樣一來，因為推力平衡室內的流體壓力增加，葉輪就受到壓力，使葉輪離開向著該裡面的機殼。該壓力也稱自立力。由於該推力平衡室內的流體壓力，葉輪克服吸入、排出流體的壓力而移動。
這樣，葉輪一離開向著其裡面的機殼而移動，換句話說就是葉輪一離開向著該裡面的機殼面而移動位置，可變節流孔的間隙就增大，壓力增高的流體從該可變節流孔急速流出。其結果是推力平衡室內的壓力下降，吸入、排出的流體施加給葉輪的推力方向的壓力大於推力平衡室內的流體壓力。葉輪受到推力方向的壓力，其位置朝向葉輪裡面的機殼面移動。
如上所述，葉輪可根據固定節流孔的間隙、可變節流孔的間隙以及推力平衡室的容積而變換位置，使推力平衡室內的壓力與吸入、排出流體的壓力取得平衡，從而使旋轉軸在推力方向上取得平衡。
但是，具有這種現有結構的推力平衡裝置，其推力平衡室中，葉輪裡面是旋轉面，向著該葉輪的機殼面是固定面。因此，流入該推力平衡室的流體要受到因葉輪旋轉而產生的角動能，隨葉輪的旋轉而旋轉。在推力平衡室內，因流體與葉輪一起旋轉而產生的液道阻抗極大。
旋轉面與固定面之間的流體的液道阻抗與同旋轉面一起旋轉的流體的線速度平方成正比。因此，在葉輪轉速極大的高速泵中，或者即便不是高速泵，但固定面與旋轉面之間的間隙中流體的量大，旋轉的流體的線速度很大的大型泵中，推力平衡室內的流體的液道阻抗很大，推力平衡就很難適當地保持。
為了解決這個問題，有人採用了在推力平衡室的固定面上設置被稱為均壓孔或減壓孔的分流孔，但是這達不到降低液道阻抗，適當保持平衡的目的。之所以這樣說，是因為設置前述的分流孔，雖然可以增大自立力，但不能大幅度地降低推力平衡室內的流體的角動能。
本發明的目的是提供一種推力平衡性能優良的推力平衡裝置。
本發明的目的是提供一種即使泵的排出量很大，推力平衡性能也仍然優良的推力平衡裝置。
本發明的目的是提供一種即使是具有高速旋轉葉輪的泵，其推力平衡性能也仍然優良的推力平衡裝置。
本發明的推力平衡裝置，具有(1)將形成於具有平衡孔、且裝在旋轉軸上的葉輪裡面的環狀圓筒體插入設置於機殼上的、具有圓筒形內周面的凹陷部，由前述圓筒體的外周面與前述凹陷部的圓筒形內周面之間的間隙形成的固定節流孔，(2)由前述圓筒體的底面，該圓筒體的內周面，鄰近前述圓筒體的內部空間、在機殼上突出形成的第1突出部向著前述底面且與其有一定間隔的面，以及比前述第1突出部更加突出、環繞旋轉軸的環狀第2突出部的外周面構成的推力平衡室，
(3)前述第2突出部向著葉輪裡面的前端面與葉輪裡面形成的可變節流孔，(4)在前述第1突出部上形成的、環繞前述旋轉軸的環狀溝，以及(5)連通前述環狀溝與前述凹陷部的均壓部。
前述推力平衡裝置的優選實施例為，所述的均壓部的軸線垂直方向的截面積總和以及所述的環狀溝的前述第1突出部的開口面積大於前述平衡孔開口面積的總和的推力平衡裝置。
下面參照
本發明。
圖1是表示本發明一個實例的縱截面圖。
圖2是表示本發明另一個實例的縱截面圖。
圖3是表示本發明另一個實例的縱截面圖。
圖4是表示本發明另一個實例的縱截面圖。
圖5是表示一種屏蔽電動泵，即具有圖1所示的推力平衡裝置的離心泵，以及除了沒有前述推力平衡裝置之外，其餘都和前述屏蔽電動泵相同的屏蔽電動泵在排出流量變化時，殘留推力變化的曲線圖。
例1該例1是本發明所述的推力平衡裝置的一例。
圖1是表示裝著例1的推力平衡裝置的離心泵的半剖截面圖。
如圖1所示，裝著本發明一例的推力平衡裝置的離心泵1，具有機殼2與機座3，在該機殼2與機座3形成的泵室4內有裝在旋轉軸5上的葉輪6。
該離心泵1的吸入口在圖1中未表示出，它形成於向著葉輪6軸向的部位。從該吸入口到泵室4為止有一個其軸線與旋轉軸5的軸線相同的圓筒狀導引路7。
前述葉輪6有一個從軸線方向看呈圓形的基體8。該葉輪6隨旋轉軸5的旋轉而旋轉，將從導引路7引入的流體朝離心方向排出。因此，在該離心泵1中，在葉輪6的離心方向，機殼2上設有排出口。
在本發明的推力平衡裝置中，在構成葉輪6一部分的前述基體8的裡面，即朝著機座3的那一面上，形成有向機座3突出的圓筒體9。在該基體8上，還開設有從靠近旋轉軸5的基體8的裡面一直貫穿至導引路7一側表面的葉輪孔10。
在機座3朝著前述基體8的面上，形成了具有內徑略大於前述圓筒體9直徑的圓筒形內周面的凹陷部11。前述圓筒體9插入該凹陷部11。插入的圓筒體9的外周面與該凹陷部11的內周面之間形成一個很小的間隙。該間隙即是固定節流孔12。
在前述凹陷部11中，在前述圓筒體9的內側，形成有朝著葉輪6裡側面突出的圓盤狀第1突出部13，在該第1突出部13的內側，靠近旋轉軸5，形成有比前述第1突出部13更接近前述葉輪6裡側面、具有環狀端面的第2突出部14。第1突出部13的朝著前述圓筒體9底面的端面為環狀。在前述圓筒體9插入該凹陷部11的情況下，該第1突出部13的外周面與圓筒體9的內周面之間形成一定的間隙。該間隙設定為比前述固定節流孔12大許多。該第2突出部14的環狀端面是從軸向看去呈環狀的。
推力平衡室15由第1突出部13的環狀端面(該面也是固定面)與前述圓筒體9的底面(該面是葉輪的裡面，是旋轉面)所確定的空間形成。
第2突出部14的環狀端面與圓筒體的底面即基體8的裡面之間的間隙就是可變節流孔16。
在前述第1突出部13靠第2突出部14處形成有以旋轉軸5為中心的環狀溝17。該環狀溝17具有由開口於第1突出部13的環狀端面的開口部，以與旋轉軸5的軸線相同的軸線為中心的圓筒體9的外周面、即內側內周面，以及以與旋轉軸5的軸線相同的軸線為中心的圓筒體9的內周面、即外側內周面環繞著的溝空間。該溝空間是旋轉軸5為中心的環狀空間。在縱截面圖的圖1中，內側內周面的縱截面端緣線與外側內周面的縱截面端緣線是平行的。
均壓部18由從前述第1突出部13的外周面貫穿前述環狀溝17的貫穿孔形成。該均壓部18與前述環狀溝17以及凹陷部11連通。該貫穿孔、即均壓部18在該第1突出部13上設有12個。該均壓部在與軸線垂直方向上的截面是圓形的，因此，該均壓部具有圓筒形的內部空間。
下面對具有以上結構的離心泵1與推力平衡裝置的作用進行說明。
旋轉軸5一旋轉葉輪6即隨之旋轉。從吸入口引入的流體經導引路7流入泵室4。在泵室4內，因葉輪6的旋轉，其離心力使流體從排出口排出。這是通常的離心泵1的作用。
泵室4內的一部分流體通過前述的固定節流孔12流入推力平衡室15，通過可變節流孔16，穿過平衡孔10回到葉輪6的表面。
如果葉輪6一側的排出壓力增高，葉輪6因該排出壓力而向接近機座3一側移動。這樣，可變節流孔16的間隙比原先更加狹小。從該可變節流孔16流出的流體的流量降低。另一方面，可變節流孔16的間隙雖然變狹小了，但是固定節流孔12的間隙卻依然沒變，所以流體繼續流入推力平衡室15內。在流體繼續流入推力平衡室15內的同時，可變節流孔16的間隙因排出壓力的增高而比原先狹小了，因此從可變節流孔16流出的流體流量受到了限制。其結果是推力平衡室15內的流體壓力增高。繼而是推力平衡室15的流體壓力高於排出壓力。
推力平衡室15的流體壓力一旦高於排出壓力，葉輪6便向圓筒體9從凹陷部11拔出的方向移動。葉輪6的移動使可變節流孔16的間隙擴大。可變節流孔16的間隙擴大，推力平衡室15內的流體從可變節流孔16流出的流量變多，推力平衡室15內的流體量減少，其結果是推力平衡室15內的流體壓力與葉輪6一側的排出壓力變得一致，葉輪6停止移動。
但是，存在於推力平衡室15內的流體本身隨著葉輪6的旋轉而旋轉。在推力平衡室15內旋轉的流體具有角運動量，會產生液道阻抗。該液道阻抗如增大，即便可變節流孔16的間隙擴大，推力平衡室15內的流體也難以迅速地從可變節流孔16流出。
本發明的目的在於減少因流體的角運動量而產生的液道阻抗。因此，在本發明的該實例中設有環狀溝17與均壓部18。通過讓沒有角運動量的流體從該均壓部18經環狀溝17流入推力平衡室15內，與具有角運動量的流體混合，使推力平衡室15內的流體的角運動量迅速減少，讓推力平衡室15內的流體迅速、順利地通過可變節流孔16流出。
用計算機對具有均壓部18與環狀溝17的泵，以及對只有均壓部18的泵的旋轉軸5的推力平衡進行模擬的結果表明，只有均壓部18的泵的可變節流孔16流出的流體流出量為290升/分，葉輪6背面的流體壓力(推力平衡室15內的壓力)為2363N(241kgf)，具有均壓部18與環狀溝17的泵的可變節流孔16流出的流體流出量為301升/分，葉輪6背面的流體壓力為2157N(220kgf)，有明顯的減少。在計算時採用的泵的規格為SUC125A、DIS100A、200m3/h×32m×2900rpm，葉輪直徑為Φ190。
例1的變型例在本發明所述的結構中，環狀溝17隻要在前述第1突出部13上形成，環繞著前述旋轉軸5，其溝空間無論怎樣都可以。例如，如圖2所示，環狀溝17可以是具有由開口於第1突出部13的環狀端面的開口部，相當於以與旋轉軸5的軸線相同的軸線為中心的圓筒體9外周面的內側內周面，以及相當於以與旋轉軸5的軸線相同的軸線為中心的圓錐體內周面的外側內周面環繞著的溝空間。在這種情況下，在圖2所示的縱截面圖中，該溝空間的縱截面呈楔型。環狀溝17的另一個例子是具有由開口於第1突出部13的環狀端面的開口部，相當於以與旋轉軸5的軸線相同的軸線為中心的圓錐體外周面的內側內周面，以及相當於以與旋轉軸5的軸線相同的軸線為中心的圓筒體9內周面的外側內周面環繞著的溝空間。在這種情況下，在圖3所示的縱截面圖中，該溝空間的縱截面呈楔型。環狀溝17的又一個例子是具有由開口於第1突出部13的環狀端面的開口部，相當於以與旋轉軸5的軸線相同的軸線為中心的圓錐體外周面的內側內周面，以及相當於以與旋轉軸5的軸線相同的軸線為中心的圓錐體內周面的外側內周面環繞著的溝空間。
無論環狀溝17的溝空間是什麼形狀，均壓部18與軸線垂直方向的圓形截面積的總和A(A用n×(π/4)×d12計算，其中n表示均壓部18的個數)基本上來說，最好要小於環狀溝17的開口面積B(B用(π/4)×(D22-D32)計算)(即A＜B)。
前述均壓部18的前述圓形截面積的總和A與前述環狀溝17的開口面積B中的任何一個都比平衡孔10在基體8的開口面積總和大的推力平衡裝置，因其推力平衡性能特別好，所以比較理想。
均壓部18的數目沒有特別的限制。
實施例1在屏蔽電動泵(型號HN25E)中設置具有圖1所示結構的推力平衡裝置，讓排出流量在10～140m3/h的範圍內變化，測定推力平衡室15內的流體壓力與葉輪6一側的排出壓力之差、即殘留推力。
在前述屏蔽電動泵的推力平衡裝置中，前述均壓部18的前述圓形截面積的總和A與前述環狀溝17的開口面積B中的任何一個都比平衡孔10在基體8的開口面積總和大，而且均壓部18的前述圓形截面積的總和A比環狀溝17的前述開口面積B小。前述屏蔽電動泵以50Hz的交流電驅動。測定結果如圖5所示。
如圖5所示，前述屏蔽電動泵的排出流量在10～140m3/h的範圍內時，殘留推力幾乎為零，推力平衡室15內的流體壓力與葉輪6一側的排出壓力大致吻合。其中，
是表示實施例1所用的屏蔽電動泵流量與殘留推力關係的曲線。
比較例1除了沒有環狀溝17與均壓部18之外，其餘結構均與實施例1相同的屏蔽電動泵(型號HN25E-F4)，在與實施例1相同的條件下，在相同的排出流量範圍內，測定其殘留推力，結果如圖5所示。
如圖5所示，前述屏蔽電動泵產生了從推力平衡室15向葉輪6方向的最大達70kgf左右的殘留推力。其中，
是表示比較例1所用的屏蔽電動泵流量與殘留推力關係的曲線。
本發明可以提供一種推力平衡性能優良的推力平衡裝置。
本發明可以提供一種即使泵的排出量很大，推力平衡性能也仍然優良的推力平衡裝置。
本發明可以提供一種即使是具有高速旋轉葉輪的泵，其推力平衡性能也仍然優良的推力平衡裝置。
權利要求
1．一種推力平衡裝置，其特徵是具有將形成於具有平衡孔、且裝在旋轉軸上的葉輪裡面的環狀圓筒體插入設置於機殼上的、具有圓筒形內周面的凹陷部，由前述圓筒體的外周面與前述凹陷部的圓筒形內周面之間的間隙形成的固定節流孔，由前述圓筒體的底面，該圓筒體的內周面，鄰近前述圓筒體的內部空間、在機殼上突出形成的第1突出部向著前述底面且與其有一定間隔的面，以及比前述突出部更加突出、環繞旋轉軸的環狀第2突出部的外周面構成的推力平衡室，前述第2突出部向著葉輪裡面的前端面與葉輪裡面形成的可變節流孔，在前述第1突出部上形成的、環繞前述旋轉軸的環狀溝，及連通前述環狀溝與前述凹陷部的均壓部。
2．根據權利要求1所述的推力平衡裝置，其特徵是前述權利要求1所述的均壓部與軸線垂直方向的截面積的總和以及前述權利要求1所述的環狀溝在前述第1突出部上的開口面積中的任何一個，都大於前述權利要求1所述的葉輪所具有的平衡孔開口面積的總和。
全文摘要
本發明提供了一種推力平衡性能優良的推力平衡裝置。該裝置在機座上設有與推力平衡室連通的環狀溝與均壓部。
文檔編號F04D29/18GK1232928SQ99105578
公開日1999年10月27日 申請日期1999年4月14日 優先權日1998年4月20日
發明者久保田康志 申請人:日機裝株式會社