水力平衡磁驅動離心泵的製作方法
2023-04-23 21:30:46
專利名稱：水力平衡磁驅動離心泵的製作方法
技術領域：
本發明一般而言涉及液壓泵，更具體涉及磁驅動離心泵。
背景技術：
磁驅動離心泵非常適於泵送腐蝕性的或危險的流體，因為它們不具有可能洩漏或磨損的軸密封。這種類型的泵需要一些抵消葉輪產生的推力載荷的方法。通常該載荷由如美國專利4,226,574中描述的止推軸承承受。為了適應在某些泵送條件下發生的與正常方向相反的周期性載荷，使用了如美國專利6,443,710中描述的額外的軸向止推軸承包殼。抵消這些軸向載荷的另一方法是通過使用推力平衡系統，如克雷恩(Klein)在美國專利6,135,728中所述。克雷恩使用流體壓力來平衡推力並且利用一個位於葉輪輪轂上的環來控制流體壓力，其中該葉輪輪轂在環和軸之間產生可變間隙。
在利用推力平衡閥控制推力時存在固有的困難。由於泵需要在很寬範圍的壓力和流動狀態下操作，推力平衡閥必須也能夠在寬壓力範圍內控制壓力。為了獲得這種類型的控制，在閥的兩邊必須總是存在一個壓差。因此，需要在閥的出口側上獲得最小的可能壓力，同時在閥的背側上也維持最高的可能靜壓。
在用來平衡推力的區域的流體旋轉產生了一個壓力梯度，該壓力梯度降低了推力平衡閥兩邊的壓差。克雷恩要求流體穿越旋轉葉輪中的通道以到達推力平衡閥。這些旋轉通道增加了在閥的背側的可得壓力的缺乏。
對於磁驅動泵來說另一典型問題通常是需要提供不同的葉輪尺寸。由於葉輪通常永久附連到磁體支架上，裝配的成本相當高。這意味著需要存儲的備件或備用葉輪成為更高成本的存貨。即使這些部件單獨製造，它們也通常以一種不容易拆卸的方式固定在一起(例如在美國專利5,895,203中揭示的附著結構)。因此，需要一種能夠容易分離、但仍然可傳遞所需扭矩的磁體支架和葉輪。
磁驅動泵的另一方面是需要定期更換磨損環。雖然在美國專利6,234,748中描述了可去除的磨損環，它們需要不容易去除的分離的保持環。需要一種簡單方法來更換無需保持環的磨損環。
發明內容
本發明大體涉及液壓泵，更具體涉及磁驅動離心泵。本發明的一方面涉及用於控制泵內的壓力以平衡軸向葉輪載荷的控制閥。該閥的一個開口由泵的後軸承和推力環確定，該後軸承和推力環位於泵的包殼的封閉端處，在那裡固定了軸的端部。位於包殼封閉端處的定子提供了靜止流體條件，從而進入閥的流體不旋轉。軸的中心流體通道內的流體流出進入泵的主流體流——優選在大體垂直於主流體流的方向，從而產生了低壓文丘裡效應(venturi effect)。
本發明另一方面涉及一種定子，其包括多個靜止徑向葉片，這些葉片位於包殼的內容積中，接近包殼的封閉端。定子的葉片逆著包殼封閉端內流體的旋轉方向，這可在閥的入口處提供增加的壓力。本發明的另一方面涉及位於葉輪輪轂的前側上的壓力埠，其進一步協助平衡泵內的壓力。本發明另一方面涉及用於將泵的磁體支架固定到葉輪的附著機構。該附著機構提供了磁體支架的可釋放性，同時提供了在任一旋轉方向上對扭矩的抵抗。本發明再一方面涉及用於在相對於葉輪和泵殼的多個位置處固定泵的磨損環的附著和鎖定機構。
根據本發明的原理的磁驅動泵包括一個外殼、一個固定到外殼上的包殼、一個固定在包殼的封閉端處的軸、一個位於外殼與包殼內可繞著所述軸旋轉的葉輪、以及可去除地固定到葉輪上並且可繞著所述軸旋轉的磁耦合裝置。該泵還包括位於葉輪和所述軸之間且可繞著所述軸旋轉的前和後軸承、以及後推力閥，該後推力閥包括位於包殼和後軸承之間的後推力環。推力控制閥的開口由在後推力閥和後軸承之間的可變間隔確定。
本發明另一方面涉及一種磁驅動泵，其包括具有封閉端和開放端並且確定了一個內容積的包殼、在內容積之中固定在包殼的封閉端處的軸、和一個固定在包殼的封閉端處的定子，該定子包括至少一個從所述軸的軸線在大體為徑向的方向上延伸至所述內容積內的葉片。
本發明另一方面涉及一種磁驅動泵，其包括一個具有內部通道的固定軸、和一個具有確定了主流體流方向的流體通道的葉輪、以及具有軸孔的葉輪輪轂。葉輪的軸孔的尺寸設置為容納泵的固定軸和軸承。葉輪輪轂包括與固定軸的內部通道流體連通的流體入口、以及引導流體流出所述軸的內部通道進入主流體流的流體出口。
本發明再一方面涉及一種磁驅動泵，其包括一個外殼、一個位於外殼內可旋轉的葉輪、一個包殼、以及第一和第二磨損環。包殼包括一個開放端、一個封閉端、和一個從包殼的開放端徑向延伸的附著凸緣。附著凸緣構造成固定到外殼上並且包括第一磨損環座。第一磨損環可釋放地固定到包殼磨損環座上，並且第二磨損環可釋放地固定到葉輪上，與第一磨損環對齊。
本發明再一方面涉及一種平衡磁驅動泵的方法，該磁驅動泵包括具有前端和後端的包殼、具有內部通道並且固定到包殼後端的軸、位於包殼內可繞著所述軸旋轉的磁耦合裝置、位於磁耦合裝置和軸之間並且可相對於軸旋轉的前和後軸承、以及推力控制閥，該推力控制閥包括一個推力環和一個閥開口，該開口的尺寸由後軸承和推力環之間的相對位置確定。該方法中的步驟可包括在包殼和後軸承之間將推力控制閥定位在包殼的後部；增加在包殼內的壓力，而由此軸向移動後軸承，從而使其離開推力環，以增加控制閥開口的開口尺寸；移動流體使其經過閥開口進入軸的內部通道，由此降低包殼內的壓力；以及隨著包殼內的壓力降低，朝向推力環軸向移動後軸承，以平衡泵內的壓力。
圖1是根據本發明的原理的示例磁驅動離心泵的剖面側視圖；圖2是圖1中示出的泵軸、葉輪和前磨損環的局部放大視圖；圖3是圖1中示出的定子和推力控制閥的局部放大視圖；圖4是圖1中示出的葉輪的剖面側視圖；圖5是圖4中示出的葉輪的前視圖；圖6是圖1中示出的內部磁組件的剖面側視圖；圖7是圖6中示出的內部磁組件的前視圖；圖8是圖1中示出的包括內部磁組件、葉輪和內部磨損環的泵組件剖面後視圖；圖9是圖8中示出的組件的剖面後視圖；圖10是圖1中示出的定子的剖面側視圖；圖11是圖10中示出的定子的前視圖；圖12是圖1中示出的外部後磨損環的前視圖。
具體實施例方式
本發明大體涉及液壓泵，更具體涉及磁驅動離心泵。本發明的一方面涉及用於控制泵內壓力以平衡軸向葉輪載荷的推力控制閥。推力控制閥包括泵的後軸承的一部分以及推力環，它們位於泵的包殼的封閉端處，在那裡固定了軸的一端。流經推力控制閥的流體進入軸的中心流體通道並且從中心流體通道中出來進入泵的主流體流。由於軸保持固定的位置，流經中心流體通道的流體可無旋轉地通過，由此增加了跨越推力控制閥的壓差。
本發明另一方面涉及一個定子，其包括多個靜止徑向葉片，這些葉片位於包殼的內容積中，接近包殼的封閉端。定子的葉片逆著在包殼的封閉端內流體的旋轉方向，這可在推力控制閥的入口處提供增加的壓力。本發明另一方面涉及用於將泵的磁體支架固定到葉輪的附著機構。該附著機構提供了磁體支架的可釋放性，同時提供了在任一旋轉方向上對扭矩的抵抗。本發明再一方面涉及用於相對於葉輪和泵殼在多個位置處固定泵的磨損環的附著和鎖定機構。
參考圖1-12描述了包括本發明的特徵的磁驅動離心泵組件10的一個示例。首先參考圖1的剖視圖，泵組件10包括一個外殼12、一個葉輪14、一個內部磁組件16、一個軸18、前和後軸承20、22，一個定子24、和一個包殼26。泵組件10還包括一個外部後磨損環28、一個內部後磨損環30、一個外部前磨損環32和一個內部前磨損環34。操作中，一個輪轂馬達38為外部磁組件36提供動力，由此導致葉輪14由於內部磁組件16內的磁響應而在外殼12內旋轉。泵組件10還包括一個鄰接前磨損環32、34的推力墊圈40、一個流體返回裝置42、和一個推力控制閥44。推力控制閥44(見圖3)與泵組件10的其它特徵一起在外殼12內提供壓力平衡效應，該壓力平衡效應減少了推力和磨損。
外殼12包括一個主外殼50，其提供貫穿其中的外殼流體通道60；一個抽吸凸緣52和相關的抽吸凸緣支撐件54；以及一個排放凸緣56和相關的排放凸緣支撐件58。當外殼12利用雙頭螺栓66、68及其它支撐件(未標出)組裝並且固定在一起時，除了使流體流過抽吸和排放凸緣52、56的預期流動路徑之外，泵組件10被密封。
現在參考圖4和5，葉輪14包括葉輪輪轂70、具有罩口74的葉輪罩72、內部後磨損環驅動突耳76、內部前磨損環驅動突耳77、內部前磨損環座78、內部後磨損環座80和多個驅動肋82。葉輪14的後體部84包括一個外表面86和一個前孔88、後孔90，以及主流體流通道92。
內部後磨損環驅動突耳76和內部後磨損環座80構造成接合內部後磨損環30。內部前磨損環座78和內部前磨損環突耳77接合併且保持內部前磨損環34(見圖8)。驅動肋82構造成與內部磁組件16接合併且將內部磁組件16保持到葉輪14上(見圖8)。後體部84的後孔90的尺寸設置成容納前和後軸承20、22以及分開所述軸承的隔片21。
現在參考圖6和7，內部磁組件16包括一個磁體外罩100、一個磁芯102、多個磁體104(見圖9)、一個孔106、多個鎖定片108、一個鎖定凸緣110、一個鎖定片入口112和多個驅動葉片114。鎖定片108的尺寸設置成接合葉輪的驅動肋82(見圖4)的輪廓以利用一個扭轉的鎖定附連方式將葉輪14和內部磁組件16固定在一起。鎖定凸緣110進一步將葉輪14和內部磁組件16固定在一起，並且阻止內部磁組件16相對於葉輪14的反向旋轉，否則該反向旋轉將使鎖定片108從葉輪的驅動肋82上脫開。鎖定片入口112提供了抵達鎖定凸緣110的入口。磁體104嵌入磁外罩100內。孔106的尺寸設置成容納葉輪14(見圖4)的後體部84。
圖9示出了具有十四個獨立磁體的磁組件16，這些磁體固定到磁芯102上並且嵌入磁外罩100內。其它實施方式可以包括少到一個磁體，或者包括多於十四個的磁體，以優化泵組件10的性能。此外，圖中示出的各種鎖定片、凸緣、入口和驅動葉片僅僅是例示性的，可由任何合適的鎖定或接合結構特徵替代。
現在參考圖2、圖3和圖8，軸18包括前端120和後端122、內部通道124——優選與軸18的軸線同軸延伸、以及在軸的外部和所述內部通道124之間提供流體連通的橫向口126。軸18的前端120的尺寸設置成接合流體返回裝置42。返回裝置42包括一個前端180、一個中心開孔182和一個側開口184。當返回裝置42耦合到軸18的前端120時，軸的內部通道124與中心孔182流體連通。返回裝置還構造成從孔182排放流體，流體通過側開口184進入主流體流A，優選在主流體流A的流動方向上通過泵組件10。前端180可具有多種不同的構造以利於軸18的前端120周圍的流動。
現在參考圖10和11，定子24包括一個轂130、多個徑向葉片132、一個外部環134、一個螺紋孔136、一個推力環座138和一個推力環140。推力環140能夠可去除地固定到轂130上或者可模製到轂130中使得推力環與其它定子結構成為一個整體的構件，如圖10和11所示。下面描述具有徑向延伸的葉片的定子一些優點，其中這些葉片與包殼分離。
現在參考圖1和圖3，包殼26包括一個封閉的後端150、一個開放的前端152、一個從前端152延伸的附著凸緣154、一個外部後磨損環座156、一個軸座158和一個定子連接轂160。包殼26限定一個內容積162，該內容積162的尺寸設置成容納定子24和圖8與圖9所示部件的子組件。磨損環座156構造成將外部後磨損環28保持到包殼26上。圖12中示出了外部後磨損環28的一個示例，該外部後磨損環28包括多個鎖定片190，這些鎖定片190的尺寸設置成接合位於磨損環座156內的保持構件(未示出)，這些鎖定片190類似於圖6和7中示出的鎖定片108。
現在參考圖3和圖10，定子24包括一個螺紋孔136，該螺紋孔136構造成接合定子連接轂160。轂160包括位於外表面上的螺紋，該螺紋的尺寸設置成接合定子的螺紋孔136。在其它實施方式中，定子可利用其它附著構造——例如鍵槽、帶有配合平面的孔、一套螺釘或任何其它合適的連接裝置——安裝到定子連接轂160上。
當裝配泵組件10時，後部的外和內磨損環28、30彼此對齊，且前部的外和內磨損環32、34彼此對齊。另外，後軸承22的後端190鄰接定子24的推力環140定位。此外，推力墊圈40與內部前磨損環34的前表面對齊。推力墊圈40和推力環140用來在推力沒有與壓力平衡的情況下——例如在啟動時——在兩個軸向上控制軸向推力。如下所述，這些彼此對齊的結構特徵之間的交界面和相對間隔對於平衡泵組件內的推力是重要的。
當使用時，泵送物質(流經泵組件10的流體)在抽吸凸緣52處進入泵組件10，並且作為流體流A進入葉輪14。在通過葉輪之後，泵送物質流入外殼流體通道60，在那裡泵送物質匯集並且經過排放凸緣56被引導出泵組件10。一些匯集在外殼流體通道60內的泵送物質在成對的外殼環28、30和32、34之間通過。在外殼環28、30之間通過的泵送物質匯集在包殼26的內容積162中。隨著內容積162內的壓力增加，圖8和9中示出的不包含軸18的子組件(下文中稱為「葉輪/磁體子組件」)開始在包殼26內軸向移動，移離包殼的後端150。隨著葉輪/磁體子組件開始移動，推力控制閥44開始打開，使得來自內容積162的流體通過，經過橫向口126進入軸18的內部通道124。隨著流體流經推力控制閥44，在內容積內在葉輪14後的位置處壓力降低，並且葉輪朝向包殼26的後端150軸向向回移動，關閉推力環140和後軸承22之間的空間。推力控制閥44關閉到一個位置，在該位置，內容積162內的壓力和作用在包殼26外葉輪14上的力之間達到平衡。該平衡位置優選處於推力環140和後軸承22不彼此接觸並且推力墊圈40和內部的前磨損環34不彼此接觸的位置。
一旦流體通過推力控制閥44進入軸18的內部通道124，流體能夠作為流B朝向流體返回裝置42流動，並且重新進入主流體流A，如圖2所示。
在使用時，當由外部磁體組件36和輪轂馬達38驅動時，葉輪/磁體子組件以非常高的速度在外殼12內旋轉。該旋轉的子組件導致流體隨著葉輪在包殼26的內容積162內旋轉。定子24，當位於所述旋轉的子組件之後時，減少所述流體的旋轉，並將所述旋轉流體的動能轉化為勢能，所述勢能產生更高的壓力狀態，有助於在內容積162和流體返回裝置42處的流體之間產生較大的壓差。在推力控制閥44上具有高的壓差有利於控制內容積162內的壓力。如果在推力控制閥44的入口處壓力低，那麼，當推力控制閥的開口擴大時，將有很小的流動變化，因而壓力變化很小。如果打開和關閉推力控制閥不能改變內容積162內的壓力，那麼推力控制閥22不能幫助對推力進行平衡。
泵組件10內的壓差由文丘裡效應進一步提高，所述文丘裡效應是由流體返回裝置42所提供的排出方向和設計產生。隨著流體流A經過側開口184，流B被吸入流A內。此文丘裡效應降低了通道124內的壓力，有助於進一步增加推力控制閥44上的壓差。另外一個重要之處在於所述閥開口44直接鄰接內容積162，從而在所述內容積內集聚的流體不需要經過其將被葉輪進一步旋轉的區域。通過使流體的旋轉最小化，壓力梯度也最小化，並且在所述閥處可得到最大壓差。
某些已知的推力平衡閥包含葉輪輪轂中的可變閥開口以及軸的固定端處的分離開口。為了使流體從所述軸的固定端流到此種構造中的葉輪輪轂內的可變開口，流體必須鄰近旋轉葉輪由管道輸送，例如使用一套在葉輪內形成的凹槽，所述凹槽從包殼的後部延伸至向前取向的葉輪輪轂。由於這些通道作為葉輪的一部分旋轉，所以產生作用於在通道內旋轉的流體上的離心力。此離心力導致在位於所述軸固定端的閥開口和葉輪輪轂內的可變的閥之間具有減小的壓差。該降低的壓差限制一個有效的操作範圍，在該範圍內所述可變閥能夠控制所述泵組件中的推力。通過在所述軸的固定端處設置帶有可變開口的推力閥，並使流體經過不旋轉的構件(即，通過軸自身的中心通道)，以上所描述及在圖1-12中示出的示例泵組件提供了顯著較高的壓差，並且為各種泵應用在大很多的條件範圍上提供了有效地工作的可能性。
許多不同的材料可以良好地適用於泵組件10的各種構件。例如，所述推力環、推力墊片、磨損環、軸和軸承能夠由碳化矽或其它適當的抗磨損材料製成。類似地，所述包殼和葉輪可以覆有諸如碳化矽之類的抗磨損材料。
上述的描述、例子和數據對本發明的構成的製造和使用提供了可完整的說明。由於不脫離本發明的主旨和範圍，可以得到本發明包殼的許多實施方式，所以本發明由所附的權利要求書限定。
權利要求
1.一種磁驅動泵，包括一個外殼；一個固定至所述外殼的包殼；一根固定至所述包殼的軸；一個位於所述外殼內可繞著所述軸旋轉的葉輪；一個可去除地耦合到所述葉輪並且可繞所述軸旋轉的磁耦合裝置；一個位於所述葉輪和所述軸之間且可繞所述軸旋轉的後軸承；以及一個推力控制閥，該推力控制閥包括位於所述包殼和後軸承之間的後推力環，該推力控制閥的開口由所述推力環和後軸承之間的可變間隔確定。
2.如權利要求1所述的泵，其中，所述後軸承在沿著所述軸的軸線方向上能夠軸向地移動，從而改變推力控制閥開口的尺寸。
3.如權利要求1所述的泵，進一步包括位於所述葉輪前部處的相對的內部和外部前磨損環、以及位於所述葉輪後部處的相對的內部和外部後磨損環。
4.如權利要求1所述的泵，其中，所述包殼包含開放的前端和封閉的後端，並且所述泵進一步包括一個定子，該定子包含至少一個徑向延伸的葉片，並且位於所述包殼的後端以穩定由所述葉輪和磁耦合裝置相對於所述包殼的旋轉所產生的旋轉流。
5.如權利要求4所述的泵，其中，所述後推力環嵌入在所述定子內。
6.如權利要求4所述的泵，其中，所述定子能夠從所述包殼去除。
7.如權利要求1所述的泵，其中，所述軸包含在所述葉輪內的推力控制閥與主流體流之間延伸的內部通道，且該內部通道與所述葉輪內的主流體流和所述推力控制閥流體連通。
8.如權利要求3所述的泵，其中，所述內部前磨損環包含至少一個鎖定片，而所述葉輪包含內部前磨損環座，該內部前磨損環座具有至少一個鎖定凹部，所述鎖定凹部構造成與所述鎖定片接合以可釋放地保持所述內部前磨損環。
9.一種磁驅動泵，其包括具有封閉端、開放端並且限定一個內容積的包殼；在所述內容積之中固定在所述包殼的封閉端處的軸；和一個固定在所述包殼的封閉端處的定子，且該定子包含至少一個從所述軸的軸線在大體為徑向的方向上延伸至所述內容積內的葉片。
10.如權利要求9所述的泵，其中，所述定子構造成可釋放地固定至所述包殼。
11.如權利要求9所述的泵，其中，所述泵進一步包含固定至所述定子的後推力環。
12.如權利要求9所述的泵，其中，所述定子包含多個徑向延伸的葉片和與所述葉片互連的外環。
13.一種磁驅動泵，其包括一個具有內部通道的固定軸；和一個具有流體通道和軸孔的葉輪；其中，所述流體通道確定主流的方向；所述軸孔的尺寸設置成容納利於所述葉輪在所述固定軸上旋轉的軸承，所述流體通道與所述固定軸的內部通道流體連通。
14.如權利要求13所述的泵，進一步包括流體返回裝置，該流體返回裝置構造成安裝至所述軸的一端，並構造成將流體流從所述內部通道引導至所述主流體流內並提供文丘裡效應。
15.一種磁驅動泵，其包括一個外殼；一個具有前端和後端並位於外殼內的可旋轉葉輪；一個包殼；其具有一個開放端、一個封閉端、和一個從所述包殼的開放端徑向延伸的附著凸緣，所述附著凸緣構造成固定到至所述外殼並且包含外部磨損環保持件；一個外部後磨損環，其無需中間構件可釋放地固定到所述外部磨損環保持件；以及一個內部後磨損環，其無需中間構件可釋放地固定到所述葉輪的後端，且與所述外部後磨損環對齊。
16.如權利要求15所述的泵，其中，所述外殼包含外部前磨損環保持件，並且該泵進一步包括外部和內部前磨損環，所述外部前磨損環無需中間構件可釋放地固定至所述外部前磨損環保持件；而所述內部前磨損環無需中間構件可釋放地固定至所述葉輪的前端，且與所述外部前磨損環對齊。
17.如權利要求16所述的泵，其中，所述磨損環包含鎖定片，所述鎖定片構造成為所述外殼、包殼或葉輪提供扭轉鎖定安裝。
18.一種平衡磁驅動泵的方法，該磁驅動泵包括具有開放前端和封閉後端的包殼；具有內部通道並且固定到所述包殼後端的軸；位於所述包殼內可繞著所述軸旋轉的磁耦合裝置；位於所述磁耦合裝置和軸之間並且可相對於該軸旋轉的前和後軸承；以及推力控制閥，該推力控制閥包括一個推力環和一個閥開口，該開口的尺寸由後軸承和推力環之間的相對位置確定，該方法包括如下步驟在所述包殼和後軸承之間將推力控制閥定位在該包殼的後部；增加在所述包殼內的壓力，而由此軸向移動所述後軸承，從而使其離開推力環，以增加所述控制閥開口的開口尺寸；移動流體使其經過閥開口進入所述軸的內部通道，由此降低所述包殼內的壓力；以及隨著所述包殼內的壓力降低，朝向所述推力環軸向移動所述後軸承。
19.如權利要求18所述的方法，其中，所述葉輪包含用於使所述主流體流通過所述泵的流體通道，所述方法進一步包括使位於所述軸的內部通道內的流體移動至所述主流體流內。
20.如權利要求18所述的方法，其中，所述後軸承位於所述包殼的後端處，所述方法進一步包括使所述後軸承向所述磁體組件的後面延伸，籍此僅僅所述後軸承接觸所述推力環以限定所述推力控制環。
全文摘要
一種磁驅動泵，包含一個外殼；一個固定至所述外殼的包殼；一根固定至所述包殼的封閉端的軸；一個位於所述外殼和包殼內可繞著所述軸旋轉的葉輪；以及一個可去除地固定至所述葉輪並可繞所述軸旋轉的磁耦合裝置。所述泵還包含位於所述葉輪和所述軸之間且可繞所述軸旋轉的後軸承；以及一個推力控制閥，該推力控制閥包含位於所述包殼和所述後軸承之間的推力環。該推力控制閥的開口由所述推力環和後軸承之間的可變間隔限定。
文檔編號F04D29/04GK1902399SQ200480039557
公開日2007年1月24日 申請日期2004年10月6日 優先權日2003年12月30日
發明者理察·D·亨布裡, 弗朗西斯·杜普伊斯 申請人:萬納工程公司