低磨損漿料泵的製作方法

2023-12-09 12:24:36

低磨損漿料泵的製作方法
【專利摘要】一種用於漿料的離心泵，結合了相對於常規配置的設計改變，其產生準層流並實質性地延長了外殼的壽命。外殼的分水間隙增大到葉輪直徑的0.20至0.25倍。該外殼包括重新設計的可移除環形襯裡，該襯裡的直徑增大到葉輪直徑的至少1.15倍。該泵優選地還具有可軸向調節的磨損環，該磨損環地直徑增大到使得其延伸超過磨損環與葉輪之間的接合處區域的直徑的至少10%。
【專利說明】低磨損漿料泵
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求提交於2011年4月14日的第61/475，631號的美國臨時專利申請的優先權。
【技術領域】
[0003]本發明總體涉及用於漿料的泵的領域。尤其是，本發明涉及具有改良的模塊化幾何構造的離心泵，該改良的模塊化幾何構造降低了磨損，並允許外殼(casing)部件的更換，從而延長了泵的使用壽命。
【背景技術】
[0004]液體和固體的混合物，諸如在採礦和礦石處理操作中的漿料，典型地通過使用離心泵來移動。泵的旋轉葉輪產生壓差，該壓差將漿料從軸向輸入埠移動到泵的徑向排出部分。葉輪生成的離心力在輸入埠處產生吸力，並使漿料以具有徑向分量的相對高的速度排出，這在外殼外圍部分的內壁上產生磨蝕(abrasion)。
[0005]此外，被卡在旋轉葉輪與外殼的靜止壁之間的漿料顆粒在泵的這兩個部件上都會產生磨損。這個問題在葉輪的吸入側上更普遍和嚴重，因為在排出口中的高壓液體傾向於通過旋轉葉輪與靜止前外殼壁之間的間隙流向泵的吸入部分中的低壓區。由於這種旁通流產生的磨蝕加寬了此間隙，漿料再循環的量增大，並導致泵液壓性能和效率的損失。因此，葉輪前吸入側上的磨損是尤其不希望出現的。另一方面，葉輪後側上的磨損不那麼明顯，因為沒有旁通流到達葉輪的軸側。
[0006]由於漿料在葉輪和外殼壁上的這種連續磨蝕，漿料泵最終會發生故障，造成意外停機，並帶來高額經濟損失。因此，優選需要定期的維護停機，並定期規劃班次，以便最小化停機時間。典型地，外殼的壽命確定了泵的最終工作年限，但是在此期間，在計劃的維護停機時在外殼吸入側處的襯裡和葉輪需要被更換一次或多次。
[0007]為了減少由在葉輪與外殼之間移動的漿料顆粒造成的磨損，在葉輪與圍繞其的外殼壁之間的間隙中排出葉片(expelling vane)已經使用了數十年。這些葉片促進了顆粒的排出並且還降低了旁通再循環，但此問題始終是造成不合要求的停機時間的重要因素，無論該停機時間是計劃性的還是意外性的。
[0008]在美國專利第5，921，748號中解決了這個問題，該專利公開了密封裝置，該密封裝置實際上消除了在葉輪吸入側與外殼相應壁之間的間隙的任何增大，因此在泵的壽命期間維持了相對恆定的間隙水平和液壓性能。可軸向調節的磨損環被添加到常規的泵配置中，以基本上消除在泵的吸入區中葉輪與外殼壁之間的間隙。由於環會隨時間磨損，通過將其向內推來調節其位置，以便維持適當的密封，僅留下足以適合葉輪自由旋轉而不產生顯著旁通的間隙。此外，為了避免由俘獲(trapping)造成的磨損，『748專利還教導了增大排出葉片的高度，以及將葉片與外殼前吸入壁的襯裡之間的間隙的增大到超過漿料中預期的最大顆粒尺寸。[0009]儘管美國專利第5，921，748號中教導的密封和間隙在本【技術領域】帶來了顯著的改進，但長期的使用顯示額外的磨損問題仍未解決。在外殼的內周壁上的磨損和破損仍然是限值泵外殼壽命的關鍵因素。此外，儘管『748發明通過降低葉輪與磨損環之間相接處的壓力而顯著減小了旁通再循環，但較高的排出葉片以及葉輪與外殼前壁之間的間隙被證明會造成漿料湍流的局部增強，這會發生在外殼襯裡與外殼的相接處和外殼襯裡與磨蝕環的相接處，該漿料湍流在外殼襯裡上產生非常高的磨蝕。結果是，泵的性能被極大地改善，但在外殼的周壁上以及外殼與前襯裡的相接處的磨損和破損仍然成為問題，並且仍舊需要一種泵外殼設計，這種設計能提供與泵外殼的其他部分相稱的使用壽命。

【發明內容】

[0010]本發明提供了一種離心泵，其結合了相對於常規配置的若干設計改變。該泵具有外殼，該外殼具有葉輪區域和帶有分水間隙的蝸殼區域，如常規限定的那樣，葉輪適於在葉輪區域內旋轉。該分水間隙增大到葉輪直徑的0.20倍至0.25倍，這意味著比現有技術的常規設計增大近似50%。此外，該外殼包括限定外殼吸入側的重新設計的可移除環形襯裡。與基本上等同直徑的常規設計相比，襯裡的外直徑增大到為葉輪直徑的至少1.15倍。在本發明的用於礦業應用的優選實施例中，環形襯裡的直徑為葉輪直徑的約1.18倍至約1.22倍。
[0011]本發明的泵優選地在環形襯裡與葉輪吸入側之間還結合了由美國專利第5，921，748號教導的可軸向調節的磨損環。此外，同樣的多個增高排出葉片被添加到葉輪吸入側，在葉片與環形襯裡之間留下的間隙大於漿料顆粒尺寸分布中預計的最大固體顆粒的尺寸。在這樣的情況下，根據本發明，磨損環的直徑被增大，使得其延伸超過磨損環與葉輪之間的相接區域的直徑的至少10%。
[0012]根據說明書中的描述且根據在所附權利要求中特別指出的新穎的特徵，本發明的不同其他目的和優點將變得很明顯。因此，為了完成上述的目標，本發明包括在附圖中說明的，在優選實施例的具體描述中充分描述的以及在權利要求中特別指出的特徵。然而，這樣的附圖和說明書公開了可實施本發明的不同方式的僅僅一種。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是由美國專利第5，921，748號教導的現有技術的泵的剖面圖。
[0014]圖2是根據本發明的泵的剖面圖。
[0015]圖3是本發明的泵的葉輪和蝸殼區域的示意性斷面示圖，其粗略地示出了在由本發明的泵泵送的漿料中存在的固體的尺寸分布。
[0016]圖4是通過圖1的泵的漿料流分布的示圖，顯示了產生湍流的不規則速度梯度。
[0017]圖5是通過圖2的泵的改進漿料流分布的示圖，顯示了根據本發明通過擴大蝸殼的深度產生的準層流。
[0018]圖6示出在圖1的泵上實現的蝸殼深度的增大，以便實現由圖2的泵展現的流的改進。
[0019]圖7示出了由本發明教導的增大的分水(cutwater)間隙與葉輪直徑比率。
[0020]圖8是圖3的同一剖面圖，更詳細地示出了根據本發明的外殼前部的模塊化襯裡部件。
[0021]圖9是圖8中被圈出的區域的放大視圖。
[0022]圖10是示出根據本發明優選實施例的泵的主要部件的分解圖。
【具體實施方式】
[0023]本發明包含對美國專利第5，921，748號中公開的類型的離心漿料泵中使用的外殼常規配置的改變的組合。因此，此現有技術的泵用於描述這些改變。本發明的一個方面包括擴大外殼直徑與葉輪直徑的比率，以增加漿料在泵的蝸殼部分中的駐留時間，因此減小了漿料中較大固體顆粒碰撞和擦傷外殼的外圍表面的速度的徑向分量。外殼面向葉輪吸入側的部分被轉變成具有磨損襯裡的模塊化部段，因此實現了按照需要在計劃維護停機期間更換該模塊化部段，以與外殼其餘部分的更長工作壽命相匹配。根據本發明的另一方面，此部段被重新設計成已被證實會極大地影響其壽命的幾何構造。
[0024]在本領域中使用時，離心泵外殼上接收由葉輪泵送的流體的部分被稱為「蝸殼」。即，蝸殼是限定在由葉輪佔據的空間以外的體積的泵外殼部分。通過成形為彎曲的漏鬥形，其距離排出埠越近該漏鬥形的橫截面越大，泵的蝸殼通過降低流體速度將葉輪給予的動能轉變成壓力，因此平衡了作用在泵軸上的液壓。葉輪與外殼之間的最小間隙被稱為「分水間隙」，這種間隙最佳地在僅僅水被正在泵送時最小。作為定語，術語「吸入」和「前」可以互換使用，指的是泵的吸入側。泵的相反、軸側可互換地稱為「後」側或「壓蓋(gland)」側。術語「漿料」按其普通意義使用，指的是固體顆粒在液體中形成的流體混合物，這樣的混合物是流體的意義是指其能在泵的推進作用下在管子中被傳輸。
[0025]參考附圖，其中相同的參考數字和符號用於相似的部分，根據美國專利第5，921，748號的離心泵在圖1中示出，以示出由本發明引入的改變。該泵10包括軸12、葉輪14和靜止外殼16。葉輪包括吸入側14a和壓蓋側14b。葉輪14由電機(未示出)經由軸12驅動，並在泵的靜止外殼16內繞軸線X— X旋轉。漿料經由進入喉部18進入泵，並以高速被強制穿過旋轉葉輪(見箭頭A)進入泵蝸殼20內的高壓區域，漿料從該高壓區域經由排出管22排出。
[0026]葉輪的吸入側14a優選地配備有多個徑向布置的排出葉片24。葉片24與泵外殼16之間的間隙26優選地大於要泵送的漿料的正常設計輸出中最大固體顆粒的預計尺寸。這是為了避免磨蝕固體被俘獲在旋轉的葉輪葉片24與泵外殼16之間。當泵運行時，葉片24降低了在葉輪吸入側14a與外殼16之間的區域中的液壓，以幫助防止漿料流入該間隙26中。優選的，葉輪的壓蓋側14b也配備了形成在葉輪表面中的多個徑向設置的葉片28。
[0027]基本上為環形的磨損環30設置在泵外殼14的凹進處中，並且在使用時被軸向調節以便緊鄰於葉輪吸入側14a的表面。磨損環30有效地密封葉輪與泵外殼之間的空間，減少了從高壓蝸殼20返回到低壓入口 18中的漿料的旁通流。因此，磨蝕顆粒較不可能被俘獲在葉輪與外殼之間。磨損環30被安裝在託架(carrier)32上，其在由於磨損而產生需要時，可以藉助於從泵外殼外部調節螺釘(未示出)來進行軸向調節。因此，可以有利地在不停止泵的情況下做出調節。
[0028]如圖2中所示，與『748號專利中公開的泵的常規設計相比，本發明的泵40的外殼42具有擴大的直徑，以便提供更厚的旋轉漿料沉積層(bed)，以偏轉退出葉輪的較大固體的徑向軌跡和降低正在泵送的固體顆粒碰撞外殼周壁34的速度。此外，如圖3中所示，在外殼外圍處較慢地轉動的漿料中的大顆粒提供了材料的沉積層，該沉積層還降低了固體對外殼壁34的磨蝕碰撞。
[0029]然而，除了上述內容以外，已經發現增大外殼/葉輪直徑比還被能提供預料不到的結果，這能顯著改變泵蝸殼20中的漿料流的性質。如圖4中的軸向截面圖中所示，在圖1的泵10中的眾料的流速分布圖(velocity profiIe)顯示在靠近泵外殼的壁34的位置處有多個高速區域。流速分布圖還示出很高程度的紊流(也由徑向速度梯度示出)，尤其是在泵的排出管22附近的區域。如本領域中技術人員很容易理解到的，漿料流中的紊流是產生管道壁的磨蝕和磨損的重要因素。相比起來，已發現，除以上提到的優點外，本發明教導的增大分水間隙還能在漿料中產生準層流，如圖5中的速度圖所示。圖5中所示出的流速均勻性以及由此帶來的紊流消失是完全未預料到的，但它們提供了非常有利的附加優點，因為在等同條件下工作時，相對於圖1中的泵10所經受的磨損，它們對顯著降低圖2中泵40外殼周壁34上的磨損做出了相當大的貢獻。
[0030]本領域技術人員將認識到，離心泵的蝸殼的特徵在於直徑逐漸增大。因此，為了清楚起見，增大外殼直徑指的是增大泵的分水間隙，而並不顯著改變外殼的逐漸增大的輪廓。例如，如圖6中所示，圖5中的流體分布是通過將泵10外殼的分水間隙Cl增大Λ C的量以獲得泵40的間隙C2而實現的。儘管可以理解，為實現本發明的目標所需的精確擴大量取決於被泵送的漿料的類型，但為了獲得本發明的改進流動和磨損結果，估計分水間隙與葉輪直徑的比C/D需要在0.20至0.25的範圍內，如圖7中所示。
[0031]對於圖1中的泵配置的另一個問題是在外殼16吸入壁的環形區域36中所經受的相對較高的磨損(見圖1)。為了解決這個問題，一些泵外殼設計成包括模塊化吸入側部件，該部件具有計劃定期更換的環形襯裡。這些襯裡的尺寸製造成具有近似於葉輪直徑的外直徑和使得襯裡貼靠磨損環的內直徑，其中環與葉輪相接。然而，如從圖4提供的信息所見，高紊流的環形區域36從葉輪14的外邊緣38徑向延伸出約為葉輪半徑的15%的距離。區域36還在葉輪的邊緣38以下延伸約10-15%。圖4示出在此區域中出現的高度紊流，這說明了與外殼其餘部分(包括周壁34)相比，外殼16在環形區域36中遭受到相應的非常高的磨損。儘管通過如圖2中的泵40這樣的泵，利用擴大分水間隙設計能在總體上顯著減少紊流，但在外殼前壁的相同環形區域中仍然存在相對較高程度的紊流，如圖5中所見。長期以來，此問題已經被證實是泵壽命的限制因素，即使是在使用可更換的襯裡時，因為儘管葉輪和襯裡可在計劃停機時間被定期更換，但外殼永久部分在此區域經常同時遭受的損傷並不能申請更換葉輪和襯裡。因此，任何能延長外殼永久部分壽命的解決方案也會延長泵的壽命O
[0032]此問題已通過在外殼前部中設置模塊化部件44來解決，該外殼前部支撐襯裡46，襯裡46構成外殼的內壁，如圖2、3和7中所示。根據本發明，環形襯裡46的尺寸製造成其外直徑比葉輪14的直徑D大15%到25% (優選的為18%-22%)(尤其是參見圖8)。常規做法是，用於襯裡46的優選材料基於被泵送的漿料選擇。然而，當靠近葉輪邊緣的區域36所經受的磨損到較高程度以至於需要進行更換時，外殼前壁的此模塊化結構使得能更換該結構，而不需換掉整個外殼，這通常且最好是在已經計劃的用於葉輪維護的停機時間期間時進行。[0033]如上所提到的，當使用如美國專利第5，921，748號所教導的磨損環30時，在磨損環與葉輪之間相接的區域中由排出葉片24產生紊流，在吸入襯裡與磨損環相接處對吸入襯裡造成相當大的侵蝕。此磨損最終引起作為密封件以及磨損環支撐結構的襯裡的故障。因此，這是影響兩個部件壽命的嚴重問題。這樣，根據本發明的另一方面，增大磨損環的直徑，使得該磨損環延伸超過在磨損環與葉輪之間的相接處附近由增大的排出葉片產生的紊流區域。如圖9中所示，磨損環30的直徑E增大到比磨損環與葉輪14之間的相接處表面48的直徑F大10%至14%。已發現此尺寸足以按需要從葉片24產生的紊流中除去環30與襯裡46之間鄰接處的部分50，以提供對襯裡的磨損的實質性改進。
[0034]實驗性測試已經證明:和那些不具有本文中公開的擴大直徑設計和可更換吸入襯裡特徵的類似泵相比，本發明的泵40無故障運行的工作壽命更長。實際上，由於擴大外殼直徑與如所述尺寸的可更換吸入襯裡46和磨損環30相結合能實現周壁34磨損的顯著減少，這使得能用同一個永久外殼42繼續運行很長的工作壽命時間，只需要例行維護停機，以按需要更換葉輪、襯裡、磨損環和其他部分。
[0035]圖10示出本發明優選實施例的不同部件的簡化分解視圖。本質上，泵40的主要部件包括外殼42和葉輪14，該葉輪14被模塊化外殼部件44和襯裡46包圍。磨損環30在蝸殼與泵的吸入區域之間提供密封。外殼的壓蓋側被常規的後襯裡52和背板54包圍。儘管磨損環30並非新概念，但其具有新穎性的尺寸優化以及與本發明的擴大分水間隙和較大吸入襯裡的結合使用，對於實現本發明是優選的。
[0036]在本文中由隨附權利要求說明和限定的本發明的精神和範圍內，可由本領域技術人員對所描述的細節、步驟和部件做出不同改變。因此，儘管在本文中示出和描述的發明被認為是最實際的和優選的實施例，可以認識到在本發明的範圍內可偏離該實施例，該偏離不限於本文中公開的細節但符合權利要求的整個範圍，以便包含任意和全部的等同處理和
女口
廣叩ο
【權利要求】
1.一種用於漿料的離心泵包括: 泵外殼(42)，其限定出葉輪區域、蝸殼區域(20)，和相應的分水間隙(C，C2);和 葉輪(14)，其適於在所述葉輪區域內旋轉，所述葉輪具有預定直徑； 其中，所述外殼(42)包括在所述外殼(42)的吸入側中的可移除環形襯裡(46)，所述襯裡(46)的直徑(G)為所述葉輪(14)的所述直徑(D)的至少1.15倍；並且所述分水間隙(C，C2)在所述葉輪(14)的所述直徑(D)的0.20倍至0.25倍之間。
2.如權利要求1所述的泵，其中所述可移除環形襯裡(46)的直徑(G)為所述葉輪(14)的所述直徑(D)的約1.18倍至約1.22倍。
3.如權利要求1所述的泵，還包括位於所述環形襯裡(46)和所述葉輪(14)的吸入側之間可軸向調節的磨損環(30)，所述環(30)的直徑(E)比所述磨損環(30)與所述葉輪(14)之間的相接處的表面(48)大10%至14%。
4.如權利要求1所述的泵，還包括在所述葉輪(14)的吸入側上的多個增高的排出葉片(24)，所述葉片(24)限定出在所述葉片(24)與所述環形襯裡(46)之間的間隙，該間隙大於所述漿料的顆粒尺寸分布中的最大固體顆粒的尺寸。
5.如權利要求1所述的泵，還包括位於所述環形襯裡(46)與所述葉輪(14)的吸入側之間可軸向調節的磨損環(30)，所述環(30)的直徑(E)比所述磨損環(30)與所述葉輪(14)之間的相接處的表面(48)大10%至14% ;所述泵還包括在所述葉輪的吸入側上的多個增高的排出葉片(24)，所述葉片(24)限定出在所述葉片(24)與所述環形襯裡(46)之間的間隙，該間隙大於所述漿料的顆粒尺寸分布中的最大固體顆粒的尺寸。
6.如權利要求5所述的泵，其中所述可移除環形襯裡(46)的直徑(G)為所述葉輪(14)的所述直徑(D)的約1.18倍至約1.22倍。
【文檔編號】F04D29/22GK103597217SQ201280028854
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2012年4月13日 優先權日:2011年4月14日
【發明者】J.弗拉特, R.麥克加西 申請人:Fl史密斯公司