專利名稱：正旋渦高效高壓泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該項(xiàng)發(fā)明屬于流體機(jī)械，主要應(yīng)用于低黏度流體如水、輕質(zhì)油及氣體的增壓輸送，尤其適用于液體的較高壓、高壓系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，在高壓20～300m、小流量0.1～20m3/h范圍內(nèi)的液體輸送系統(tǒng)中，除采用柱塞泵和齒輪泵等容積泵外，還普遍使用旋渦泵。旋渦泵結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，它具有一個圓周上呈放射狀均勻排列著20～60個葉片的圓盤樣的葉輪，與圓形泵殼共同構(gòu)成一條等截面的環(huán)形流道，流道的進(jìn)出口均在流道的外圓周上，中間有隔板，由此將進(jìn)出口隔離開。它的工作原理是，利用葉輪的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使流體受離心力作用在內(nèi)產(chǎn)生縱向旋渦運(yùn)動，這種旋渦運(yùn)動是一種螺旋狀前進(jìn)的運(yùn)動；在縱向旋渦過程中，流體質(zhì)點(diǎn)通過葉輪葉片把能量傳遞給流道內(nèi)的流體質(zhì)點(diǎn)，流體質(zhì)點(diǎn)每經(jīng)過一次葉片，就獲得一次能量。因此在相同葉輪外徑情況下，旋渦泵比離心泵揚(yáng)程要高。但它的機(jī)械效率很低，使用范圍有限。
為了深入研究旋渦泵的工作原理，找到解決其低效問題的辦法，在分析之前，我們暫先明確以下定義旋渦旋向與流道內(nèi)流體流向一致的，成為正旋渦；相反的稱為負(fù)旋渦；垂直或成一定角度的統(tǒng)稱為側(cè)旋渦。同時(shí)，取單一液體泵進(jìn)行說明。
現(xiàn)在的旋渦泵，由于流道內(nèi)液體不僅存在縱向環(huán)形流動，而且還存在橫向的環(huán)形流動一側(cè)旋渦。也正是這種側(cè)旋渦，才使得泵內(nèi)液體能夠反復(fù)進(jìn)出葉輪，提高了液體的動能、勢能；但也正是由于存在這種運(yùn)動，使得液體不斷在泵體與葉輪葉片間發(fā)生摩擦，造成損耗；同時(shí)，這種側(cè)旋渦的中心則形成一個相對低能區(qū)域，這里的液體不能進(jìn)入葉輪流道進(jìn)行增加能量，只能通過其周圍螺旋狀前進(jìn)的側(cè)旋渦流獲得能量；因此，在這個中心區(qū)域存在一定的液體回流現(xiàn)象。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了限制這種低壓側(cè)旋渦中心的區(qū)域過大，流道寬度就不能設(shè)計(jì)得過寬，從而也就限制了這種泵的流量范圍。
通過進(jìn)一步研究，我們還發(fā)現(xiàn)，在旋渦泵運(yùn)行過程中，在每個葉片的背面始終存在一種低壓渦流-負(fù)旋渦。它是由于葉輪直葉片在其高速旋轉(zhuǎn)過程中，周圍液體無法迅速補(bǔ)充至葉片的背后區(qū)域，進(jìn)而產(chǎn)生一個低壓區(qū)域，區(qū)域內(nèi)的液體受到流道內(nèi)流體的帶動作用，產(chǎn)生了負(fù)旋渦。當(dāng)該區(qū)域內(nèi)壓力降低到一定程度時(shí)，就會發(fā)生汽蝕，產(chǎn)生噪音，對葉片構(gòu)成危害。因此，這種負(fù)旋渦對流體增壓毫無作用，只會無端消耗能量；研究認(rèn)為，負(fù)旋渦產(chǎn)生的能量耗散在總能量耗散中所占比例很大。所以，旋渦泵無論是在大流量還是在小流量段內(nèi)，它的效率都比較低，一般在20％～40％之間。這是目前旋渦泵致命的缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制了這種泵的使用范圍。
綜合目前泵類性能和市場實(shí)際需求，迫切需要一種流量適用范圍寬，比如在0.1～1500m3/h，高揚(yáng)程，比如在100～3500m，高效率80％以上，高可靠性，極低脈動的旋渦泵。這就是本發(fā)明要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
通過對現(xiàn)有技術(shù)的分析，要提高旋渦泵的性能，就必須要克服它們的缺點(diǎn)。
本發(fā)明提供了一種高效流體增壓泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，它克服了現(xiàn)有旋渦泵的所有不足，繼承延伸了已有的優(yōu)點(diǎn)。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下首先，它采用了一種形似圓盤鋸的轉(zhuǎn)子，若干個鋸齒形葉片在圓周上均勻分布，轉(zhuǎn)子的寬度取決于設(shè)計(jì)流量的大?。黄浯?，由轉(zhuǎn)子兩端的、與轉(zhuǎn)子固定在一起同時(shí)旋轉(zhuǎn)的側(cè)板和等直徑的定子內(nèi)壁一同構(gòu)成等截面環(huán)形流道；第三，轉(zhuǎn)子上的側(cè)板圓周與定子內(nèi)壁采取精密配合，間隙極小，用于泵的軸向流體密封；密封面中間設(shè)有均壓槽，并通過在定子上的一個孔與泵的吸入口相連，或與抽吸裝置相連接，以減少或基本消除泵送流體的外泄量；第四，泵的兩端由兩個端蓋固定在定子上，轉(zhuǎn)子通過軸和固定在端蓋上的軸承保持與定子穩(wěn)定的同心度；第五，環(huán)形流道由專門設(shè)計(jì)的隔板擋塊分割開來，一邊設(shè)置流體吸入口，一邊是流體排出口，與目前的旋渦泵一致，但它的隔板擋塊截面形狀呈類似等腰梯形設(shè)計(jì)。
它的工作原理是這樣的當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子葉片的速度高于環(huán)形流道內(nèi)流體的速度，由于是環(huán)形流道，每個旋渦體的質(zhì)點(diǎn)能量分布均是外高內(nèi)低，即沿著徑向由低到高分布，越是靠近流道外層的能量越高，越是靠近轉(zhuǎn)子的能量越低；而轉(zhuǎn)子的鋸齒形葉片則正好可不斷收集處于低能量的流體質(zhì)點(diǎn)，并在葉片處受到葉片的導(dǎo)流作用而轉(zhuǎn)向、受到離心力的作用而加速，沿著與流體排出基本一致的方向、大于轉(zhuǎn)子外圓切線的角度流出，然后與流道內(nèi)的流體進(jìn)行能量傳遞；從轉(zhuǎn)子葉片處產(chǎn)生的液體流既起到增加流道內(nèi)液體能量的作用，又起到隔斷回流的作用；如此不斷循環(huán)，使得每個旋渦體不斷受到加速，增加能量。這些流體被轉(zhuǎn)子的若干個鋸齒形葉片分割為若干個正旋渦體，并且首尾相連，就像若干個電池串聯(lián)可以獲得高電壓那樣，在泵的排出口處積累到很高的壓力，使流體獲得很高的揚(yáng)程。
分項(xiàng)研究表明，本發(fā)明具有區(qū)別于現(xiàn)有旋渦泵技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)1.基于以下原因，這種泵可以獲得很高的效率。
1.1轉(zhuǎn)子葉片呈類鋸齒形，消除了直葉片背后存在的低壓負(fù)旋渦。因此泵內(nèi)只存在正旋渦，同時(shí)也沒有側(cè)旋渦；每個正旋渦體被葉片拋出的流體封閉，在流道內(nèi)不會產(chǎn)生目前旋渦泵普遍存在的回流、擾流現(xiàn)象；1.2流道兩側(cè)的側(cè)板與轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，它與流道內(nèi)的流體間的摩擦產(chǎn)生的是正面影響，有利于增加流體能量；1.3由于采取轉(zhuǎn)子側(cè)板圓周與定子內(nèi)壁精密間隙配合，除去兩端軸承外，定子與轉(zhuǎn)動部件不存在機(jī)械摩擦；同時(shí)，泄漏量有限，容積效率也較高；1.4由于轉(zhuǎn)子及側(cè)板未浸泡在液體中，故基本不存在圓盤損失；1.5類似等腰梯形設(shè)計(jì)的進(jìn)出口隔板消除了進(jìn)出口，尤其是進(jìn)口處的流體撞擊損失。
2.基于以下原因，這種泵可以獲得很寬的流量范圍。
2.1轉(zhuǎn)子的寬度直接關(guān)聯(lián)泵的流量，而改變轉(zhuǎn)子寬度設(shè)計(jì)就可以等比例的改變泵的設(shè)計(jì)流量，同時(shí)不會改變它的揚(yáng)程性能和效率特性；2.2改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，也可以近似正比例地改變流量，非常適合調(diào)速調(diào)流需求。
3.基于以下原因，這種泵可以高效地獲得超高揚(yáng)程。
3.1轉(zhuǎn)子和其類鋸齒形葉片的機(jī)械強(qiáng)度非常高，同時(shí)，不存在圓盤損失，故轉(zhuǎn)子直徑可以做得比較大；3.2由于轉(zhuǎn)子上的流道側(cè)板與轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，所以這種泵可方便地設(shè)計(jì)成多級泵而不增加泵的復(fù)雜程度；級與級之間首尾相連就可獲得數(shù)倍單級泵的揚(yáng)程。
4.基于這種泵獨(dú)特的鋸齒形轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計(jì)，它的抗汽蝕性能非常突出。
5.基于這種泵采用徑向圓周密封，泵的軸向尺寸較短而且可以方便地設(shè)計(jì)成雙端軸承支撐，因此剛性和強(qiáng)度都很好，同時(shí)不存在軸向力。
除以上優(yōu)點(diǎn)外，本發(fā)明還同時(shí)具有普通旋渦泵的通常特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，體積?。粯O低的脈動性能；陡降的H-Q曲線；較好的自吸能力；更加優(yōu)異的可靠性和更長的使用壽命；更低地運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲。
最后特別需要說明的是，該項(xiàng)發(fā)明不僅適合于液體增壓過程，同樣適用于氣體的壓縮過程。


圖1是正旋渦泵的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2是軸向剖面結(jié)構(gòu)圖。
圖中所標(biāo)主要零部件、部位名稱分別是1-葉輪轉(zhuǎn)子；2-泵殼定子；3-隔板擋塊；4-排出口；5-吸入口；6、12-流道側(cè)板；7、11-端蓋軸承座；8、10-軸承；9-軸。
具體實(shí)施例方式
由于結(jié)構(gòu)簡單明了，而且在本結(jié)構(gòu)圖中也給出了可行的工藝設(shè)計(jì)，因此實(shí)施起來并不難。在具體實(shí)施過程中應(yīng)注意以下問題1、泵殼定子2可以采用鑄造然后加工的方式，也可以采用鑄造加定子內(nèi)套的方式，還可以設(shè)計(jì)成與電機(jī)直聯(lián)的方式。
要采取哪種方式要視不同流體、流量和壓力靈活變動。一般而言，對于小型泵，多采取直聯(lián)的方式，以減少泵的體積，甚至可以省掉兩端的軸承；對于大型泵，則必須考慮葉輪轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，需要參考圖2形式進(jìn)行。
2、按照單純設(shè)計(jì)考慮，葉輪轉(zhuǎn)子1與流道側(cè)板6、12應(yīng)該做成一體結(jié)構(gòu)，便于其外圓表面的高精度加工。對于擁有較高鑄造能力的制造者，可以采用一體化鑄造的方式，否則需要分開制造加工，然后再組裝到一起。
3、隔板擋塊3通過螺釘與定子固定，它與轉(zhuǎn)子外圓1和流道側(cè)板以6、12之間要保持微小間隙，其與轉(zhuǎn)子間的配合長度要覆蓋2.5倍齒距以上，防止高低壓流體的內(nèi)部泄漏，降低泵的容積效率。
4、轉(zhuǎn)子在軸上的位置應(yīng)通過軸套、軸承加以定位，對于小型泵也可以采用浮動定位的方法，即通過在隔板擋塊3上開設(shè)左右均壓孔、槽的辦法來實(shí)現(xiàn)。
5、材料選取上具有很大靈活性，值得特別說明的是，當(dāng)泵送的流體是水或水溶液時(shí)。一定要考慮其對材質(zhì)的銹蝕性能，防止徑向圓周密封銹蝕、失效；當(dāng)可靠性要求更高時(shí)，轉(zhuǎn)子和定子徑向圓周密封相配合的部位應(yīng)該考慮鑲嵌硬質(zhì)合金或其它類似高耐磨材料。
6、如果泵送的是液體，兩側(cè)端蓋的下部要開設(shè)泄漏排流口。
7、兩側(cè)端蓋的軸承要有檔板密封，防止塵土或液體侵入。
權(quán)利要求
1.一種正旋渦泵，其特征為具有均勻分布在圓周上的、與環(huán)形流道等寬的、類鋸齒形葉片的葉輪轉(zhuǎn)子，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)它可產(chǎn)生首尾相連的若干個正漩渦體，該種泵可使低黏度流體獲得寬流量和高揚(yáng)程。
2.一種特征為葉片形狀類似鋸齒狀的旋渦泵，無論這種葉片是分布在轉(zhuǎn)子圓周上還是分布在轉(zhuǎn)子側(cè)面，它都可消除普通直葉片背后的負(fù)旋渦而大大提高整機(jī)效率。
3.一種流道側(cè)板與轉(zhuǎn)子(或普通離心泵葉輪)固定在一起同速旋轉(zhuǎn)，采取側(cè)板外圓與等直徑的定子(或泵殼)內(nèi)圓精密配合進(jìn)行密封的流體泵。這種泵沒有普通葉輪泵共有的圓盤損失和軸封機(jī)械摩擦損失。
4.基于權(quán)利3，一種其特征是密封配合面上布有均壓槽，均壓槽可以與泵的吸入口相連或與抽吸裝置相連接，進(jìn)而對產(chǎn)生的泄漏進(jìn)行控制的徑向圓周密封方法。
5.基于權(quán)利1和權(quán)利3，一種特征為通過定子外部溝通，實(shí)現(xiàn)首尾相連構(gòu)成的超高揚(yáng)程多級正旋渦泵。
6.一種特征為類似等腰梯形的旋渦泵流道進(jìn)出口隔板，它可有效降低消除旋渦泵進(jìn)出口處的流體撞擊損失。
全文摘要
本發(fā)明是一種高效的正旋渦泵，屬于流體機(jī)械。它克服了現(xiàn)有旋渦泵的低效率、小流量和揚(yáng)程有限等不足。它由一種圓周上具有鋸齒形葉片的轉(zhuǎn)子、一同旋轉(zhuǎn)的流道側(cè)板和等直徑的定子構(gòu)成；側(cè)板與定子精密配合，用于泵的徑向圓周密封；環(huán)形流道由類似等腰梯形的隔板擋塊分割開來，兩邊分設(shè)吸入口和排出口。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子的速度高于環(huán)形流道內(nèi)流體的速度，處于低能量的流體質(zhì)點(diǎn)在葉片處加速，沿著大于轉(zhuǎn)子外圓切線的角度被拋出，形成若干個正旋渦體，并且首尾相連，旋渦體不斷受到加速，增加能量，使流體在出口處獲得很高的壓力。本發(fā)明在低黏度流體的高壓、超高壓輸送和氣體的壓縮方面都具有廣闊應(yīng)用前景。
文檔編號F04D29/08GK101037998SQ20061007082
公開日2007年9月19日 申請日期2006年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月13日
發(fā)明者孫學(xué)東 申請人:孫學(xué)東