本國(guó)際申請(qǐng)要求2014年11月26日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?4/555,470的優(yōu)先權(quán)，該美國(guó)專利申請(qǐng)要求2013年11月28日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/910,070和2014年10月2日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?2/058,795的優(yōu)先權(quán)，上述申請(qǐng)的內(nèi)容全部利用此引用完全地結(jié)合于本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明一般涉及低溫浸沒(méi)式電機(jī)泵。更具體而言，本發(fā)明涉及一種新的永磁浸沒(méi)式電機(jī)低溫單級(jí)或多級(jí)離心泵，其在比可比較的浸沒(méi)式感應(yīng)電機(jī)低溫離心泵高的旋轉(zhuǎn)速度下操作。

浸沒(méi)式泵的最常見(jiàn)的應(yīng)用是在LNG供應(yīng)行業(yè)中，其中，泵被用于在生產(chǎn)設(shè)備處將產(chǎn)品從儲(chǔ)存罐傳輸至LNG運(yùn)輸船（特種船舶），從所述運(yùn)輸船到岸上儲(chǔ)存罐，并且隨后在高壓下通過(guò)汽化器泵送至管道。此外，存在LNG行業(yè)的分配部門，其需要較小的泵，用于例如燃料供應(yīng)增壓器、燃料傳輸、船舶燃料加油、掛車裝載之類的服務(wù)。此外，本文的公開(kāi)能夠被應(yīng)用于其他低溫流體，包括但不限于液氮、液氬和液態(tài)二氧化碳。

對(duì)于高速低溫浸沒(méi)式電機(jī)泵，存在多種應(yīng)用，所述高速低溫浸沒(méi)式電機(jī)泵可以被用于輕烴和其他非導(dǎo)電和非腐蝕性的服務(wù)中，這包括流體排放速率（流量）的不同條件和不同的壓力速率（揚(yáng)程（head））。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見(jiàn)的是，將需要泵的多種尺寸以在不同的流率下實(shí)現(xiàn)高效的操作。還將顯而易見(jiàn)的是，通過(guò)增加或減少泵級(jí)，泵的揚(yáng)程能夠與所采用的級(jí)的總數(shù)成比例地改變。將顯而易見(jiàn)的是，實(shí)施本文所述的布置結(jié)構(gòu)和特征的所構(gòu)建的任何泵無(wú)論大小將給用戶提供相似的益處。

背景技術(shù)：

用于LNG和其他非導(dǎo)電流體的低溫浸沒(méi)式電機(jī)泵在上世紀(jì)60年代初發(fā)明。它們的發(fā)明被廣泛地歸功于加州工程師和商人J.C. Carter（1968年2月20日授權(quán)的3,369,715，Submerged Pumping）。低溫浸沒(méi)式電機(jī)泵被設(shè)計(jì)成解決金屬和其他材料的特殊問(wèn)題，以及在來(lái)自操作泵所需的能量輸入的熱量進(jìn)入的情況下流體汽化的傾向。在浸沒(méi)式電動(dòng)泵的本發(fā)明之前，使用實(shí)施機(jī)械軸密封和防爆常規(guī)感應(yīng)電機(jī)的常規(guī)的石油化工流程泵，并且其適于處理LNG和其他低溫流體。常規(guī)的流程泵遭受密封件和軸承磨損的缺點(diǎn)影響，其結(jié)果是當(dāng)所泵送的流體的性質(zhì)允許它在環(huán)境溫度下變?yōu)檎魵鈺r(shí)，允許產(chǎn)品泄漏到環(huán)境，從而產(chǎn)生潛在爆炸性的氣體環(huán)境。

現(xiàn)今普遍使用的低溫浸沒(méi)式電機(jī)泵實(shí)施感應(yīng)電機(jī)，其通常以50Hz或60Hz的頻率驅(qū)動(dòng)，這取決于當(dāng)?shù)氐碾娏ο到y(tǒng)，其將操作速度限于在50Hz下1475rpm或2970rpm，或者在60Hz下1750rpm或3560rpm。在系統(tǒng)需求指示可變速度的情況下，歷史實(shí)踐是將速度限于上面示出的那些速度的最大值。包括直接耦接到泵的葉輪的其電氣定子和其轉(zhuǎn)子連同其所需的軸承的電機(jī)全部被包含在泵的壓力殼內(nèi)。通過(guò)靜態(tài)密封雙密封件，三相電力通過(guò)電導(dǎo)體被應(yīng)用于浸沒(méi)式感應(yīng)電機(jī)。該密封件作為泵送的過(guò)程流體和周圍氣氛之間的屏障，從而防止來(lái)自泵的流體或空氣進(jìn)入到泵中。任何一種情況能夠產(chǎn)生潛在爆炸性的氣體環(huán)境。

低溫浸沒(méi)式電機(jī)泵的布置結(jié)構(gòu)消除了對(duì)軸封的需要，從而增加了這樣的單元的可靠性和潛在安全性。此外，構(gòu)建所述單元的最常用的材料是公知的，伴隨著給予應(yīng)有的關(guān)注，以確保它們的應(yīng)用考慮到在低溫條件下從環(huán)境溫度狀態(tài)過(guò)渡到極端低溫期間發(fā)生的尺寸變化和屬性改變。

非常期望提高低溫浸沒(méi)式電機(jī)泵的耐久性和效率，同時(shí)降低成本和整體尺寸，其益處可以是降低的資金和操作費(fèi)用。因此，總是需要如本文下面所公開(kāi)的改進(jìn)的低溫泵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

低溫浸沒(méi)式多級(jí)泵組件的一個(gè)實(shí)施例包括豎直定向的泵軸。電動(dòng)機(jī)包括附接到所述泵軸的轉(zhuǎn)子和繞所述轉(zhuǎn)子設(shè)置的定子。所述電動(dòng)機(jī)為永磁電動(dòng)機(jī)。第一級(jí)葉輪組件包括附接到所述泵軸的第一葉輪，所述第一葉輪構(gòu)造成當(dāng)所述電動(dòng)機(jī)使所述泵軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，使低溫流體從第一葉輪入口移動(dòng)到第一葉輪出口。第一葉輪殼體繞第一葉輪設(shè)置，并且構(gòu)造成一旦低溫流體離開(kāi)第一葉輪出口，就引導(dǎo)所述低溫流體。第二級(jí)葉輪組件包括附接到所述泵軸的第二葉輪，所述第二葉輪構(gòu)造成當(dāng)所述電動(dòng)機(jī)使所述泵軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，使所述低溫流體從第一葉輪殼體移動(dòng)到第二葉輪入口，并且隨后，移動(dòng)到第二葉輪出口。第二葉輪殼體繞第二葉輪設(shè)置，并且構(gòu)造成一旦低溫流體離開(kāi)第二葉輪出口，就引導(dǎo)所述低溫流體至排出管或排出口。第一級(jí)葉輪組件被設(shè)置在第二級(jí)葉輪組件之下。第二級(jí)葉輪組件被設(shè)置在永磁電動(dòng)機(jī)之下。

在其他實(shí)施例中，所述轉(zhuǎn)子可以包括四個(gè)磁極，其中，所述四個(gè)磁極可由釤鈷制成。

所述電動(dòng)機(jī)可以通過(guò)遠(yuǎn)程安裝的逆變器或遠(yuǎn)程安裝的變頻驅(qū)動(dòng)器來(lái)供電和控制，所述遠(yuǎn)程安裝的逆變器或所述遠(yuǎn)程安裝的變頻驅(qū)動(dòng)器構(gòu)造成將進(jìn)入的三相的50Hz或60Hz的功率轉(zhuǎn)換成在240Hz的10-100%的輸出頻率下的從380伏至690伏的電壓電平。

所述電動(dòng)機(jī)可以被構(gòu)造成在4000rpm之上、在5000rpm之上，在6000rpm之上或在7000rpm之上操作。

所述轉(zhuǎn)子可以具有為所述轉(zhuǎn)子的直徑的至少3倍、4倍或5倍的高度。

在另一實(shí)施例中，吸入誘導(dǎo)輪可以被附接到所述泵軸，并且設(shè)置在第一級(jí)葉輪組件之下。如在圖1B中最佳地看到的，所述吸入誘導(dǎo)輪包括具有多個(gè)螺旋延伸的葉片的誘導(dǎo)輪輪轂，其中，所述誘導(dǎo)輪輪轂包括外表面，所述外表面在誘導(dǎo)輪輪轂的底部部段處具有第一直徑63，在誘導(dǎo)輪輪轂的中間部段中具有第二直徑64，并且在誘導(dǎo)輪輪轂65的頂部部段處具有第三直徑65，其中，第二直徑大于第一直徑和第三直徑。所述多個(gè)螺旋延伸的葉片可以延伸至共同的最外部直徑66。第一葉輪在第一葉輪入口處的內(nèi)表面可以具有大約相似于誘導(dǎo)輪輪轂的第三直徑65的直徑。在一個(gè)實(shí)施例中，沿低溫流體的流動(dòng)路徑在吸入誘導(dǎo)輪之后并且在第一葉輪之前不存在靜態(tài)擴(kuò)散器。在另一實(shí)施例中，所述多個(gè)螺旋延伸的葉片可以被設(shè)置在誘導(dǎo)輪輪轂的中間部段處或之下，其中，靠近誘導(dǎo)輪輪轂的頂部部段不存在多個(gè)螺旋延伸的葉片。

所述泵軸可以是無(wú)鍵的（keyless）泵軸?，F(xiàn)有技術(shù)的泵軸具有形成到所述軸的表面中的鍵槽或插槽，使得鍵或插入件可以被放置在該鍵槽或插槽內(nèi)，隨后鎖定到外部結(jié)構(gòu)。本申請(qǐng)人的發(fā)明是無(wú)鍵的，這意味著沒(méi)有插槽或開(kāi)孔被制作到軸的表面中。這允許所述軸在直徑上更小，并且仍保持所需的結(jié)構(gòu)屬性。較小直徑的軸減小了慣性矩，并且允許轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量更靈敏地響應(yīng)于平衡推力機(jī)構(gòu)。

第一葉輪和第二葉輪二者可以通過(guò)錐形筒夾附接到所述泵軸，所述錐形筒夾通過(guò)過(guò)盈配合附接到泵軸。所述錐形筒夾可以具有截頭圓錐形的外表面，當(dāng)安裝在所述泵軸上，所述截頭圓錐形的外表面越接近錐形筒夾的底部在直徑上越大。然后，第一葉輪和第二葉輪可具有截頭圓錐形的內(nèi)表面，所述截頭圓錐形的內(nèi)表面構(gòu)造成匹配所述錐形筒夾的截頭圓錐形的外表面。

電機(jī)殼可以繞所述定子設(shè)置。所述電機(jī)殼可以包括處于電機(jī)殼的頂部處的上部軸承殼體和處于所述殼體的底部處的下部軸承殼體。每個(gè)軸承殼體被構(gòu)造成保持球軸承組件，并且每個(gè)軸承殼體包括內(nèi)肩部表面，其中，所述內(nèi)肩部表面和所述轉(zhuǎn)子之間的第一間隙小于所述轉(zhuǎn)子和所述定子之間的第二間隙。

多個(gè)拉桿可以被構(gòu)造成以固定的關(guān)系固定第一級(jí)葉輪組件和第二級(jí)葉輪組件。替代性地，泵殼體可以繞第一級(jí)葉輪組件和第二級(jí)葉輪組件設(shè)置，所述泵殼體構(gòu)造成以固定的關(guān)系固定第一級(jí)葉輪組件和第二級(jí)葉輪組件。

在另一實(shí)施例中，所述電動(dòng)機(jī)靠近電動(dòng)機(jī)的頂部部分或在電動(dòng)機(jī)的頂部部分處可以包括上部球軸承組件設(shè)置，并且包括與第一級(jí)葉輪組件和所述上部球軸承組件流體連通的冷卻劑供應(yīng)管。

附圖說(shuō)明

附圖圖示了本發(fā)明。在這些附圖中：

圖1為實(shí)施了本發(fā)明的一個(gè)示例性低溫泵的透視圖；

圖1A為圖1中描繪的泵的剖視圖；

圖1B為從圖1a取的放大剖視圖，并且描繪了圖1中所描繪的泵的第一級(jí)的布置結(jié)構(gòu)；

圖1C為從圖1a取的放大剖視圖，并且描繪了推力平衡機(jī)構(gòu)的布置結(jié)構(gòu)；

圖2A描繪了圖1的示例性浸沒(méi)式電機(jī)組件23的實(shí)施例；

圖2B為圖2a的結(jié)構(gòu)的頂視圖；

圖2C為圖2a的結(jié)構(gòu)的分解透視圖；

圖2D為從圖2b沿線2d-2d所取的剖視圖；

圖3為實(shí)施了本發(fā)明的另一示例性低溫泵的剖視圖；

圖4為實(shí)施了本發(fā)明的罐中樣式（in-tank style）的另一示例性低溫泵的剖視圖；

圖4A為從圖4取的放大剖視圖，其示出了底閥機(jī)構(gòu)；以及

圖5為安裝在儲(chǔ)槽（sump）或抽吸容器（suction vessel）內(nèi)的低溫泵組件的另一實(shí)施例的剖視圖。

具體實(shí)施方式

感應(yīng)電機(jī)在現(xiàn)有技術(shù)中已被用于低溫泵送系統(tǒng)。然而，感應(yīng)電機(jī)具有轉(zhuǎn)子電阻損耗，所述轉(zhuǎn)子電阻損耗由于它們本身的性質(zhì)無(wú)法避免。AC（交流電）感應(yīng)電機(jī)包括兩個(gè)組件，即定子和轉(zhuǎn)子。在轉(zhuǎn)子條中流動(dòng)的電流和定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。在實(shí)際操作中，轉(zhuǎn)子速度總是滯后磁場(chǎng)的速度，從而允許轉(zhuǎn)子條切割力的磁力線并且產(chǎn)生有用的轉(zhuǎn)矩。在磁場(chǎng)的同步速度和軸旋轉(zhuǎn)速度之間的差異是轉(zhuǎn)差（slip），并且將是某一數(shù)量的RPM或頻率。轉(zhuǎn)差隨著增加的負(fù)載增加，從而提供更大的轉(zhuǎn)矩，但是遭受轉(zhuǎn)子電阻損耗的影響。

永磁電機(jī)與可比較的感應(yīng)電機(jī)相比更高效，這是因?yàn)榇艌?chǎng)總是存在，并且不隨負(fù)載改變。此外，永磁電機(jī)更小并且更輕，從而允許將它更高效地包裝。例如，2.5kW的感應(yīng)電機(jī)大約是一夸脫的油漆罐的大小，而可比較的2.5kW的永磁電機(jī)大約是嬰兒奶瓶的大小。然而，在現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，尚不知道永磁電機(jī)是否將在用于低溫學(xué)和低溫泵送中的低溫下工作。傳導(dǎo)性和材料屬性當(dāng)溫度低至低溫溫度時(shí)改變，并且對(duì)于這樣的改變將不有害于性能或可靠性沒(méi)有信心。

另一問(wèn)題在于低溫泵送通常需要使泵運(yùn)行在較慢速度下，以最小化粘滯摩擦阻力。此外，本領(lǐng)域中的普遍想法是，在實(shí)際情況下盡可能慢地運(yùn)行電機(jī)，以增加耐久性、可靠性和壽命。對(duì)于在慢速下運(yùn)行，感應(yīng)電機(jī)更好，并且永磁電機(jī)更適合于較高速度。因此，由于上述原因，本領(lǐng)域技術(shù)人員從未設(shè)想嘗試將永磁電機(jī)用于泵送低溫流體。

例如，無(wú)論是浸沒(méi)式電機(jī)或具有軸密封件的常規(guī)的電機(jī)，用于低溫泵的感應(yīng)電機(jī)通常將在50圈/第二系統(tǒng)上在2960rpm下操作，或在60圈/第二系統(tǒng)上在3540rpm下操作。經(jīng)常地，在所有的感應(yīng)電機(jī)低溫泵上存在齒輪傳動(dòng)裝置，其根據(jù)需要使葉輪變得更快或更慢以更好地滿足流量和壓力需求。齒輪減速可以為大約0.5至2.2。本申請(qǐng)人違反常規(guī)的想法，并且設(shè)計(jì)了一種利用永磁電機(jī)的系統(tǒng)，所述永磁電機(jī)在133-333圈/第二系統(tǒng)上運(yùn)行在4000-10.000rpm之間。本申請(qǐng)人還排除了感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)所需的齒輪傳動(dòng)裝置，并且現(xiàn)在運(yùn)行直接連接到永磁電機(jī)的軸的葉輪。此外，本申請(qǐng)人拋棄單葉輪，并且利用多個(gè)較小的葉輪來(lái)泵送低溫流體。在本申請(qǐng)人的發(fā)明之前，因?yàn)榛诔Ｒ?jiàn)的電機(jī)啟動(dòng)設(shè)備的限制和在最慢的可能速度下運(yùn)行以減小磨損的期望的長(zhǎng)期的普遍做法，其他本領(lǐng)域技術(shù)人員沒(méi)有設(shè)想使用以3000rpm之上（或甚至3600rpm之上）運(yùn)行的直驅(qū)式永磁電機(jī)。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，現(xiàn)有技術(shù)的浸沒(méi)式感應(yīng)電機(jī)被以高速和高效率操作的尺寸減小的浸沒(méi)式永磁電機(jī)替換。該實(shí)施例實(shí)施了四個(gè)（4個(gè)）磁極件，其使用稀土磁體中的改進(jìn)方案，特別是釤鈷。這些磁極通過(guò)磁力并且通過(guò)周向非磁性套筒固定到磁性不銹鋼的軸，所述周向非磁性套筒防止旋轉(zhuǎn)離心力在電機(jī)操作期間使這些極分離。4-極布置結(jié)構(gòu)的電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)允許使用遠(yuǎn)程安裝的逆變器或變頻驅(qū)動(dòng)器，所述遠(yuǎn)程安裝的逆變器或變頻驅(qū)動(dòng)器將進(jìn)入的三相的50Hz或60Hz的功率在從輸入電壓的10%至100%的共同的電壓范圍下在240Hz的10%至100%的輸出頻率下在從380伏至690伏的任何電壓電平下轉(zhuǎn)換。4-極布置結(jié)構(gòu)的另一優(yōu)點(diǎn)是在整個(gè)頻率范圍上平滑的無(wú)齒（cog-free）操作。在浸沒(méi)式低溫感應(yīng)電機(jī)的現(xiàn)有技術(shù)中，轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度受到相對(duì)于轉(zhuǎn)子的直徑限制其長(zhǎng)度的技術(shù)制造的考慮約束。

公知的是，與所有的電動(dòng)機(jī)相關(guān)聯(lián)的寄生損失（附加損失）包括由流體摩擦引起的“風(fēng)阻”損耗，其中，例如電機(jī)轉(zhuǎn)子之類的主體在黏性流體中旋轉(zhuǎn)，并且與所需的能量循環(huán)流體中的一些通過(guò)冷卻通道周圍和通過(guò)電機(jī)以消除由于這些損失的結(jié)果產(chǎn)生的熱量。如對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言已知的，對(duì)于給定的流體，在特定溫度下的那些粘滯摩擦損耗是流體黏度、旋轉(zhuǎn)速度N2（平方）、轉(zhuǎn)子直徑D4（四次）以及轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度L1（直接）的函數(shù)。在常見(jiàn)的空氣冷卻的感應(yīng)電機(jī)泵中，這些寄生損失由于空氣的可忽略的黏度代表小于1%的總電機(jī)功率。在現(xiàn)有技術(shù)的浸沒(méi)式感應(yīng)電機(jī)泵中，這些寄生損失消耗超過(guò)5%的總電機(jī)功率，這是因?yàn)榕c空氣相比，例如LNG之類的輕烴具有較高的黏度。將顯而易見(jiàn)的是，單元效率的顯著改進(jìn)將源自這類寄生損失的降低。

本文所公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例采用如下轉(zhuǎn)子幾何構(gòu)型，即：其消除了現(xiàn)有技術(shù)的浸沒(méi)式電機(jī)的幾何構(gòu)型所施加的限制。所述實(shí)施例采用轉(zhuǎn)子，其長(zhǎng)度通過(guò)允許轉(zhuǎn)子直徑減小多達(dá)60%的臨界速度的考慮來(lái)確定。與相似質(zhì)量的感應(yīng)電機(jī)相比，本文所公開(kāi)的實(shí)施例的浸沒(méi)式電機(jī)的速度和功率大致翻倍。對(duì)于給定的軸功率等級(jí)，電功率消耗大致降低3%至5%。這意味著本文所用的轉(zhuǎn)子沿泵軸可具有超過(guò)直徑的3倍、4倍或5倍的長(zhǎng)度（高度），或所述轉(zhuǎn)子以其他方式具有超過(guò)3、4或5的長(zhǎng)徑比（長(zhǎng)度:直徑）。這最佳地見(jiàn)于圖2D中，其中，能夠容易地看到轉(zhuǎn)子直徑61大幅小于轉(zhuǎn)子高度62。

現(xiàn)有技術(shù)的浸沒(méi)式電機(jī)泵包括多個(gè)部分和部件，其構(gòu)造通過(guò)功能需求決定。這些部分和部件中大多數(shù)的形式通過(guò)液壓設(shè)計(jì)經(jīng)常是復(fù)雜的。這些部分和部件通常通過(guò)機(jī)加工由金屬砂或熔模鑄件形成。對(duì)于本申請(qǐng)，常用鋁或青銅。公知的是，鑄件部分遭受僅能夠通過(guò)昂貴的檢查或在加工階段檢測(cè)到的例如多孔、收縮、裂紋、空洞和糟糕的表面加工之類的缺陷影響。此外，表面質(zhì)量?jī)H能夠通過(guò)手工打磨來(lái)修復(fù)。因此，由于鑄造過(guò)程變化莫測(cè)，這些部分的功能能夠是高度可變的，從而導(dǎo)致從單元到單元的性能的顯著變化，即使所期望的性能意在是可重復(fù)的。在本文所公開(kāi)的實(shí)施例中，部分和部件被構(gòu)造成允許通過(guò)機(jī)加工由鍛造的鋁或青銅的板、棒或鍛件形成，從而產(chǎn)生具有光順、平滑的表面的精確、可重復(fù)的部分和部件。由這樣的部分組裝的泵將產(chǎn)生從單元到單元并且甚至在批次之間的一致且優(yōu)越的性能。本文中的實(shí)施例可以采用：一個(gè)或多個(gè)泵葉輪，其從輪轂制造，所述輪轂實(shí)施多個(gè)輪葉（葉片）以將能量賦予泵送的流體；以及前蓋板，其輪廓被形成為匹配葉輪葉片的邊緣上的相對(duì)應(yīng)的形狀。所述蓋板通過(guò)熱融合固定到蓋板的輪葉邊緣，一個(gè)部分固定到另一個(gè)。

圖1為具有四級(jí)葉輪系統(tǒng)的示例性低溫泵1的透視圖，該圖示出了用于安裝在雙室容器或泵井中的密封座環(huán)適配器1a。該實(shí)施例的描述按照從泵入口到泵出口的流體流動(dòng)的順序排列。本文的描述涉及四級(jí)版本，然而將顯而易見(jiàn)的是，具有更多或更少的級(jí)的本文所公開(kāi)的相似的泵具有實(shí)踐的可能性，并且是用于將特定的泵與特定的壓力需求相關(guān)聯(lián)的變量中的一個(gè)。因此，能夠使用任何數(shù)量的級(jí)，從一級(jí)至兩級(jí)、三級(jí)、五級(jí)或任何數(shù)量的級(jí)。類似地，將顯而易見(jiàn)的是，為了增加或減少與本文所公開(kāi)的實(shí)施例相似的泵的排放流量，泵的尺寸可以通過(guò)縮放流體通路或通過(guò)根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)已知的對(duì)流體通路面積的其他調(diào)整來(lái)改變。

圖1A為圖1中所描繪的泵1的剖視圖。低溫流體朝向泵吸入口2徑向流動(dòng)，經(jīng)過(guò)定位成最佳地導(dǎo)引流的四個(gè)徑向設(shè)置的輪葉（葉片）。所述流體朝向吸入誘導(dǎo)輪4所引起的壓力降低的區(qū)域被向上吸取到泵吸入口2中。延伸部3使泵吸入口2的最底部部分免于接觸井的底部或表面，使得入口2將被插入到入口2中或防止吸入低溫流體到入口2中。

吸入誘導(dǎo)輪4具有極致性能類型，并且由鍛造鋁加工而成。在該實(shí)施例中，四個(gè)輪葉5和誘導(dǎo)輪輪轂6通過(guò)利用5軸編程銑床去除每個(gè)葉片之間的材料成形。輪葉5的形狀通過(guò)熟練的液壓設(shè)計(jì)師來(lái)限定，并且通過(guò)使用CFD計(jì)算機(jī)工具分析隨后通過(guò)原型測(cè)試證明合格。已發(fā)現(xiàn)該實(shí)施例的誘導(dǎo)輪4中的四個(gè)輪葉5與專利7,455,497中描述的現(xiàn)有技術(shù)的三個(gè)主輪葉和三個(gè)分流輪葉（擴(kuò)散器）提供等同的性能，并且簡(jiǎn)化了制造過(guò)程。誘導(dǎo)輪輪轂6沿流動(dòng)方向（向上）延伸超出輪葉5的后緣，并且逐漸變細(xì)以提供其中不再需要實(shí)際的擴(kuò)散器（固定輪葉）的擴(kuò)散器區(qū)。在本文所公開(kāi)的實(shí)施例中，不使用固定輪葉（擴(kuò)散器）。擴(kuò)散器或固定輪葉在現(xiàn)有技術(shù)中被用于使低溫流體在它進(jìn)入泵之前的流動(dòng)變直。這里，誘導(dǎo)輪輪轂6的曲率和泵單元自身的相關(guān)的曲率消除了對(duì)固定輪葉（擴(kuò)散器）的需要。能量不再損耗或浪費(fèi)在固定輪葉（擴(kuò)散器）上，并且這導(dǎo)致效率的提高。

圖1B為從圖1A取的放大剖視圖，并且描繪了泵的第一級(jí)的布置結(jié)構(gòu)。泵送的流體離開(kāi)泵吸入口2和吸入誘導(dǎo)輪4，在那里，其能級(jí)已提升，從而在其入口處給單吸式的第一級(jí)葉輪7提供正的吸入揚(yáng)程。所述葉輪是獨(dú)特的設(shè)計(jì)，其被制造成包括沿輪葉邊緣10a通過(guò)釬焊過(guò)程聯(lián)接在一起的鋁的葉輪輪轂8和蓋板10。葉輪輪葉8a和輪轂的形狀通過(guò)機(jī)加工與輪轂一體化地形成。典型的現(xiàn)有技術(shù)的葉輪被鑄造成一件。葉輪是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并且鑄造過(guò)程能夠變?yōu)樵诮?jīng)濟(jì)上昂貴和勞動(dòng)密集型的。本申請(qǐng)人利用新的葉輪，其被加工成兩部分，并且隨后釬焊在一起。這降低了制造成本，加速了生產(chǎn)，并且產(chǎn)生能夠承受更高旋轉(zhuǎn)速度和具有更好的性能的產(chǎn)品。這兩個(gè)部分、即輪轂8和蓋板10由鍛鋁坯件加工而成，并且通過(guò)釬焊/融合過(guò)程聯(lián)接在一起。

吸入誘導(dǎo)輪4和每個(gè)葉輪通過(guò)泵軸9驅(qū)動(dòng)，并且各自通過(guò)錐形筒夾9a保持在其正確的位置，所述錐形筒夾9a通過(guò)將筒夾9a驅(qū)動(dòng)到處于葉輪輪轂中的錐形的孔8b中來(lái)安放。在針對(duì)典型的單吸式泵葉輪的操作中，少量的流體（泄漏）從葉輪排放部13通過(guò)環(huán)形空間14隨后通過(guò)葉輪和（青銅）耐磨環(huán)15之間的運(yùn)行空隙再循環(huán)。所述運(yùn)行空隙被最小化，以限制泄漏效率損失。為了防止鋁葉輪7因靠著耐磨環(huán)15摩擦而變得過(guò)早退化，葉輪表面可覆蓋有硬質(zhì)氧化的3級(jí)1類涂層（hard anodized type 3 class 1 coating）。

泵送的流體的主要部分被排放到徑向式擴(kuò)散器16的流道的進(jìn)口中。擴(kuò)散器16根據(jù)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言公知的物理定律將流動(dòng)能轉(zhuǎn)換成靜壓力。在擴(kuò)散器輪葉17所限定的通道的外端處，流體進(jìn)入返回區(qū)18，其中，速度的徑向分量逆轉(zhuǎn)，并且流被導(dǎo)引到另一組通道19中，從而使流體返回到第二級(jí)葉輪入口20，并且使流動(dòng)方向和速度匹配葉輪入口輪葉角。

泵送的低溫流體以與第一級(jí)相同的方式前進(jìn)通過(guò)中間的二級(jí)和三級(jí)，其中，每個(gè)接連的級(jí)以增加的壓力的形式將附加的能量賦予泵送的流體。在本文描繪的泵的情況下，第四級(jí)是最后一級(jí)。流體以與先前級(jí)同樣的方式通過(guò)該級(jí)，直到它到達(dá)返回區(qū)21。在那里，流體進(jìn)入排出收集器22。

如圖1中所示，所收集的排放流體的主要部分被導(dǎo)引經(jīng)過(guò)永磁浸沒(méi)式電機(jī)組件23，通過(guò)排出管24，通過(guò)排出歧管25，通過(guò)兩個(gè)或更多個(gè)排放噴嘴26，并且到處于泵井中的空間中，或兩室型的吸入容器中。將顯而易見(jiàn)的是，排出管24、排出歧管25和排放噴嘴26及相關(guān)聯(lián)的部件的數(shù)量和尺寸將是期望的泵排放流量的函數(shù)。

實(shí)施也稱為平衡鼓的推力平衡機(jī)構(gòu)的浸沒(méi)式電機(jī)泵的現(xiàn)有技術(shù)意在以對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見(jiàn)的方式來(lái)中和葉輪產(chǎn)生的不平衡液壓力所施加的推力。該布置結(jié)構(gòu)允許泵送元件和電機(jī)轉(zhuǎn)子沿單元旋轉(zhuǎn)軸線浮動(dòng)，使得平衡鼓或活塞上的壓力變化使整個(gè)旋轉(zhuǎn)元件打開(kāi)和關(guān)閉節(jié)流密封件，以根據(jù)發(fā)生推力平衡的需要打開(kāi)和關(guān)閉。本文的一個(gè)實(shí)施例采用了一種新的機(jī)構(gòu)，其實(shí)現(xiàn)了相同的結(jié)果，使得推力機(jī)構(gòu)的軸向運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)子質(zhì)量可引起的任何偏移獨(dú)立。由于推力平衡機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量較低（與現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)相比），所以它使系統(tǒng)更靈敏地響應(yīng)于當(dāng)泵送狀態(tài)改變時(shí)發(fā)生的瞬態(tài)液壓偏移。

更具體而言，已知的是，豎直的單吸、單級(jí)或多級(jí)泵在沒(méi)有輪轂側(cè)耐磨環(huán)和推力平衡端口的情況下將對(duì)泵軸施加正力或下推力。本申請(qǐng)人新穎設(shè)計(jì)示出在圖1C中，其是從圖1A取的放大剖視圖，并且描繪了推力平衡機(jī)構(gòu)28的布置結(jié)構(gòu)。平衡鼓28a借助于錐形筒夾30被附接到泵軸9。排放流體的小部分被導(dǎo)引到處于平衡鼓28a之下的區(qū)域27中。在區(qū)域27處的流體壓力將處于泵排放壓力。流體壓力對(duì)泵軸9施加負(fù)力（參考重力）或上推力。由于電機(jī)腔區(qū)域31中的壓力小于區(qū)域27中的壓力，所以低溫流體將優(yōu)先朝向平衡鼓28a之上的區(qū)域28c遷移通過(guò)平衡鼓28a和固定套筒28b之間的環(huán)形空間（槽迷宮，labyrinth of grooves）28d。將顯而易見(jiàn)的是，區(qū)域28c處的壓力將小于區(qū)域27處的壓力，這是由于在平衡鼓28a的外周緣上通過(guò)迷宮式槽28d的壓力損失。區(qū)域28c中的壓力產(chǎn)生的下壓力小于來(lái)自區(qū)域27上推力將導(dǎo)致平衡鼓上的凈上推力。

區(qū)域28c中的流體將繼續(xù)朝向電機(jī)腔31流動(dòng)通過(guò)節(jié)流間隙28e，所述節(jié)流間隙28e形成在平衡鼓28a的密封表面28g和擋板32的面28h之間。通過(guò)節(jié)流間隙28e的流使區(qū)域28c中的壓力變小，從而導(dǎo)致平衡鼓28a上的上推力增加。當(dāng)產(chǎn)生的上推力超過(guò)液壓下推力時(shí)，平衡鼓28a提升泵軸9，從而使節(jié)流間隙28e減?。ɑ蜿P(guān)閉）。繼而，流變小和區(qū)域28c中的壓力增加，從而重新打開(kāi)節(jié)流間隙28e。軸的每次偏移使區(qū)域28c中的壓力波動(dòng)，這在平均上導(dǎo)致平衡推力狀態(tài)。泵軸9上的凈推力為液壓下推力減去平衡上推力。電機(jī)軸承35必須抵抗該不平衡力。通過(guò)計(jì)算，能夠確定維持電機(jī)軸承35上的平衡推力狀態(tài)所需的平衡鼓28a、環(huán)形空間28d和密封表面28g的尺寸，從而延長(zhǎng)該軸承的壽命。

在該實(shí)施例中，平衡鼓28a、泵軸9和整個(gè)泵旋轉(zhuǎn)組件的部件的質(zhì)量和慣性小于如在現(xiàn)有技術(shù)中的典型的相對(duì)巨大的電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件。因此，這些實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量顯著降低，從而提高了推力平衡機(jī)構(gòu)28整體的敏感度。

在通過(guò)節(jié)流間隙28e之后，維持推力平衡機(jī)構(gòu)28的操作所需的低溫流體流動(dòng)到永磁浸沒(méi)式電機(jī)組件23中通過(guò)其下部球軸承35a，從而提供了所需的潤(rùn)滑并且從該部件移除了熱。

本文所公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例提供了冷卻劑供應(yīng)管1f，其確保在單元啟動(dòng)時(shí)，低溫流體從第一級(jí)流動(dòng)以潤(rùn)滑和冷卻上部電機(jī)軸承35b。然后，在建立穩(wěn)定狀態(tài)操作時(shí)，冷卻劑流動(dòng)模式改變，使得上一級(jí)流體流動(dòng)經(jīng)過(guò)推力平衡機(jī)構(gòu)，隨后通過(guò)并且潤(rùn)滑下部電機(jī)軸承35a，隨后通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)子-定子間隙31，從而移除電機(jī)電損耗所產(chǎn)生的熱，然后通過(guò)上部球軸承35b用于冷卻和潤(rùn)滑，然后通過(guò)冷卻劑供應(yīng)管1f，在那里，加熱的流體返回到第一級(jí)并且與泵送的流體混合。在浸沒(méi)式電機(jī)泵被安裝在儲(chǔ)存罐中的情況下，通過(guò)流的冷卻劑部分移除的熱將隨著排放流送出，從而有利地避免了在罐內(nèi)產(chǎn)生蒸發(fā)氣體。

圖2a 描繪了圖1的示例性浸沒(méi)式電機(jī)組件23的實(shí)施例。圖2B為圖2a的結(jié)構(gòu)的頂視圖。圖2C為圖2a的結(jié)構(gòu)的分解透視圖。圖2D為從圖2B沿線2D-2D所取的剖視圖。

電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件，即永磁轉(zhuǎn)子34具有其磁中心對(duì)齊的徑向和軸向暫停通過(guò)一個(gè)非導(dǎo)電陶瓷下部球軸承35A在中下部軸承殼體37和軸向保持從向上運(yùn)動(dòng)和徑向磁中心的定子36不對(duì)通過(guò)上部球軸承35B在中上部軸承殼體38。在該實(shí)施例中，電機(jī)定子36軸向定位在內(nèi)電機(jī)殼39通過(guò)與肩部特征41在中電機(jī)殼39的層壓堆疊40下端接觸。定子36內(nèi)斂從軸向，徑向和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在內(nèi)電機(jī)殼39借助于一個(gè)精確加工過(guò)盈配合在之間定子的電機(jī)殼39外直徑和在內(nèi)直徑。當(dāng)設(shè)備處于低溫條件下的干擾變得更加深刻。

上部35b和下部軸承35a的位置由每個(gè)相應(yīng)軸承殼體的位置來(lái)確定，每對(duì)相應(yīng)的肩特征部41b和41a在電動(dòng)機(jī)外殼中的位置通過(guò)干涉配合被保持。

在本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子34被允許一定量的軸向運(yùn)動(dòng)的劇烈上下振動(dòng)的情況下，由波形彈簧29的下部軸承35A下方的動(dòng)作，并與限制加速力的好處上軸承35b上上述軸承，以3倍的值重力，或3G的力。

在本實(shí)施例中，以方便更換軸承每個(gè)軸承殼體內(nèi)的臺(tái)肩37b的和38b上穿有一個(gè)間隙的轉(zhuǎn)子小于轉(zhuǎn)子磁隙。因此，當(dāng)軸承的更換取出，磁轉(zhuǎn)子34防止從堅(jiān)持定子孔36，該狀態(tài)阻止安裝新的軸承無(wú)特殊夾具。

在現(xiàn)有技術(shù)中使用的浸沒(méi)電機(jī)的布置是這樣的泵必須拆解訪問(wèn)軸承更換，但在一些變體，例如拆卸的程度可大可小。本文所公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例包括一單一的永久磁鐵浸沒(méi)電機(jī)作為要安裝允許備用馬達(dá)的單元，其可以被移除和單位迅速恢復(fù)到服務(wù)。

如在圖1最清楚地看到，電動(dòng)機(jī)34設(shè)置有一個(gè)下運(yùn)動(dòng)板42和上部馬達(dá)板43被固定在馬達(dá)殼體39創(chuàng)建可從泵組件44被移除而不不方便拆卸泵的單位裝配44。

如圖1和1A最佳所示，泵組件44的各部分保持在一起以抵抗在泵內(nèi)發(fā)展到40巴的水平壓力，由八個(gè)拉桿45和螺母45b的裝置。這將是顯而易見(jiàn)的那些本領(lǐng)域技術(shù)人員使用其他適當(dāng)?shù)鸟R達(dá)板電機(jī)的組件將允許所描繪的馬達(dá)被方便地應(yīng)用于的泵組件44不同的模型中，每一個(gè)這樣的應(yīng)用是僅僅公開(kāi)的實(shí)施例的變型。

圖3是體現(xiàn)本發(fā)明，其中單元是與附加級(jí)增加泵排出流量增加另一示范性低溫泵組件1的剖視圖。隨著級(jí)的數(shù)量增加，從而增加了泵的排放壓力，較大的馬達(dá)被施加以考慮由增加的流量和排放壓力所需的增加的功率。另外，泵殼體46被裝配到更換泵拉桿，以提供由壓力所需要高達(dá)60巴的必要的強(qiáng)度。

圖3所描繪的版本被修改，以允許被安裝在一個(gè)單一的腔室貯槽泵。從排出管泵排出流量在訂正上運(yùn)動(dòng)板43可提供四個(gè)廚房47或引導(dǎo)流體從該放電管的頂端到中心室48通道被收集。一種放閥芯49進(jìn)行從腔48向居中定位在安裝凸緣即通常用螺栓固定的管道系統(tǒng)或一個(gè)放電管頭板的排出口49A的共同流動(dòng)。

圖4示出了被安裝在一個(gè)泵井50泵組件1的一個(gè)實(shí)施方式的一個(gè)版本，本身被從儲(chǔ)罐的頂板暫停。圖4A是來(lái)自圖4所采取的結(jié)構(gòu)的放大剖面圖。泵靠在其密封座環(huán)適配器1a中，與一個(gè)支撐環(huán)52A嚙合，這是一個(gè)底閥組件52的一部分。底閥組件52是通過(guò)在位置67，使得在圖1A中所描繪的泵吸入懸浮上面的罐底部，允許包含在儲(chǔ)罐進(jìn)入泵低溫流體焊接固定到泵井50的底部。

當(dāng)泵被完全與腳閥支撐環(huán)52A接合時(shí)，密封座環(huán)裝置1a踩下腳踏閥封閉板60，導(dǎo)致要保持的閥打開(kāi)。這是因?yàn)?，彈?9被支撐環(huán)52a和支撐件之間偏置58，使得它們偏置在關(guān)閉位置的腳踏閥封閉板60。當(dāng)泵組件1，泵井50中的支撐件58和底閥關(guān)閉板60向上并移動(dòng)內(nèi)向上拉靠在支承環(huán)52A或配置為創(chuàng)建低溫密封件的任何其它合適的結(jié)構(gòu)密封。

在其座位上的泵組件1而受制于垂直，水平和滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，如可在裝運(yùn)容器中，或鐵路投標(biāo)汽車內(nèi)的罐經(jīng)歷操作是必需的移動(dòng)應(yīng)用程序，有必要以固定從單位正在從不利的位置拋下。在這種情況下，壓縮負(fù)載由一個(gè)支柱，被稱為電梯軸53的裝置施加到上部電機(jī)板43。這將是明顯的是，在某些情況下，升降軸可用于提取從泵井50泵2。在某些情況下，可能方便的提升豎井分成段，每段耦合一個(gè)到另一個(gè)，其中，所述泵孔50的深度使得泵1不方便取回。

泵井的上端可通過(guò)一個(gè)磁頭板54，通過(guò)該傳遞一個(gè)插孔軸55，接合插孔螺母56被關(guān)閉。頂桿軸55和千斤頂螺母56的頂部被除去雨罩57防止空氣或水或罐內(nèi)容的侵入或從泵井50中，安裝防雨蓋時(shí)訪問(wèn)。與防雨罩57移除，專用扳手或曲柄可以接合到插孔螺母56，并且當(dāng)扳手旋轉(zhuǎn)時(shí)，頂桿軸55被提升，從支撐環(huán)52A提高泵組件1，允許腳閥封板60來(lái)關(guān)閉，從而從儲(chǔ)存箱分離泵井50的內(nèi)容。

雨罩57可再后來(lái)重新安裝，重新密封泵井50。泵的內(nèi)容以及50然后可以通過(guò)在公知的本領(lǐng)域技術(shù)人員的方式適當(dāng)?shù)膲毫τ玫獨(dú)馓畛浔镁?0排出。氮?dú)馊缓罂梢园踩蒯尫诺酱髿庵?，在離開(kāi)泵井50在一個(gè)非危險(xiǎn)惰性狀態(tài)。所排出的流體不能返回到泵井50因?yàn)槟_閥封閉板60只允許流出而不是當(dāng)閥籠罩。

圖5是一個(gè)箱51內(nèi)安裝了一個(gè)低溫泵組件1的另一實(shí)施例的剖面圖。在箱51的頂部是一個(gè)排出口61，其中包含高壓低溫流體。泵的操作是由來(lái)自外部電源的系統(tǒng)，通過(guò)被配置為通過(guò)一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的低溫電連接端口62的電源線61供給的電力使能。

本發(fā)明被設(shè)計(jì)為浸入低溫流體中的永久磁鐵電動(dòng)機(jī)。這使得在速度不常用應(yīng)用于這種泵電驅(qū)動(dòng)泵的裝置。浸沒(méi)永磁電動(dòng)機(jī)包括適于在低溫流體，長(zhǎng)期浸沒(méi)的絕緣系統(tǒng)，例如輕質(zhì)烴和其他不導(dǎo)電的和非腐蝕性流體。

浸沒(méi)永磁電動(dòng)機(jī)具有獨(dú)特的小直徑長(zhǎng)度比與設(shè)計(jì)為最小化旋轉(zhuǎn)粘性摩擦損失，而在低溫流體旋轉(zhuǎn)整體輪廓。這樣的幾何形狀不是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為公知的本領(lǐng)域技術(shù)人員中的原因可以實(shí)現(xiàn)的。用多級(jí)泵浸沒(méi)永磁電動(dòng)機(jī)唯一地體現(xiàn)具有用于提升的臨界速度，使工作在很寬的工作速度，從而延長(zhǎng)泵送的流量和壓力的可控制范圍的目的，非常低的旋轉(zhuǎn)塊的旋轉(zhuǎn)元件。

雖然幾個(gè)實(shí)施例已經(jīng)詳細(xì)為了說(shuō)明的目的進(jìn)行了描述，各種修改可以做出各不脫離本發(fā)明的范圍和精神。因此，本發(fā)明不應(yīng)被限制，除非通過(guò)所附權(quán)利要求。

附圖標(biāo)記：

1 低溫泵組件

1a 密封座環(huán)適配器

1f 冷卻劑供應(yīng)管

1e 電機(jī)電氣連接

2 泵吸入口

3 延伸部

4 吸入誘導(dǎo)輪

5 輪葉/葉片，吸入誘導(dǎo)輪

6 誘導(dǎo)輪輪轂

7 第一級(jí)葉輪

8 葉輪輪轂

8a 葉輪輪葉

8b 錐形孔，葉輪輪轂

9 泵軸

9a 錐形筒夾

10 蓋板，葉輪

10a 輪葉邊緣

13 葉輪排放部

14 環(huán)形空間

15 耐磨環(huán)

16 徑向式擴(kuò)散器

17 擴(kuò)散器輪葉，徑向式

18 返回區(qū)

19 通道

20 第二級(jí)葉輪入口

21 返回區(qū)

22 排出收集器

23 永磁浸沒(méi)式電機(jī)組件

24 排出管

25 排出歧管

26 排放噴嘴

27 區(qū)域

28 推力平衡機(jī)構(gòu)

28a 平衡鼓

28b 固定套筒

28c 區(qū)域

28d 環(huán)形間隙

28e 節(jié)流間隙

28g 密封表面，平衡鼓

28h 面，擋板

29 波形彈簧

30 錐形筒夾

31 電機(jī)腔區(qū)域

32 擋板

34 永磁電機(jī)/轉(zhuǎn)子

35a 下部球軸承，電機(jī)

35b 上部球軸承，電機(jī)

36 定子

37 下部軸承殼體

37b 肩部，下部軸承殼體

38 上部軸承殼體

38a 電機(jī)頂板

38b 肩部，上部軸承殼體

39 電機(jī)殼

40 層壓堆疊

41 肩部特征

41a 肩部特征，下部軸承殼體

41b 肩部特征，上部軸承殼體

42 下部電機(jī)板

43 上部電機(jī)板/排出歧管

44 泵組件

45 拉桿

45b 螺帽

46 泵殼體

47 長(zhǎng)條（galleys）

48 中央室

49 排放筒

49a 排放端口

50 泵井

51 罐

52 底閥組件

52a 支撐環(huán)，底閥

53 提升軸

54 頭板

55 中間軸

56 起重螺帽

57 防雨罩

58 支撐件

59 彈簧

60 底閥封板

61 轉(zhuǎn)子直徑

62 轉(zhuǎn)子高度

63 第一直徑，誘導(dǎo)輪輪轂

64 第二直徑，誘導(dǎo)輪輪轂

65 第三直徑，誘導(dǎo)輪輪轂

66 共同的最外部直徑，誘導(dǎo)輪輪葉/葉片

67 焊接位置