CN105526194B - 可调导叶装置及节段式多级离心泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种安装有可调导叶装置的节段式多级离心泵，包括：吸入段、首级叶轮、可调导叶装置、中段、次级叶轮、排出段、泵轴、轴套、叶轮间隔环、滑动轴承、滚动轴承、弹性连接器，以及外部原动机；叶轮通过键连接装配在泵轴上；可调导叶装置装配在中段内，经过叶轮加压液体通过可调导叶装置收集并降低流速，通过排出段排出送入管道***。该发明的可调导叶装置根据水泵出口的压力调节导叶的角度，因而水泵在任意工况下都运行在效率优化工作点，提高了水泵部分负荷和超负荷工况下的水力效率，提高了水泵***，特别是变频或者变流量水泵***的运行效率，节约水泵***能耗。
Description
技术领域
本发明涉及工业、农业等液体输送领域，尤其涉及一种可调导叶装置和采用该装置的立式安装节段式多级离心泵。
背景技术
节段式多级离心泵是将多个叶轮安装在一根轴上串联工作，轴上叶轮数即代表泵的级数。节段式多级泵结构一般分为进水段、中段(中段数为叶轮个数减1)和出水段，各段用拉紧螺栓连成一个整体。节段式多级离心泵吸入口朝同一方向排列，液体从前一级叶轮流出后经导叶进入下一级叶轮进口，使能量逐级增加，最后经出水段流出。
节段式多级离心泵多采用立式安装设计以节省空间，安装方便。水泵进出口不在同一轴线上，下部进水，上部出水，且进水段、中段和出水段通过拉紧螺栓连接；水泵和电机通过弹性联轴节（通常为联轴器）连接；密封一般采用机械密封。节段式多级离心泵应用于工业、农业液体的输送和城市给排水、高层建筑增压供水、消防增压、远距离送水和锅炉给水等。
另外，随着工业的发展，环境污染越来越严重，因而对碳排放的要求越来越严格，这就迫使产品不断升级，不断的提供高效节能的解决方案。在水泵***领域，目前常用的方法是采用变频技术，变频技术对水泵***节能做出了很大的贡献，然而水泵的设计是按照额定点优化设计（即在额定流量，水泵的效率最高），当水泵偏离额定点工作时，即在部分负荷和过载工况下，其效率较低，而且偏离额定流量越远，其效率下降越多。
本发明的目的是针对现有节段式多级离心泵部分负荷和过载工况下效率较低的技术缺陷，提出了一种可调导叶装置，以及应用该可调导叶装置的新型节段式多级离心泵。
其中，可调导叶装置根据水泵出口的压力调节导叶的角度，因而水泵在任意工况下都运行在效率优化工作点，提高了水泵部分负荷和超负荷工况下的水力效率，提高了水泵***，特别是变频或者变流量水泵***的运行效率，节约水泵***能耗。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供了一种可调导叶装置，其用于根据水泵出口压力信号调节导叶角度，因而提高了水泵在部分负荷和过载工况下的运行效率，其包括：驱动装置、反馈信号处理器、动力传递机构、螺旋齿轴、主动齿轮、导叶和从动齿轮，所述反馈信号处理器接收到水泵出口压力传感器传来的压力信号并经过处理，从而确定所述导叶的偏转角度；其中，所述驱动装置通过所述动力传递机构连接并驱动所述螺旋齿轴，所述螺旋齿轴通过齿轮与所述主动齿轮啮合连接，所述从动齿轮与所述主动齿轮啮合连接，所述导叶与所述从动齿轮连接。
所述可调导叶装置根据水泵出口的压力调节导叶的角度，因而水泵在任意工况下都运行在效率优化工作点，提高了水泵部分负荷和超负荷工况下的水力效率。
对于给定的水力设计，压力和流量是一一对应的，即不同的压力对应着不同的流量，不同的流量对应不同的叶轮液体出口速度，当导叶的角度和流体出口速度方向一致时，水力损失最小，水力效率最高。可调导叶装置根据压力传感器（一般安装在水泵出口）反馈的信号调整导叶的角度，从而保证在任意工况下，水泵都在优化效率点运行（水泵出口压力与导叶角度的关系，一般通过水力仿真确定并经过试验修正）。
本发明还提供了一种包含上述可调导叶装置的节段式多级离心泵，其包括：
由下至上依次轴向连接的底座、进水段、中段、出水段、原动机支架及原动机；所述底座内设置有轴承座；所述原动机支架用于连接原动机和离心泵机械部件；所述原动机用于把液体泵送到给定的高度；
泵轴，轴向容置在所述进水段、中段和出水段中，所述泵轴套接有首级叶轮、次级叶轮、末级叶轮、轴套和叶轮间隔环；
所述原动机通过弹性连接器与所述泵轴连接，把动力通过所述泵轴传递到所述次级叶轮及首级叶轮，从而通过所述原动机驱动所述弹性连接器并带动所述泵轴转动；
轴套，套接在所述泵轴上靠近所述轴承座的一端，以用于防止所述泵轴磨损；
滑动轴承，装配在所述轴承座中并套接在所述轴套外侧，用于滑动支撑所述泵轴，所述滑动轴承内壁上开有多条螺旋沟槽；
滚动轴承，套接在所述泵轴上靠近所述弹性连接器的一端，以用于滚动支撑所述泵轴；
所述进水段装配在所述底座上，所述进水段中液体的流通通道为流道，所述流道的口部为吸入口；
所述中段装配在进水段和出水段中间用于装配上述的可调导叶装置，其包括：驱动装置、反馈信号处理器、动力传递机构、螺旋齿轴、主动齿轮、导叶和从动齿轮，所述反馈信号处理器接收到水泵出口压力传感器传来的压力信号并经过处理，从而确定所述导叶的偏转角度；其中，所述驱动装置通过所述动力传递机构连接并驱动所述螺旋齿轴，所述螺旋齿轴通过齿轮与所述主动齿轮啮合连接，所述从动齿轮与所述主动齿轮啮合连接，所述导叶与所述从动齿轮连接；
所述出水段装配在所述中段和原动机支架之间并与所述原动机支架连接，且所述出水段与泵轴之间设置有机械密封；所述出水段中液体流通部分为流道，所述流道的口部为排出口；
所述首级叶轮通过键连接装配在所述泵轴上靠近所述滑动轴承的一端，所述泵轴带动所述首级叶轮转动，从而将从所述进水段导入的液体加压并输送至所述可调导叶装置；
所述次级叶轮及末级叶轮均通过叶轮间隔环轴向定位装配在所述泵轴上；
所述叶轮间隔环轴向套设在所述泵轴上，并轴向位于所述首级叶轮与次级叶轮之间、所述次级叶轮与次级叶轮之间以及次级叶轮与末级叶轮之间，用于分隔叶轮并保证叶轮在所述泵轴上的轴向定位；
所述可调导叶装置径向装配在所述中段内，并径向位于所述首级叶轮与次级叶轮之间、所述次级叶轮与次级叶轮之间以及次级叶轮与末级叶轮之间。
其中，装配在所述吸入端的叶轮为所述首级叶轮，所述次级叶轮位于所述首级叶轮与机械密封之间。
进一步的，所述首级叶轮和次级叶轮上均开有水力平衡孔用于轴向力的平衡。
其中，所述叶轮通过所述叶轮间隔环分隔并进行轴向定位，且所述叶轮间隔环通过挡圈定位在所述泵轴上。
进一步的，所述底座分为可拆卸的支撑座与底盖，所述轴承座位于所述支撑座内，所述底盖具有凸台以支撑所述轴承座，因而可以通过从底部拆卸所述底盖而不需拆卸泵体就可以更换所述滑动轴承，便于维护。
其中，所述机械密封套设在所述泵轴上并位于所述出水段与泵轴之间，且所述机械密封局部伸出所述出水段以方便直接从所述出水段拆卸，因而不用拆卸泵体就可以维修或更换所述机械密封，便于维护。
其中，所述原动机是电机或其他类型的原动机，如内燃机。
进一步的，所述进水段与出水段均360度周向转动安装，液体吸入口与排出口方向可调，可以适应不同方向安装的管路***。
进一步的，所述出水段采用蜗壳形结构。
本发明采用可调导叶机构根据水泵出口的压力调节导叶的角度，提高了水泵部分负荷和超负荷工况下的水力效率，提高了水泵***，特别是变频或者变流量水泵***的运行效率，节约水泵***能耗。
本发明的轴承座可以从底座的底部拆卸，所以不用拆卸泵体就可以更换滑动轴承，便于维护。
本发明的机械密封可以直接从出水段上方拆卸，所以不用拆卸泵体就可以维修或更换机械密封，便于维护。
本发明的进水段和出水段可以在周向任意旋转，所以可以适应多种不同方向管路***的安装。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明节段式多级离心泵的剖视结构示意图；
图2为本发明可调导叶装置的立体结构示意图；
图3为本发明可调导叶装置螺旋齿轴与主动齿轮啮合结构示意图。
图中数字表示：
1.底座 2.轴承座 3.轴套
4.滑动轴承 5.进水段 6.挡圈
7.泵轴 8.叶轮间隔环 9.首级叶轮
10.可调导叶装置 11.中段 12.次级叶轮
13.出水段 14.螺母 15.螺栓
16.机械密封 17.滚动轴承 18.联轴器
19.电机支架 20.电机 21.吸入口
22.排出口 1001.驱动装置 1002.反馈信号处理器
1003.动力传递机构 1004.螺旋齿轴 1005.主动齿轮
1006.导叶 1007.从动齿轮
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本发明的节段式多级离心泵具体包括：底座1、轴承座2、轴套3、滑动轴承4、进水段5、挡圈6、泵轴7、叶轮间隔环8、首级叶轮9、可调导叶装置10、中段11、次级叶轮12、出水段13、机械密封16、滚动轴承17、联轴器18、电机支架19和电机20，其中出水段13通过螺栓15螺母14与电机支架19连接，且出水段13与泵轴7之间通过机械密封16进行密封；进水段5中液体的流通通道为流道，流道的口部为吸入口21；出水段13中液体流通部分为流道，流道的口部为排出口22。
节段式多级离心泵通过底座1由紧固螺栓安装在基础上。泵轴7轴向容置在进水段5，中段11和出水段13内，泵轴7套接有轴套3和叶轮间隔环8；滑动轴承4容置在轴承座2中，并套接在轴套3外侧；进水段5的泵轴7通过轴套3采用滑动轴承4支撑，电机20一端的泵轴7采用滚动轴承17支撑；叶轮间隔环8通过挡圈6定位在泵轴7上；首级叶轮9和次级叶轮12通过叶轮间隔环8轴向定位并通过键连接装配在泵轴7上。
轴套3需要装配在泵轴7上，因此其加工精度要求较高；由于叶轮间隔环8的主要功能是叶轮之间的轴向定位，因此其加工精度相对低一些。
具体的，节段式多级离心泵吸入段5的第一级叶轮为首级叶轮9，往电机方向依次具有多个次级叶轮12，最后一个叶轮为末级叶轮，其中，为了提高节段式多级离心泵的气蚀性能，首级叶轮9是特殊设计的，而次级叶轮和末级叶轮的设计是相同的。
首级叶轮9后的可调导叶装置10为首级可调导叶装置，同理次级叶轮12后的可调导叶装置10为次级可调导叶装置，末级叶轮后的可调导叶装置10为末级可调导叶装置，且为了降低产品的复杂度，可调导叶装置一般采用相同的设计。
可调导叶装置10是节段式多级离心泵的能量传递装置，它的作用是把首级叶轮9、次级叶轮12甩出来的液体收集起来，使液体的流速降低，把部分动能转变为压力能后再均匀地引入下一级叶轮，可调导叶装置10使液体在连续的流线型流道内流动，不易形成死角和突然扩散，液体速度变化比较均匀，水力性能良好。
图2为本发明可调导叶装置的示意图。首先反馈信号处理器1002接收到水泵出口压力传感器传来的压力信号并经过处理，从而确定导叶的偏转角度；如图所示，可调导叶装置的驱动装置1001通过动力传递机构1003首先把动力传递到螺旋齿轴1004 ，螺旋齿轴1004带动主动齿轮1005顺时针或者逆时针方向转动，从动齿轮1007通过齿轮传动带动导叶1006顺时针或者逆时针方向转动，调整导叶1006到优化的角度位置，水泵运行在效率优化工作点，提高了水泵部分负荷和超负荷工况下的水力效率。
图3为本发明可调导叶装置部件的示意图，螺旋齿轴1004通过齿轮啮合与主动齿轮1005传递运动。
根据输送介质的要求，本发明的节段式多级离心泵可选用相应的材料，如不锈钢，铜合金。而最高扬程可以达到1000米以上。
本发明的节段式多级离心泵的泵轴7通过弹性联轴器18由支撑在电机支架19上的原动机20直接驱动。泵轴7带动首级叶轮9，中间多个次级叶轮12，把液体泵送到指定的高度。可调导叶装置10装配在中段11内。首级叶轮9和次级叶轮12装配在泵轴7上，泵轴7带动叶轮转动，从而将从进口引入的液体加压。液体由进口通过首级叶轮9加压后，经过可调导叶装置10收集并降低流速进入次级叶轮12继续加压，加压的液体经过可调导叶装置10收集并降低流速进入最后一级叶轮加压，加压后的液体通过蜗壳形出水段13从出口排出送入管道***。蜗壳形出水段13的横截面积沿出口方向逐渐增大，光滑过渡，液体流速逐渐减小，压力能增加，其流线型设计保证水力损失较小，从而保证高效的水力设计。
根据不同的扬程要求，次级叶轮12的数量可以从0到多个。如果所需扬程的数值不是叶轮设计扬程的整数倍，可以通过叶轮切割减少叶轮的直径来实现，扬程近似和叶轮直径的平方成正比（具体的精确对应关系一般通过实验确定）。
本发明的可调导叶装置和节段式多级离心泵由于可调导叶装置根据水泵出口的压力调节导叶的角度，因而提高了水泵部分负荷和超负荷工况下的水力效率，提高了水泵***，特别是变频或者变流量水泵***的运行效率，节约水泵***能耗。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.一种节段式多级离心泵，其特征在于，包括：
由下至上依次轴向连接的底座、进水段、中段、出水段、原动机支架及原动机；所述底座内设置有轴承座；所述原动机支架用于连接原动机和离心泵机械部件；所述原动机用于把液体泵送到给定的高度；
泵轴，轴向容置在所述进水段、中段和出水段中，所述泵轴套接有首级叶轮、次级叶轮、末级叶轮、轴套和叶轮间隔环；所述首级叶轮和次级叶轮上均开有水力平衡孔用于轴向力的平衡；
所述原动机通过弹性连接器与所述泵轴连接，把动力通过所述泵轴传递到所述次级叶轮及首级叶轮，从而通过所述原动机驱动所述弹性连接器并带动所述泵轴转动；
轴套，套接在所述泵轴上靠近所述轴承座的一端，以用于防止所述泵轴磨损；
滑动轴承，装配在所述轴承座中并套接在所述轴套外侧，用于滑动支撑所述泵轴，所述滑动轴承内壁上开有多条螺旋沟槽；
滚动轴承，套接在所述泵轴上靠近所述弹性连接器的一端，以用于滚动支撑所述泵轴；
所述进水段装配在所述底座上，所述进水段中液体的流通通道为流道，所述流道的口部为吸入口；
所述中段装配在进水段和出水段中间用于装配可调导叶装置；
所述出水段装配在所述中段和原动机支架之间并与所述原动机支架连接，且所述出水段与泵轴之间设置有机械密封；所述出水段中液体流通部分为流道，所述流道的口部为排出口；
所述首级叶轮通过键连接装配在所述泵轴上靠近所述滑动轴承的一端，所述泵轴带动所述首级叶轮转动，从而将从所述进水段导入的液体加压并输送至所述可调导叶装置；
所述次级叶轮及末级叶轮均通过叶轮间隔环轴向定位装配在所述泵轴上；
所述叶轮间隔环轴向套设在所述泵轴上，并轴向位于所述首级叶轮与次级叶轮之间、所述次级叶轮与次级叶轮之间以及次级叶轮与末级叶轮之间，用于分隔叶轮并保证叶轮在所述泵轴上的轴向定位；
所述可调导叶装置径向装配在所述中段内，并径向位于所述首级叶轮与次级叶轮之间、所述次级叶轮与次级叶轮之间以及次级叶轮与末级叶轮之间，其用于根据水泵出口压力信号调节导叶角度，因而提高了水泵在部分负荷和过载工况下的运行效率，其包括：驱动装置、反馈信号处理器、动力传递机构、螺旋齿轴、主动齿轮、导叶和从动齿轮，所述反馈信号处理器接收到水泵出口压力传感器传来的压力信号并经过处理，从而确定所述导叶的偏转角度；其中，所述驱动装置通过所述动力传递机构连接并驱动所述螺旋齿轴，所述螺旋齿轴通过齿轮与所述主动齿轮啮合连接，所述从动齿轮与所述主动齿轮啮合连接，所述导叶与所述从动齿轮连接；
所述底座分为可拆卸的支撑座与底盖，所述轴承座位于所述支撑座内，所述底盖具有凸台以支撑所述轴承座，因而可以通过从底部拆卸所述底盖而不需拆卸泵体就可以更换所述滑动轴承，便于维护；
所述机械密封套设在所述泵轴上并位于所述出水段与泵轴之间，且所述机械密封局部伸出所述出水段以方便直接从所述出水段拆卸，因而不用拆卸泵体就可以维修或更换所述机械密封，便于维护；
所述进水段与出水段均360度周向转动安装，液体吸入口与排出口方向可调，可以适应不同方向安装的管路***；
所述出水段采用蜗壳形结构。
2.根据权利要求1所述的节段式多级离心泵，其特征在于，装配在所述吸入端的叶轮为所述首级叶轮，所述次级叶轮位于所述首级叶轮与机械密封之间。
3.根据权利要求2所述的节段式多级离心泵，其特征在于，所述叶轮通过所述叶轮间隔环分隔并进行轴向定位，且所述叶轮间隔环通过挡圈定位在所述泵轴上。
4.根据权利要求2所述的节段式多级离心泵，其特征在于，所述原动机是电机或内燃机。
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