CN115698512A - 用于输送含有固体的介质的离心泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于输送含有固体的介质的离心泵。离心泵具有用于减少由第一空间到第二空间中的回流的至少一个组件(13,20,25)。组件(13,20,25)包括至少一个非旋转元件(2,6,21)，其与至少一个旋转配对元件(14,22)共同作用。元件(2,6,21)至少部分地具有由碳层构成的层。

Description

用于输送含有固体的介质的离心泵

技术领域

本发明涉及一种带有用于减少由第一空间到第二空间中的回流的组件的用于输送含有固体的介质的离心泵。

背景技术

离心泵在不同的部位处具有可穿流的间隙，如例如在叶轮和壳体之间，在其处压力不同引起部分非常多损失的泄漏流。密封件在此必须关于间隙的数量级如此选择，使得其既不过大，使得离心泵的效率由于经由该间隙的高损失下降，又不允许间隙过小，因为否则存在如下风险，即产生碰撞(Anlaufen)，即在旋转和静止构件之间的触碰。

这样的密封件可例如是间隙环密封组件。间隙环密封件在离心泵中用于密封不同压力的空间。组件包括非旋转元件和旋转元件。非旋转元件可例如是间隙环，其布置在壳体处，或是壳体自身或壳体件。旋转元件可例如是承载环(Laufring,有时称为轴承座圈)，其布置在叶轮上，或是叶轮自身或叶轮的一部分，例如在闭合叶轮中是叶轮的覆盖盘。

在旋转元件和非旋转元件之间形成的间隙作为节流阀在不同压力的空间之间起作用且阻止由较高压力的空间到较低压力的空间中的过高的流。在两个元件之间的间隙越小，离心泵的效率损失越高。然而阻碍该努力的是，过小的间隙非常难以与制造公差以及运行影响相一致。适用的是，避免在元件之间的触碰，以便阻止旋转元件在非旋转元件处的擦过且由此预防磨损。由于在制造各个部件时必需的公差，存在最小间隙范围，其刚好防止触碰元件且由此出现摩擦和磨损。然而在运行中尤其在泵开动或启动时一直又出现如下情况，在其中产生触碰且然后出现压靠或材料磨损。

在输送含有固体的介质时必须此外考虑通过污染部件的侵蚀作用引起的间隙拓宽。因此首先在污染水离心泵中考虑提高的效率损失。

对于含有固体的介质示例性的是废水，尤其市政和工业废水。其通常包括管废水(例如污水、粪便)、废水(来自污水净化池的机械清洁水)、污泥(例如活性污泥、新鲜污泥、消化污泥和接种污泥)和雨水。工业废水可以可能非常腐蚀性或侵蚀性地作用于使用的离心泵、尤其离心泵的接触介质的构件。

为了考虑用于输送侵蚀性流体的离心泵处的间隙密封件的始终磨损，已经提出了，经由可调节的密封元件设置间隙的调节可能性。DE 35 13 116 A1描述了这样的间隙密封件。这样的手动可调节的间隙密封件在制造时相对耗费且要求操作专业人员的丰富经验。对于密封元件的调节、控制和时间校准需要比例上较高工作耗费。

通常，在离心泵中铸铁构件经常得到使用。在浇铸中由液态材料在硬化后出现以期望形状的固体。由此，可有针对性地生成期望的壳体结构或叶轮或离心泵的其余构件。在离心泵结构中的铸铁材料通常是铁碳合金。

DE 10 2017 223 602 A1说明了一种基于碳化硅的离心泵的间隙环承载环对。材料的硬度应保护离心泵免于侵蚀磨损。对此，由碳化硅构成的陶瓷元件置入到铸铁材料中且紧接着以金属铸铁材料浇铸。

DE 10 2018 214 650 A1描述了一种基于以文石改性碳酸钙的离心泵的间隙环密封件，该间隙环密封件以高硬度相对于侵蚀材料具有耐磨性。

尤其在用于输送含有固体的介质的离心泵中，在间隙环密封件的区域中产生腐蚀迹象或磨损迹象。由于大多数情况下耐侵蚀的陶瓷材料的高易碎性，提出的陶瓷解决方案在确定的构件几何形状中通常在实现中非常昂贵且耗费且可也许(例如通过部件的折断)导致运行干扰。

发明内容

本发明的任务是，说明一种用于输送含有固体的介质的离心泵。间隙环通过侵蚀磨损的损坏应有效降低。此外，泵应可在运行中长久地维持效率。离心泵应通过高可靠性和长使用寿命而出众。其应此外确保简单装配。此外，离心泵应通过尽可能低的制造成本令人信服。

该任务根据本发明通过带有权利要求1的特征的用于输送含有固体的介质的离心泵来解决。优选的变型方案可从从属权利要求、说明书和附图得知。

根据本发明，带有至少一个用于减少回流的组件的用于输送含有固体的介质的离心泵具有非旋转元件，其至少部分地具有由碳构成的层。

用于减少回流的这样的组件可根据本发明设计为间隙密封件，其可由间隙环和承载环或由间隙环和叶轮形成。该组件用于密封不同压力的空间且用作在这些空间之间的节流阀。在该组件中，第一空间应理解为带有较高压力的空间且第二空间应理解为带有较低压力的空间。在离心泵中，与之相应地较高压力的空间是压力接管以及螺旋壳体的空间。较低压力的空间是在叶轮前的吸取区域的空间。

间隙环借助于压靠配合布置在泵壳体处且与之相应地固定而且非旋转。间隙环这样直接布置在泵壳体处。此外，其与旋转配对元件形成间隙。旋转元件可例如为承载环，其布置在叶轮上，或是叶轮自身或叶轮的一部分，例如在闭合的叶轮中是叶轮的覆盖盘的径向和/或轴向面。

有利地，间隙环在径向面如例如间隙环内侧处和/或在轴向面如例如间隙环端侧处具有碳层。由此，由铸铁材料和/或不锈钢材料构成的通常的间隙环的硬度极大提升。间隙环由此获得相对于在输送介质中的固体颗粒的侵蚀作用的有效保护。

特别有利地，碳层是关于配对元件的触碰或碰撞。由于碳层的特别平坦的表面以及其特殊硬度，间隙环表现为相对于配对元件的擦过作用不敏感。

在本发明的变型方案中，用于相对于轴承承载盖密封叶轮的第二间隙环得到使用。同样，该间隙环具有碳层，其特别相对于含有固体的介质的侵蚀作用以及叶轮的不期望的接触保护间隙环。

根据本发明，间隙环与配对元件共同作用，以便防止特别小的间隙，以用于减少从泵的较高压力的空间到较低压力的空间中的回流。该配对元件可以以承载环的形式设计，其布置在叶轮的覆盖盘的准备好的面上。在备选的变型方案中，配对元件可以以叶轮的覆盖盘的加工的径向和/或轴向表面的形式构造。在两个变型方案中，根据本发明，碳层施加在形成间隙的面上。理想地，由此旋转配对元件被保护免于含有固体的介质的侵蚀作用。

特别有利的是由通常的金属材料、尤其铸铁材料和/或不锈钢材料构成的间隙环的设计方案，其紧接着以特别硬的且保护免于侵蚀的碳层来覆层。以该方式，间隙环可由成本适宜的原材料来制造，其同时可以以已知的标准制造方法来加工。

碳层应理解为如下层，在其中碳是主要组成部分。碳层可例如以PVD(英语：Physical Vapor Deposition)物理气相沉积，例如通过蒸发或溅射，或CVD(英语：ChemicalVapor Deposition；化学气相沉积)方法施加。

优选地，其是无定形碳层、尤其四面体、无氢的无定形碳层，其也称为ta-C层。属于石墨的晶体格的原子键(总体上分别3)人们以称呼“sp2”标记。在此，存在sp2杂交。

在金刚石层中，带有四个相邻的原子的每个碳原子形成四面体形的布置。在该空间布置中，所有原子间距是相同小。其因此作用非常高的在原子之间的连结力，且更确切地说沿所有空间方向。由此产生金刚石的高强度和极端硬度。属于金刚石的晶体格的原子键，总体上分别四，人们以称呼“sp3”标记。由此，存在sp3杂交。

在本发明的特别适宜的变型方案中，碳层由sp3和sp2杂交碳的混合物构成。该层通过无定形结构标记。在该碳网络中也可装入外部原子、如氢、硅、钨或氟。

碳层在间隙环和配对元件、如例如承载环上的根据本发明的布置导致侵蚀磨损的显著减少。

通过碳层在间隙环上的布置，创造带有抗粘附性质的极其平滑轴向表面，而不需要叶轮的耗费的机械的再加工。此外，可将多个间隙环在覆层反应器中带入，该覆层反应器优选地实施为真空室，其中在大量热负荷中ta-C覆层施加。由此，带有至少一个间隙环的根据本发明的离心泵通过比例上较低的制造成本出众。

在本发明的特别适宜的变型方案中，碳层作为覆层施加在间隙环上。层的厚度有利地为多于0.5微米、优选地多于1.0微米、尤其多于1.5微米。此外，证实为适宜的是，碳层为小于18微米、优选地小于16微米、尤其小于14微米。

理想地，由碳构成的覆层具有带有抗粘附性质的极其平滑的轴向的表面，在其中碳层的中心粗糙度值R_a为小于0.7微米、优选地小于0.5微米、尤其小于0.3微米。

ta-C覆层在同时非常良好的耐化学性时具有非常低的摩擦系数。覆层的硬度非常接近金刚石的硬度，其中硬度优选地为多于20GPa、优选地多于30GPa、尤其多于40GPa且少于120GPa、优选地少于110GPa、尤其少于100GPa。

以平均40至75GPa，ta-C覆层硬于a-C:H层。此外ta-C不包含氢。因此由此出发，与水接触的ta-C(在温度在80℃上方时)相比a-C:H更有抵抗性。在与包含其中连结氢的分子的其他的尤其极性液体的接触中，ta-C可同样相比a-C:H具有更好抵抗性。

优选地，碳层不直接施加到间隙环上，而是其首先设置粘附中继层。其优选地由如下材料构成，该材料不仅良好地粘附在钢处而且阻止碳扩散，例如通过形成更稳定的碳化物。作为满足这些要求的粘附中继层，适当地由铬、钛或硅构成的薄层得到使用。尤其，碳化铬和碳化钨证明为粘附中继物。

在本发明的有利的变型方案中，覆层具有粘附中继层，其优选地包含铬材料。优选地，粘附中继层至多于30重量百分比、优选地多于60重量百分比、尤其多于90重量百分比由铬构成。

根据本发明的ta-C覆层是用于在离心泵中的间隙环的简单的可快速实现的且经济的覆层。根据本发明的覆层除了非常大的硬度以外同样具有突出的滑动性质和良好的耐化学性。尤其，大多数金属材料通过直接相比于陶瓷材料较高的可延展性而出众。

通过ta-C覆层的较高硬度的优点合理地在于，经常在含有固体的介质中包含的小和大的固体颗粒此时可强烈减少地侵蚀地作用于间隙密封件、即间隙环和配对元件。通过流动，这些固体微粒正常如研磨器件起作用。以ta-C覆层的间隙环、承载环、叶轮和/或吸取侧的壳体件具有相对于侵蚀极其硬的保护层，由此其使用时间在输送含有固体的介质中明显提高。

优选地，对于覆层可使用PECVD/PACVD方法。在此，气相的等离子激励通过耦合脉冲直流电压(“脉冲DC”)、中频(KHz范围)或高频(MHz范围)功率进行。出于在不同工件几何形状和负载密度中最大化的过程可变性的原因，此外脉冲的直流电压的耦合被证实是有效的。

理想地，为了覆层使用PVD方法。该方法特别简单且具有较低的过程温度。该技术导致层，根据需要同样外部原子可装入到其中。过程引导优选地如此进行，以至于排除待覆层的材料(金属灰铸铁等)的组织和尺寸改变。

相对于CVD金刚石层，ta-C覆层具有优点，即，对于CVD金刚石层的覆层温度为600至1000℃且对于无定形碳层如ta-C明显处于500℃下。这尤其对于金属材料的覆层具有高技术相关性。PVD金刚石层的制造不可能。

附图说明

本发明的另外的特征和优点根据附图从实施例的描述且从附图自身得出。

其中：

图1示出了带有闭合的叶轮的用于输送含有固体的介质的离心泵的截面图，

图2示出了带有闭合的单叶片轮的用于输送含有固体的介质的离心泵的截面图，

图3示出了带有闭合的单通道轮的用于输送含有固体的介质的离心泵的截面图，

图4示出了在吸取嘴的区域中的局部放大图，

图5示出了固定的非旋转元件的细节截面图。

具体实施方式

图1示出了带有两个用于减少由第一空间到第二空间中的回流13,25的组件的用于输送含有固体的介质的离心泵的截面图。组件13,25包括两个非旋转元件2,6，其在该实施例中与闭合的叶轮4共同作用。该实施例是水平安置的螺旋壳体泵。元件2和6在该实施例中设计为间隙环。经由吸取嘴1，含有固体的介质流入到泵中，由抗扭地以固定部12与轴9连接的闭合的叶轮4被加载以运动能量且经由压力接管5离开壳体件10，其在该示例中构造为泵壳体。轴9通过球轴承8可转动地支承。在该实施例中构造为压力盖的壳体件7沿驱动器的方向封闭泵空间。理想地，元件2和6以碳层、优选地以无定形碳层、尤其以ta-C覆层。由此，获得免于侵蚀磨损的特别理想的保护，其在输送含有固体时必然作用于间隙环。由于间隙环的平坦和极其坚硬的ta-C覆层可省去陶瓷材料基如碳化硅。间隙环可由通常的铸铁材料或常见的不锈钢材料制成且通过ta-C覆层被保护免于含有固体的介质的侵蚀作用。

在吸取嘴1的区域中，在壳体件10内部空间中，固定的非旋转元件2(在此构造为间隙环)借助于压靠配合与壳体件10连接。元件2和叶轮4彼此间隔开，从而在元件2和叶轮4之间形成有间隙，其用作带有几何形状上相同构造的面的密封间隙。

图2示出了带有用于减少由第一空间到第二空间中的回流13的组件的用于输送含有固体的介质的离心泵的截面图。组件13包括固定的非旋转元件2，其在该实施例中与闭合的单叶片轮4共同作用。元件2在该示例中构造为间隙环。经由吸取嘴1，含有固体的介质流入到泵中，由抗扭地与轴9连接的闭合的单叶片轮4以运动能量加载且经由压力接管5离开壳体件10。轴9通过球轴承8可转动地支承。在该实施例中构造为压力盖的壳体件7沿驱动器的方向封闭泵空间。根据本发明，元件2以碳层、优选地以无定形碳层、尤其以ta-C覆层。由此，获得免于侵蚀磨损的特别理想的保护，且同样抵抗闭合单叶片轮相对于间隙环的碰撞。

图3示出了带有用于减少由第一空间到第二空间中的回流13的组件的用于输送含有固体的介质的离心泵的截面图。组件13包括固定的非旋转元件1，其在该实施例中与闭合的单叶片轮4共同作用。元件2在该实施例中构造为L形间隙环，其在表面处以ta-C覆层。经由吸取嘴1，含有固体的介质流入到泵中，由抗扭地与轴9连接的闭合的单叶片轮4以运动能量加载且经由压力接管5离开构造为泵壳体的壳体件10。轴9通过球轴承8可转动地支承。在该实施方案中构造为压力盖的壳体件7沿驱动器的方向封闭泵空间。根据本发明，也称为角度间隙环的L形元件2以碳层、优选地以无定形碳层、尤其以ta-C覆层。由此，获得免于侵蚀磨损的特别理想的保护且同样抵抗闭合单叶片轮4相对于间隙环的碰撞。

图4示出了根据本发明的变型方案的在吸取嘴1的区域中的局部放大图。离心泵具有以间隙密封件的形式的用于减少回流13的组件。其包括旋转构件14，其构造为承载环，和非旋转构件2，其构造为间隙环。旋转构件14在叶轮4的覆盖盘3的径向外侧处布置。旋转构件14由此随着叶轮4旋转。非旋转构件2布置在壳体件10处且具有作为引导件的径向环内侧，其与旋转构件14的径向环外侧共同作用，其在实施例中构造为角度承载环且形成间隙密封件。元件2和旋转构件14根据本发明以碳层、优选地以无定形碳层、尤其以ta-C覆层。由此获得免于侵蚀磨损的特别理想的保护。

在根据图4中的视图的实施方案中，除了用于减少回流13的组件以外设置有另一组件20，其包括旋转元件22和非旋转元件21。旋转元件22构造为环，其布置在覆盖盘3的轴向端侧处且同样称为角度承载环。对此，旋转元件22具有沿轴向方向延伸的突出部19，其接合到覆盖盘3的槽15中。非旋转元件21构造为轴向可移动的环，其由壳体件10的面16相对于径向移动被引导。力生成元件17将力施加到非旋转元件21上且挤压非旋转元件21抵靠旋转元件22。力生成元件17构造为弹簧。在实施例中，在此波纹弹簧得到使用。在本发明的备选实施方案中，可使用正弦弹簧或群组弹簧***(Gruppenbefederung)。非旋转元件21由密封元件18至壳体件10密封。密封元件18优选地是O形环。

旋转元件22和非旋转元件21在实施例中由不锈钢材料实施，其根据本发明以ta-C覆层。旋转元件22和非旋转元件21的两个轴向彼此指向的端面由力生成元件17彼此挤压。在此出现最小间隙。摩擦通过ta-C覆层最小化。在旋转元件22和非旋转元件21的触碰面之间的间隙中构造由输送介质构成的润滑薄膜。组件20与设备13共同阻止从泵的压力空间5到离心泵的吸取空间1中的回流。

图5示出了非旋转元件2的细节截面图，其在轴向表面23处且在径向表面24处以碳层覆层。通过在至少一个间隙环端侧和至少一个间隙环内侧处以ta-C的覆层，间隙环可由通常的铸铁材料或不锈钢材料制造且借助于ta-C覆层获得抗磨损的性质。

Claims (14)

1.一种用于输送含有固体的介质的离心泵，带有用于减少由第一空间到第二空间中的回流的至少一个组件(13,20,25)，其中所述组件(13,20,25)包括至少一个非旋转元件(2,6,21)，其与至少一个旋转配对元件(14,22)共同作用，

其特征在于，

所述元件(2)至少部分地具有由碳构成的层。

2.根据权利要求1所述的离心泵，其特征在于，所述非旋转元件(2,6,21)直接布置在壳体件(10,7)处。

3.根据权利要求1或2所述的离心泵，其特征在于，所述非旋转元件(2,6,21)构造为间隙环。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的离心泵，其特征在于，所述非旋转元件(2,6,21)在径向面(24)处具有由碳构成的层。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的离心泵，其特征在于，所述非旋转元件(2,6,21)在轴向面(23)处具有由碳构成的层。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的离心泵，其特征在于，所述非旋转元件(2,6,21)与布置在叶轮(4)的覆盖盘(3)处的旋转的配对元件(14,22)或与所述覆盖盘(3)的轴向和/或径向面共同作用。

7.根据权利要求6所述的离心泵，其特征在于，所述配对元件(14,22)构造为承载环。

8.根据权利要求6或7所述的离心泵，其特征在于，所述配对元件(14,22)至少部分地具有由碳构成的层。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的离心泵，其特征在于，闭合的叶轮(4)在所述覆盖盘(3)的轴向和/或径向面处至少部分地具有由碳构成的层。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的离心泵，其特征在于，所述元件(2,6,21)和/或所述配对元件(14,22)由金属材料、优选地铸铁材料或不生锈的钢材料制成。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的离心泵，其特征在于，其是无定形碳层。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的离心泵，其是四面体的无氢的无定形碳层。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的离心泵，其特征在于，所述碳层的厚度为多于0.5微米、优选地多于1.0微米、尤其多于1.5微米，且/或小于18微米、优选地小于16微米、尤其小于14微米。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的离心泵，其特征在于，所述非旋转元件(2,6,21)的以碳层覆层的表面的表面硬度为多于20GPa、优选地多于30GPa、尤其多于40GPa，且/或小于120GPa、优选地小于110GPa，尤其小于100GPa。

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