专利名称：正旋涡高效高压泵的制作方法
技术领域：
该项发明属于流体机械，主要应用于低黏度流体如水、轻质油及气体的增压输送，尤其适用于液体的较高压、高压系统。
背景技术：
目前，在高压20～300m、小流量0.1～20m3/h范围内的液体输送系统中，除采用柱塞泵和齿轮泵等容积泵外，还普遍使用旋涡泵。旋涡泵结构简单，工作可靠，它具有一个圆周上呈放射状均匀排列着20～60个叶片的圆盘样的叶轮，与圆形泵壳共同构成一条等截面的环形流道，流道的进出口均在流道的外圆周上，中间有隔板，由此将进出口隔离开。它的工作原理是，利用叶轮的高速旋转运动，使流体受离心力作用在内产生纵向旋涡运动，这种旋涡运动是一种螺旋状前进的运动；在纵向旋涡过程中，流体质点通过叶轮叶片把能量传递给流道内的流体质点，流体质点每经过一次叶片，就获得一次能量。因此在相同叶轮外径情况下，旋涡泵比离心泵扬程要高。但它的机械效率很低，使用范围有限。
为了深入研究旋涡泵的工作原理，找到解决其低效问题的办法，在分析之前，我们暂先明确以下定义旋涡旋向与流道内流体流向一致的，成为正旋涡；相反的称为负旋涡；垂直或成一定角度的统称为侧旋涡。同时，取单一液体泵进行说明。
现在的旋涡泵，由于流道内液体不仅存在纵向环形流动，而且还存在横向的环形流动一侧旋涡。也正是这种侧旋涡，才使得泵内液体能够反复进出叶轮，提高了液体的动能、势能；但也正是由于存在这种运动，使得液体不断在泵体与叶轮叶片间发生摩擦，造成损耗；同时，这种侧旋涡的中心则形成一个相对低能区域，这里的液体不能进入叶轮流道进行增加能量，只能通过其周围螺旋状前进的侧旋涡流获得能量；因此，在这个中心区域存在一定的液体回流现象。在实际设计中，为了限制这种低压侧旋涡中心的区域过大，流道宽度就不能设计得过宽，从而也就限制了这种泵的流量范围。
通过进一步研究，我们还发现，在旋涡泵运行过程中，在每个叶片的背面始终存在一种低压涡流-负旋涡。它是由于叶轮直叶片在其高速旋转过程中，周围液体无法迅速补充至叶片的背后区域，进而产生一个低压区域，区域内的液体受到流道内流体的带动作用，产生了负旋涡。当该区域内压力降低到一定程度时，就会发生汽蚀，产生噪音，对叶片构成危害。因此，这种负旋涡对流体增压毫无作用，只会无端消耗能量；研究认为，负旋涡产生的能量耗散在总能量耗散中所占比例很大。所以，旋涡泵无论是在大流量还是在小流量段内，它的效率都比较低，一般在20％～40％之间。这是目前旋涡泵致命的缺点，严重限制了这种泵的使用范围。
综合目前泵类性能和市场实际需求，迫切需要一种流量适用范围宽，比如在0.1～1500m3/h，高扬程，比如在100～3500m，高效率80％以上，高可靠性，极低脉动的旋涡泵。这就是本发明要解决的问题。
发明内容
通过对现有技术的分析，要提高旋涡泵的性能，就必须要克服它们的缺点。
本发明提供了一种高效流体增压泵的结构设计方法，它克服了现有旋涡泵的所有不足，继承延伸了已有的优点。它的结构特点如下首先，它采用了一种形似圆盘锯的转子，若干个锯齿形叶片在圆周上均匀分布，转子的宽度取决于设计流量的大小；其次，由转子两端的、与转子固定在一起同时旋转的侧板和等直径的定子内壁一同构成等截面环形流道；第三，转子上的侧板圆周与定子内壁采取精密配合，间隙极小，用于泵的轴向流体密封；密封面中间设有均压槽，并通过在定子上的一个孔与泵的吸入口相连，或与抽吸装置相连接，以减少或基本消除泵送流体的外泄量；第四，泵的两端由两个端盖固定在定子上，转子通过轴和固定在端盖上的轴承保持与定子稳定的同心度；第五，环形流道由专门设计的隔板挡块分割开来，一边设置流体吸入口，一边是流体排出口，与目前的旋涡泵一致，但它的隔板挡块截面形状呈类似等腰梯形设计。
它的工作原理是这样的当转子高速旋转时，转子叶片的速度高于环形流道内流体的速度，由于是环形流道，每个旋涡体的质点能量分布均是外高内低，即沿着径向由低到高分布，越是靠近流道外层的能量越高，越是靠近转子的能量越低；而转子的锯齿形叶片则正好可不断收集处于低能量的流体质点，并在叶片处受到叶片的导流作用而转向、受到离心力的作用而加速，沿着与流体排出基本一致的方向、大于转子外圆切线的角度流出，然后与流道内的流体进行能量传递；从转子叶片处产生的液体流既起到增加流道内液体能量的作用，又起到隔断回流的作用；如此不断循环，使得每个旋涡体不断受到加速，增加能量。这些流体被转子的若干个锯齿形叶片分割为若干个正旋涡体，并且首尾相连，就像若干个电池串联可以获得高电压那样，在泵的排出口处积累到很高的压力，使流体获得很高的扬程。
分项研究表明，本发明具有区别于现有旋涡泵技术的诸多优点1.基于以下原因，这种泵可以获得很高的效率。
1.1转子叶片呈类锯齿形，消除了直叶片背后存在的低压负旋涡。因此泵内只存在正旋涡，同时也没有侧旋涡；每个正旋涡体被叶片抛出的流体封闭，在流道内不会产生目前旋涡泵普遍存在的回流、扰流现象；1.2流道两侧的侧板与转子一同旋转，它与流道内的流体间的摩擦产生的是正面影响，有利于增加流体能量；1.3由于采取转子侧板圆周与定子内壁精密间隙配合，除去两端轴承外，定子与转动部件不存在机械摩擦；同时，泄漏量有限，容积效率也较高；1.4由于转子及侧板未浸泡在液体中，故基本不存在圆盘损失；1.5类似等腰梯形设计的进出口隔板消除了进出口，尤其是进口处的流体撞击损失。
2.基于以下原因，这种泵可以获得很宽的流量范围。
2.1转子的宽度直接关联泵的流量，而改变转子宽度设计就可以等比例的改变泵的设计流量，同时不会改变它的扬程性能和效率特性；2.2改变转子的转速，也可以近似正比例地改变流量，非常适合调速调流需求。
3.基于以下原因，这种泵可以高效地获得超高扬程。
3.1转子和其类锯齿形叶片的机械强度非常高，同时，不存在圆盘损失，故转子直径可以做得比较大；3.2由于转子上的流道侧板与转子一同旋转运动，所以这种泵可方便地设计成多级泵而不增加泵的复杂程度；级与级之间首尾相连就可获得数倍单级泵的扬程。
4.基于这种泵独特的锯齿形转子叶片设计，它的抗汽蚀性能非常突出。
5.基于这种泵采用径向圆周密封，泵的轴向尺寸较短而且可以方便地设计成双端轴承支撑，因此刚性和强度都很好，同时不存在轴向力。
除以上优点外，本发明还同时具有普通旋涡泵的通常特点结构简单，体积小；极低的脉动性能；陡降的H-Q曲线；较好的自吸能力；更加优异的可靠性和更长的使用寿命；更低地运转噪声。
最后特别需要说明的是，该项发明不仅适合于液体增压过程，同样适用于气体的压缩过程。
图1是正旋涡泵的结构原理图。
图2是轴向剖面结构图。
图中所标主要零部件、部位名称分别是1-叶轮转子；2-泵壳定子；3-隔板挡块；4-排出口；5-吸入口；6、12-流道侧板；7、11-端盖轴承座；8、10-轴承；9-轴。
具体实施例方式
由于结构简单明了，而且在本结构图中也给出了可行的工艺设计，因此实施起来并不难。在具体实施过程中应注意以下问题1、泵壳定子2可以采用铸造然后加工的方式，也可以采用铸造加定子内套的方式，还可以设计成与电机直联的方式。
要采取哪种方式要视不同流体、流量和压力灵活变动。一般而言，对于小型泵，多采取直联的方式，以减少泵的体积，甚至可以省掉两端的轴承；对于大型泵，则必须考虑叶轮转子的稳定性，需要参考图2形式进行。
2、按照单纯设计考虑，叶轮转子1与流道侧板6、12应该做成一体结构，便于其外圆表面的高精度加工。对于拥有较高铸造能力的制造者，可以采用一体化铸造的方式，否则需要分开制造加工，然后再组装到一起。
3、隔板挡块3通过螺钉与定子固定，它与转子外圆1和流道侧板以6、12之间要保持微小间隙，其与转子间的配合长度要覆盖2.5倍齿距以上，防止高低压流体的内部泄漏，降低泵的容积效率。
4、转子在轴上的位置应通过轴套、轴承加以定位，对于小型泵也可以采用浮动定位的方法，即通过在隔板挡块3上开设左右均压孔、槽的办法来实现。
5、材料选取上具有很大灵活性，值得特别说明的是，当泵送的流体是水或水溶液时。一定要考虑其对材质的锈蚀性能，防止径向圆周密封锈蚀、失效；当可靠性要求更高时，转子和定子径向圆周密封相配合的部位应该考虑镶嵌硬质合金或其它类似高耐磨材料。
6、如果泵送的是液体，两侧端盖的下部要开设泄漏排流口。
7、两侧端盖的轴承要有档板密封，防止尘土或液体侵入。
权利要求
1.一种正旋涡泵，其特征为具有均匀分布在圆周上的、与环形流道等宽的、类锯齿形叶片的叶轮转子，运转时它可产生首尾相连的若干个正漩涡体，该种泵可使低黏度流体获得宽流量和高扬程。
2.一种特征为叶片形状类似锯齿状的旋涡泵，无论这种叶片是分布在转子圆周上还是分布在转子侧面，它都可消除普通直叶片背后的负旋涡而大大提高整机效率。
3.一种流道侧板与转子(或普通离心泵叶轮)固定在一起同速旋转，采取侧板外圆与等直径的定子(或泵壳)内圆精密配合进行密封的流体泵。这种泵没有普通叶轮泵共有的圆盘损失和轴封机械摩擦损失。
4.基于权利3，一种其特征是密封配合面上布有均压槽，均压槽可以与泵的吸入口相连或与抽吸装置相连接，进而对产生的泄漏进行控制的径向圆周密封方法。
5.基于权利1和权利3，一种特征为通过定子外部沟通，实现首尾相连构成的超高扬程多级正旋涡泵。
6.一种特征为类似等腰梯形的旋涡泵流道进出口隔板，它可有效降低消除旋涡泵进出口处的流体撞击损失。
全文摘要
本发明是一种高效的正旋涡泵，属于流体机械。它克服了现有旋涡泵的低效率、小流量和扬程有限等不足。它由一种圆周上具有锯齿形叶片的转子、一同旋转的流道侧板和等直径的定子构成；侧板与定子精密配合，用于泵的径向圆周密封；环形流道由类似等腰梯形的隔板挡块分割开来，两边分设吸入口和排出口。当转子旋转时，转子的速度高于环形流道内流体的速度，处于低能量的流体质点在叶片处加速，沿着大于转子外圆切线的角度被抛出，形成若干个正旋涡体，并且首尾相连，旋涡体不断受到加速，增加能量，使流体在出口处获得很高的压力。本发明在低黏度流体的高压、超高压输送和气体的压缩方面都具有广阔应用前景。
文档编号F04D29/08GK101037998SQ20061007082
公开日2007年9月19日 申请日期2006年3月13日 优先权日2006年3月13日
发明者孙学东 申请人:孙学东