低磨損漿料泵的制作方法
【專利摘要】一種用于漿料的離心泵，結(jié)合了相對于常規(guī)配置的設(shè)計改變，其產(chǎn)生準層流并實質(zhì)性地延長了外殼的壽命。外殼的分水間隙增大到葉輪直徑的0.20至0.25倍。該外殼包括重新設(shè)計的可移除環(huán)形襯里，該襯里的直徑增大到葉輪直徑的至少1.15倍。該泵優(yōu)選地還具有可軸向調(diào)節(jié)的磨損環(huán)，該磨損環(huán)地直徑增大到使得其延伸超過磨損環(huán)與葉輪之間的接合處區(qū)域的直徑的至少10%。
【專利說明】低磨損漿料泵
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求提交于2011年4月14日的第61/475，631號的美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明總體涉及用于漿料的泵的領(lǐng)域。尤其是，本發(fā)明涉及具有改良的模塊化幾何構(gòu)造的離心泵，該改良的模塊化幾何構(gòu)造降低了磨損，并允許外殼(casing)部件的更換，從而延長了泵的使用壽命。
【背景技術(shù)】
[0004]液體和固體的混合物，諸如在采礦和礦石處理操作中的漿料，典型地通過使用離心泵來移動。泵的旋轉(zhuǎn)葉輪產(chǎn)生壓差，該壓差將漿料從軸向輸入端口移動到泵的徑向排出部分。葉輪生成的離心力在輸入端口處產(chǎn)生吸力，并使?jié){料以具有徑向分量的相對高的速度排出，這在外殼外圍部分的內(nèi)壁上產(chǎn)生磨蝕(abrasion)。
[0005]此外，被卡在旋轉(zhuǎn)葉輪與外殼的靜止壁之間的漿料顆粒在泵的這兩個部件上都會產(chǎn)生磨損。這個問題在葉輪的吸入側(cè)上更普遍和嚴重，因為在排出口中的高壓液體傾向于通過旋轉(zhuǎn)葉輪與靜止前外殼壁之間的間隙流向泵的吸入部分中的低壓區(qū)。由于這種旁通流產(chǎn)生的磨蝕加寬了此間隙，漿料再循環(huán)的量增大，并導(dǎo)致泵液壓性能和效率的損失。因此，葉輪前吸入側(cè)上的磨損是尤其不希望出現(xiàn)的。另一方面，葉輪后側(cè)上的磨損不那么明顯，因為沒有旁通流到達葉輪的軸側(cè)。
[0006]由于漿料在葉輪和外殼壁上的這種連續(xù)磨蝕，漿料泵最終會發(fā)生故障，造成意外停機，并帶來高額經(jīng)濟損失。因此，優(yōu)選需要定期的維護停機，并定期規(guī)劃班次，以便最小化停機時間。典型地，外殼的壽命確定了泵的最終工作年限，但是在此期間，在計劃的維護停機時在外殼吸入側(cè)處的襯里和葉輪需要被更換一次或多次。
[0007]為了減少由在葉輪與外殼之間移動的漿料顆粒造成的磨損，在葉輪與圍繞其的外殼壁之間的間隙中排出葉片(expelling vane)已經(jīng)使用了數(shù)十年。這些葉片促進了顆粒的排出并且還降低了旁通再循環(huán)，但此問題始終是造成不合要求的停機時間的重要因素，無論該停機時間是計劃性的還是意外性的。
[0008]在美國專利第5，921，748號中解決了這個問題，該專利公開了密封裝置，該密封裝置實際上消除了在葉輪吸入側(cè)與外殼相應(yīng)壁之間的間隙的任何增大，因此在泵的壽命期間維持了相對恒定的間隙水平和液壓性能。可軸向調(diào)節(jié)的磨損環(huán)被添加到常規(guī)的泵配置中，以基本上消除在泵的吸入?yún)^(qū)中葉輪與外殼壁之間的間隙。由于環(huán)會隨時間磨損，通過將其向內(nèi)推來調(diào)節(jié)其位置，以便維持適當?shù)拿芊猓瑑H留下足以適合葉輪自由旋轉(zhuǎn)而不產(chǎn)生顯著旁通的間隙。此外，為了避免由俘獲(trapping)造成的磨損，‘748專利還教導(dǎo)了增大排出葉片的高度，以及將葉片與外殼前吸入壁的襯里之間的間隙的增大到超過漿料中預(yù)期的最大顆粒尺寸。[0009]盡管美國專利第5，921，748號中教導(dǎo)的密封和間隙在本【技術(shù)領(lǐng)域】帶來了顯著的改進，但長期的使用顯示額外的磨損問題仍未解決。在外殼的內(nèi)周壁上的磨損和破損仍然是限值泵外殼壽命的關(guān)鍵因素。此外，盡管‘748發(fā)明通過降低葉輪與磨損環(huán)之間相接處的壓力而顯著減小了旁通再循環(huán)，但較高的排出葉片以及葉輪與外殼前壁之間的間隙被證明會造成漿料湍流的局部增強，這會發(fā)生在外殼襯里與外殼的相接處和外殼襯里與磨蝕環(huán)的相接處，該漿料湍流在外殼襯里上產(chǎn)生非常高的磨蝕。結(jié)果是，泵的性能被極大地改善，但在外殼的周壁上以及外殼與前襯里的相接處的磨損和破損仍然成為問題，并且仍舊需要一種泵外殼設(shè)計，這種設(shè)計能提供與泵外殼的其他部分相稱的使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明提供了一種離心泵，其結(jié)合了相對于常規(guī)配置的若干設(shè)計改變。該泵具有外殼，該外殼具有葉輪區(qū)域和帶有分水間隙的蝸殼區(qū)域，如常規(guī)限定的那樣，葉輪適于在葉輪區(qū)域內(nèi)旋轉(zhuǎn)。該分水間隙增大到葉輪直徑的0.20倍至0.25倍，這意味著比現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)設(shè)計增大近似50%。此外，該外殼包括限定外殼吸入側(cè)的重新設(shè)計的可移除環(huán)形襯里。與基本上等同直徑的常規(guī)設(shè)計相比，襯里的外直徑增大到為葉輪直徑的至少1.15倍。在本發(fā)明的用于礦業(yè)應(yīng)用的優(yōu)選實施例中，環(huán)形襯里的直徑為葉輪直徑的約1.18倍至約1.22倍。
[0011]本發(fā)明的泵優(yōu)選地在環(huán)形襯里與葉輪吸入側(cè)之間還結(jié)合了由美國專利第5，921，748號教導(dǎo)的可軸向調(diào)節(jié)的磨損環(huán)。此外，同樣的多個增高排出葉片被添加到葉輪吸入側(cè)，在葉片與環(huán)形襯里之間留下的間隙大于漿料顆粒尺寸分布中預(yù)計的最大固體顆粒的尺寸。在這樣的情況下，根據(jù)本發(fā)明，磨損環(huán)的直徑被增大，使得其延伸超過磨損環(huán)與葉輪之間的相接區(qū)域的直徑的至少10%。
[0012]根據(jù)說明書中的描述且根據(jù)在所附權(quán)利要求中特別指出的新穎的特征，本發(fā)明的不同其他目的和優(yōu)點將變得很明顯。因此，為了完成上述的目標，本發(fā)明包括在附圖中說明的，在優(yōu)選實施例的具體描述中充分描述的以及在權(quán)利要求中特別指出的特征。然而，這樣的附圖和說明書公開了可實施本發(fā)明的不同方式的僅僅一種。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是由美國專利第5，921，748號教導(dǎo)的現(xiàn)有技術(shù)的泵的剖面圖。
[0014]圖2是根據(jù)本發(fā)明的泵的剖面圖。
[0015]圖3是本發(fā)明的泵的葉輪和蝸殼區(qū)域的示意性斷面示圖，其粗略地示出了在由本發(fā)明的泵泵送的漿料中存在的固體的尺寸分布。
[0016]圖4是通過圖1的泵的漿料流分布的示圖，顯示了產(chǎn)生湍流的不規(guī)則速度梯度。
[0017]圖5是通過圖2的泵的改進漿料流分布的示圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明通過擴大蝸殼的深度產(chǎn)生的準層流。
[0018]圖6示出在圖1的泵上實現(xiàn)的蝸殼深度的增大，以便實現(xiàn)由圖2的泵展現(xiàn)的流的改進。
[0019]圖7示出了由本發(fā)明教導(dǎo)的增大的分水(cutwater)間隙與葉輪直徑比率。
[0020]圖8是圖3的同一剖面圖，更詳細地示出了根據(jù)本發(fā)明的外殼前部的模塊化襯里部件。
[0021]圖9是圖8中被圈出的區(qū)域的放大視圖。
[0022]圖10是示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的泵的主要部件的分解圖。
【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明包含對美國專利第5，921，748號中公開的類型的離心漿料泵中使用的外殼常規(guī)配置的改變的組合。因此，此現(xiàn)有技術(shù)的泵用于描述這些改變。本發(fā)明的一個方面包括擴大外殼直徑與葉輪直徑的比率，以增加漿料在泵的蝸殼部分中的駐留時間，因此減小了漿料中較大固體顆粒碰撞和擦傷外殼的外圍表面的速度的徑向分量。外殼面向葉輪吸入側(cè)的部分被轉(zhuǎn)變成具有磨損襯里的模塊化部段，因此實現(xiàn)了按照需要在計劃維護停機期間更換該模塊化部段，以與外殼其余部分的更長工作壽命相匹配。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，此部段被重新設(shè)計成已被證實會極大地影響其壽命的幾何構(gòu)造。
[0024]在本領(lǐng)域中使用時，離心泵外殼上接收由葉輪泵送的流體的部分被稱為“蝸殼”。即，蝸殼是限定在由葉輪占據(jù)的空間以外的體積的泵外殼部分。通過成形為彎曲的漏斗形，其距離排出端口越近該漏斗形的橫截面越大，泵的蝸殼通過降低流體速度將葉輪給予的動能轉(zhuǎn)變成壓力，因此平衡了作用在泵軸上的液壓。葉輪與外殼之間的最小間隙被稱為“分水間隙”，這種間隙最佳地在僅僅水被正在泵送時最小。作為定語，術(shù)語“吸入”和“前”可以互換使用，指的是泵的吸入側(cè)。泵的相反、軸側(cè)可互換地稱為“后”側(cè)或“壓蓋(gland)”側(cè)。術(shù)語“漿料”按其普通意義使用，指的是固體顆粒在液體中形成的流體混合物，這樣的混合物是流體的意義是指其能在泵的推進作用下在管子中被傳輸。
[0025]參考附圖，其中相同的參考數(shù)字和符號用于相似的部分，根據(jù)美國專利第5，921，748號的離心泵在圖1中示出，以示出由本發(fā)明引入的改變。該泵10包括軸12、葉輪14和靜止外殼16。葉輪包括吸入側(cè)14a和壓蓋側(cè)14b。葉輪14由電機(未示出)經(jīng)由軸12驅(qū)動，并在泵的靜止外殼16內(nèi)繞軸線X— X旋轉(zhuǎn)。漿料經(jīng)由進入喉部18進入泵，并以高速被強制穿過旋轉(zhuǎn)葉輪(見箭頭A)進入泵蝸殼20內(nèi)的高壓區(qū)域，漿料從該高壓區(qū)域經(jīng)由排出管22排出。
[0026]葉輪的吸入側(cè)14a優(yōu)選地配備有多個徑向布置的排出葉片24。葉片24與泵外殼16之間的間隙26優(yōu)選地大于要泵送的漿料的正常設(shè)計輸出中最大固體顆粒的預(yù)計尺寸。這是為了避免磨蝕固體被俘獲在旋轉(zhuǎn)的葉輪葉片24與泵外殼16之間。當泵運行時，葉片24降低了在葉輪吸入側(cè)14a與外殼16之間的區(qū)域中的液壓，以幫助防止?jié){料流入該間隙26中。優(yōu)選的，葉輪的壓蓋側(cè)14b也配備了形成在葉輪表面中的多個徑向設(shè)置的葉片28。
[0027]基本上為環(huán)形的磨損環(huán)30設(shè)置在泵外殼14的凹進處中，并且在使用時被軸向調(diào)節(jié)以便緊鄰于葉輪吸入側(cè)14a的表面。磨損環(huán)30有效地密封葉輪與泵外殼之間的空間，減少了從高壓蝸殼20返回到低壓入口 18中的漿料的旁通流。因此，磨蝕顆粒較不可能被俘獲在葉輪與外殼之間。磨損環(huán)30被安裝在托架(carrier)32上，其在由于磨損而產(chǎn)生需要時，可以借助于從泵外殼外部調(diào)節(jié)螺釘(未示出)來進行軸向調(diào)節(jié)。因此，可以有利地在不停止泵的情況下做出調(diào)節(jié)。
[0028]如圖2中所示，與‘748號專利中公開的泵的常規(guī)設(shè)計相比，本發(fā)明的泵40的外殼42具有擴大的直徑，以便提供更厚的旋轉(zhuǎn)漿料沉積層(bed)，以偏轉(zhuǎn)退出葉輪的較大固體的徑向軌跡和降低正在泵送的固體顆粒碰撞外殼周壁34的速度。此外，如圖3中所示，在外殼外圍處較慢地轉(zhuǎn)動的漿料中的大顆粒提供了材料的沉積層，該沉積層還降低了固體對外殼壁34的磨蝕碰撞。
[0029]然而，除了上述內(nèi)容以外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)增大外殼/葉輪直徑比還被能提供預(yù)料不到的結(jié)果，這能顯著改變泵蝸殼20中的漿料流的性質(zhì)。如圖4中的軸向截面圖中所示，在圖1的泵10中的衆(zhòng)料的流速分布圖(velocity profiIe)顯示在靠近泵外殼的壁34的位置處有多個高速區(qū)域。流速分布圖還示出很高程度的紊流(也由徑向速度梯度示出)，尤其是在泵的排出管22附近的區(qū)域。如本領(lǐng)域中技術(shù)人員很容易理解到的，漿料流中的紊流是產(chǎn)生管道壁的磨蝕和磨損的重要因素。相比起來，已發(fā)現(xiàn)，除以上提到的優(yōu)點外，本發(fā)明教導(dǎo)的增大分水間隙還能在漿料中產(chǎn)生準層流，如圖5中的速度圖所示。圖5中所示出的流速均勻性以及由此帶來的紊流消失是完全未預(yù)料到的，但它們提供了非常有利的附加優(yōu)點，因為在等同條件下工作時，相對于圖1中的泵10所經(jīng)受的磨損，它們對顯著降低圖2中泵40外殼周壁34上的磨損做出了相當大的貢獻。
[0030]本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，離心泵的蝸殼的特征在于直徑逐漸增大。因此，為了清楚起見，增大外殼直徑指的是增大泵的分水間隙，而并不顯著改變外殼的逐漸增大的輪廓。例如，如圖6中所示，圖5中的流體分布是通過將泵10外殼的分水間隙Cl增大Λ C的量以獲得泵40的間隙C2而實現(xiàn)的。盡管可以理解，為實現(xiàn)本發(fā)明的目標所需的精確擴大量取決于被泵送的漿料的類型，但為了獲得本發(fā)明的改進流動和磨損結(jié)果，估計分水間隙與葉輪直徑的比C/D需要在0.20至0.25的范圍內(nèi)，如圖7中所示。
[0031]對于圖1中的泵配置的另一個問題是在外殼16吸入壁的環(huán)形區(qū)域36中所經(jīng)受的相對較高的磨損(見圖1)。為了解決這個問題，一些泵外殼設(shè)計成包括模塊化吸入側(cè)部件，該部件具有計劃定期更換的環(huán)形襯里。這些襯里的尺寸制造成具有近似于葉輪直徑的外直徑和使得襯里貼靠磨損環(huán)的內(nèi)直徑，其中環(huán)與葉輪相接。然而，如從圖4提供的信息所見，高紊流的環(huán)形區(qū)域36從葉輪14的外邊緣38徑向延伸出約為葉輪半徑的15%的距離。區(qū)域36還在葉輪的邊緣38以下延伸約10-15%。圖4示出在此區(qū)域中出現(xiàn)的高度紊流，這說明了與外殼其余部分(包括周壁34)相比，外殼16在環(huán)形區(qū)域36中遭受到相應(yīng)的非常高的磨損。盡管通過如圖2中的泵40這樣的泵，利用擴大分水間隙設(shè)計能在總體上顯著減少紊流，但在外殼前壁的相同環(huán)形區(qū)域中仍然存在相對較高程度的紊流，如圖5中所見。長期以來，此問題已經(jīng)被證實是泵壽命的限制因素，即使是在使用可更換的襯里時，因為盡管葉輪和襯里可在計劃停機時間被定期更換，但外殼永久部分在此區(qū)域經(jīng)常同時遭受的損傷并不能申請更換葉輪和襯里。因此，任何能延長外殼永久部分壽命的解決方案也會延長泵的壽命O
[0032]此問題已通過在外殼前部中設(shè)置模塊化部件44來解決，該外殼前部支撐襯里46，襯里46構(gòu)成外殼的內(nèi)壁，如圖2、3和7中所示。根據(jù)本發(fā)明，環(huán)形襯里46的尺寸制造成其外直徑比葉輪14的直徑D大15%到25% (優(yōu)選的為18%-22%)(尤其是參見圖8)。常規(guī)做法是，用于襯里46的優(yōu)選材料基于被泵送的漿料選擇。然而，當靠近葉輪邊緣的區(qū)域36所經(jīng)受的磨損到較高程度以至于需要進行更換時，外殼前壁的此模塊化結(jié)構(gòu)使得能更換該結(jié)構(gòu)，而不需換掉整個外殼，這通常且最好是在已經(jīng)計劃的用于葉輪維護的停機時間期間時進行。[0033]如上所提到的，當使用如美國專利第5，921，748號所教導(dǎo)的磨損環(huán)30時，在磨損環(huán)與葉輪之間相接的區(qū)域中由排出葉片24產(chǎn)生紊流，在吸入襯里與磨損環(huán)相接處對吸入襯里造成相當大的侵蝕。此磨損最終引起作為密封件以及磨損環(huán)支撐結(jié)構(gòu)的襯里的故障。因此，這是影響兩個部件壽命的嚴重問題。這樣，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，增大磨損環(huán)的直徑，使得該磨損環(huán)延伸超過在磨損環(huán)與葉輪之間的相接處附近由增大的排出葉片產(chǎn)生的紊流區(qū)域。如圖9中所示，磨損環(huán)30的直徑E增大到比磨損環(huán)與葉輪14之間的相接處表面48的直徑F大10%至14%。已發(fā)現(xiàn)此尺寸足以按需要從葉片24產(chǎn)生的紊流中除去環(huán)30與襯里46之間鄰接處的部分50，以提供對襯里的磨損的實質(zhì)性改進。
[0034]實驗性測試已經(jīng)證明:和那些不具有本文中公開的擴大直徑設(shè)計和可更換吸入襯里特征的類似泵相比，本發(fā)明的泵40無故障運行的工作壽命更長。實際上，由于擴大外殼直徑與如所述尺寸的可更換吸入襯里46和磨損環(huán)30相結(jié)合能實現(xiàn)周壁34磨損的顯著減少，這使得能用同一個永久外殼42繼續(xù)運行很長的工作壽命時間，只需要例行維護停機，以按需要更換葉輪、襯里、磨損環(huán)和其他部分。
[0035]圖10示出本發(fā)明優(yōu)選實施例的不同部件的簡化分解視圖。本質(zhì)上，泵40的主要部件包括外殼42和葉輪14，該葉輪14被模塊化外殼部件44和襯里46包圍。磨損環(huán)30在蝸殼與泵的吸入?yún)^(qū)域之間提供密封。外殼的壓蓋側(cè)被常規(guī)的后襯里52和背板54包圍。盡管磨損環(huán)30并非新概念，但其具有新穎性的尺寸優(yōu)化以及與本發(fā)明的擴大分水間隙和較大吸入襯里的結(jié)合使用，對于實現(xiàn)本發(fā)明是優(yōu)選的。
[0036]在本文中由隨附權(quán)利要求說明和限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可由本領(lǐng)域技術(shù)人員對所描述的細節(jié)、步驟和部件做出不同改變。因此，盡管在本文中示出和描述的發(fā)明被認為是最實際的和優(yōu)選的實施例，可以認識到在本發(fā)明的范圍內(nèi)可偏離該實施例，該偏離不限于本文中公開的細節(jié)但符合權(quán)利要求的整個范圍，以便包含任意和全部的等同處理和
女口
廣叩ο
【權(quán)利要求】
1.一種用于漿料的離心泵包括: 泵外殼(42)，其限定出葉輪區(qū)域、蝸殼區(qū)域(20)，和相應(yīng)的分水間隙(C，C2);和 葉輪(14)，其適于在所述葉輪區(qū)域內(nèi)旋轉(zhuǎn)，所述葉輪具有預(yù)定直徑； 其中，所述外殼(42)包括在所述外殼(42)的吸入側(cè)中的可移除環(huán)形襯里(46)，所述襯里(46)的直徑(G)為所述葉輪(14)的所述直徑(D)的至少1.15倍；并且所述分水間隙(C，C2)在所述葉輪(14)的所述直徑(D)的0.20倍至0.25倍之間。
2.如權(quán)利要求1所述的泵，其中所述可移除環(huán)形襯里(46)的直徑(G)為所述葉輪(14)的所述直徑(D)的約1.18倍至約1.22倍。
3.如權(quán)利要求1所述的泵，還包括位于所述環(huán)形襯里(46)和所述葉輪(14)的吸入側(cè)之間可軸向調(diào)節(jié)的磨損環(huán)(30)，所述環(huán)(30)的直徑(E)比所述磨損環(huán)(30)與所述葉輪(14)之間的相接處的表面(48)大10%至14%。
4.如權(quán)利要求1所述的泵，還包括在所述葉輪(14)的吸入側(cè)上的多個增高的排出葉片(24)，所述葉片(24)限定出在所述葉片(24)與所述環(huán)形襯里(46)之間的間隙，該間隙大于所述漿料的顆粒尺寸分布中的最大固體顆粒的尺寸。
5.如權(quán)利要求1所述的泵，還包括位于所述環(huán)形襯里(46)與所述葉輪(14)的吸入側(cè)之間可軸向調(diào)節(jié)的磨損環(huán)(30)，所述環(huán)(30)的直徑(E)比所述磨損環(huán)(30)與所述葉輪(14)之間的相接處的表面(48)大10%至14% ;所述泵還包括在所述葉輪的吸入側(cè)上的多個增高的排出葉片(24)，所述葉片(24)限定出在所述葉片(24)與所述環(huán)形襯里(46)之間的間隙，該間隙大于所述漿料的顆粒尺寸分布中的最大固體顆粒的尺寸。
6.如權(quán)利要求5所述的泵，其中所述可移除環(huán)形襯里(46)的直徑(G)為所述葉輪(14)的所述直徑(D)的約1.18倍至約1.22倍。
【文檔編號】F04D29/22GK103597217SQ201280028854
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月14日
【發(fā)明者】J.弗拉特, R.麥克加西 申請人:Fl史密斯公司