本發(fā)明涉及根據(jù)相應(yīng)的裝置獨立權(quán)利要求的前序部分的用于立式泵的排放頭和立式泵。
背景技術(shù):
立式泵已經(jīng)成功地用于多種應(yīng)用很長時間了。用于特定應(yīng)用的立式泵通常根據(jù)使用者的具體要求被制造或者詳細(xì)匹配特定需求。立式泵可被設(shè)計成單級泵和多級泵。它們通常浸入待泵送的液體容器中,從而使得至少納入或吸入喇叭口與鄰接的泵轉(zhuǎn)子被浸入到待泵送的流體中,由此泵直接準(zhǔn)備好進行操作。
立式泵的一個越來越重要的使用領(lǐng)域是利用太陽能系統(tǒng),尤其是利用聚光太陽能(CSP)系統(tǒng)產(chǎn)生能量。這些系統(tǒng)使用反射鏡或透鏡將在大區(qū)域中收集的陽光聚集到小區(qū)域上,在該處,陽光加熱傳熱流體(HTF),所述傳熱流體用于例如產(chǎn)生用于驅(qū)動發(fā)電機的渦輪機的蒸汽。目前,一種優(yōu)選的傳熱或儲熱流體是熔鹽。
這種CSP系統(tǒng)的典型設(shè)置包括將陽光聚集到中心塔頂部的多個太陽能收集器。存在用于熔鹽的至少兩個罐,即,冷罐和熱罐。冷罐中的熔鹽具有例如高至350℃的溫度。熔鹽從冷罐被泵送至中心塔頂部,在該處它被陽光加熱,然后被移動到熱罐,在該處熔鹽通常具有高至600℃的溫度。如果需要的話,熱罐中的熔鹽可存儲上至若干天,而不會顯著損失存儲的熱量。為了產(chǎn)生電力,將熔鹽從熱罐移動至例如蒸汽發(fā)生器,蒸汽發(fā)生器將熱量從熔鹽傳遞到水,以便產(chǎn)生蒸汽,蒸汽繼而驅(qū)動與發(fā)電機連接的蒸汽渦輪機,以產(chǎn)生電能。熔鹽從蒸汽發(fā)生器返回冷罐。
為了在這種CSP系統(tǒng)中傳送熔鹽,使用立式泵,立式泵被安裝到罐的蓋上并且向下延伸到熔鹽中。立式泵的典型設(shè)置包括具有入口和葉輪的泵送單元,葉輪用于傳送熔鹽并且浸入到熔鹽的容器中。泵送單元通常連接到罐的蓋,或連接到罐處的支撐結(jié)構(gòu),從而使得葉輪可浸入罐內(nèi)的熔鹽中。在罐的蓋之上,安裝有立式泵的排放頭,排放頭具有用于流體(即,熔鹽)的出口。在排放頭之上,設(shè)置有用于驅(qū)動軸的軸向軸承單元以及用于驅(qū)動葉輪的驅(qū)動單元。驅(qū)動單元通過驅(qū)動軸操作性地連接到葉輪,所述驅(qū)動軸在被布置在排放頭和葉輪之間的管內(nèi)延伸。
高溫和熔鹽的特性是合適地設(shè)計立式泵的大挑戰(zhàn)。為了解決環(huán)境、安全和維修問題,用于熔鹽的立式泵通常被設(shè)計成無密封泵。無密封泵不使用填料密封件或機械密封件來防止過程流體,例如熔鹽,泄漏到環(huán)境中,而是使用本領(lǐng)域已知的其他方法,例如,使用密封流體。因此,在無密封立式泵中,不存在與熔鹽接觸的填料密封件和機械密封件。
另一個挑戰(zhàn)是與環(huán)境溫度和熱瞬變相比相當(dāng)大的熱應(yīng)力,該熱應(yīng)力是由熔鹽的高至600℃的高溫產(chǎn)生的。通常,用于熔鹽的罐中的立式泵不會連續(xù)地排放熔鹽,而是具有特別依賴陽光的可獲得性的工作周期。因此,可能的是,立式泵空轉(zhuǎn)若干小時,從而使得泵頭部通過向環(huán)境放出熱量而冷卻下來。然后,泵的重新啟動導(dǎo)致對排放頭的熱沖擊。在另一方面,在操作期間,當(dāng)泵的部件與熔鹽處于熱平衡時,在泵的既暴露于熔鹽溫度也暴露于環(huán)境溫度的那些零件上產(chǎn)生大的溫度梯度。這些作用在立式泵的部件上產(chǎn)生相當(dāng)大的熱負(fù)荷。
本發(fā)明解決了由立式泵所傳送的流體和立式泵的環(huán)境之間的高溫度差導(dǎo)致的這些問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
因此,本發(fā)明的目的是提出特別適合傳送溫度顯著不同于環(huán)境溫度的流體的用于立式泵的新排放頭和立式泵。特別地,排放頭和立式泵應(yīng)該尤其適于傳送很熱的流體,如高至600℃的熔鹽。
本發(fā)明的滿足此目的的主題由相應(yīng)的獨立權(quán)利要求的特征來描繪。
因此,根據(jù)本發(fā)明,提出一種用于立式泵的排放頭,其包括:用于安裝所述排放頭的基板;頂板;將所述基板與所述頂板連接在一起的至少一個支撐構(gòu)件;用于輸送流體的具有出口的排放管道,所述排放管道延伸穿過所述基板;以及用于接納軸的內(nèi)管,所述軸將驅(qū)動單元與所述立式泵的葉輪連接在一起,其中,所述內(nèi)管沿軸向方向延伸并且在所述基板的區(qū)域中在所述排放管道內(nèi)同軸地延伸,在交叉位置處穿過所述排放管道的壁,并且進一步延伸至所述頂板,其中,所述內(nèi)管包括位于所述交叉位置和所述頂板之間的波紋管構(gòu)件。
本發(fā)明具體基于以下發(fā)現(xiàn),即,尤其是內(nèi)管的位于該內(nèi)管穿過排放管壁的交叉位置和該內(nèi)管與頂板連接的連接位置之間的部段被暴露于可致使內(nèi)管彎曲的很高的熱應(yīng)力下。這種彎曲對內(nèi)管與排放管的連接和內(nèi)管與頂板的連接都具有很大應(yīng)變。此外,所述彎曲還可導(dǎo)致其他部件(如基板、頂板和支撐構(gòu)件)變形。通過在交叉位置和頂板之間設(shè)置波紋管構(gòu)件,顯著地釋放了這種應(yīng)變。波紋管構(gòu)件的作用之一是其補償了部件的不同熱膨脹并由此顯著減小了排放頭中因溫度差和熱瞬變導(dǎo)致的高應(yīng)力。已經(jīng)發(fā)現(xiàn),即使在經(jīng)受由從泵的空轉(zhuǎn)操作轉(zhuǎn)變到傳送操作(反之亦然)而導(dǎo)致的許多次熱循環(huán)的情況下,根據(jù)本發(fā)明的排放頭也具有顯著增加的壽命。
根據(jù)優(yōu)選實施例,所述波紋管構(gòu)件牢固地連接到所述頂板,例如通過焊接。
有利地,波紋管構(gòu)件在所述交叉位置和所述頂板之間的距離的至少一半上延伸,因為這使得能夠很好地補償不同的熱膨脹。
此外,已經(jīng)發(fā)現(xiàn),對減小熱應(yīng)力有利的是,所述排放管道具有沿所述軸向方向延伸的豎直部段,與豎直方向垂直地延伸的水平部段,以及將所述豎直部段與所述水平部段連接在一起的中間部段。
從結(jié)構(gòu)上看,所述中間部段優(yōu)選相對于所述軸向方向以約45°的角度延伸。
用于減小熱應(yīng)力的另一個優(yōu)選措施是,所述至少一個支撐構(gòu)件具有處于與所述軸向方向平行的平面中的主延伸部分。顯然,支撐構(gòu)件的這種定向在熱性能方面優(yōu)于徑向定向,徑向定向時支撐構(gòu)件沿徑向方向延伸,即,垂直于軸向方向。
為了向頂板提供更堅固和均勻的支撐,實施例優(yōu)選具有多個支撐構(gòu)件,其中,每個支撐構(gòu)件具有處于與所述軸向方向平行的平面中的主延伸部分。
用于減小熱應(yīng)力的另一有利措施是,提供用于所述排放管道的排放支撐件,所述排放支撐件牢固地連接到所述基板,并且具有處于與所述軸向方向平行的平面中的主延伸部分。
優(yōu)選地,所述排放支撐件不接觸所述頂板,以避免頂板和排放支撐件之間的直接熱傳遞。
為減小熱應(yīng)力,更優(yōu)選的是,所述排放支撐件僅連接到所述基板和所述排放管道的所述水平部段。
根據(jù)優(yōu)選實施例,排放頭具有終止于所述內(nèi)管中用于將密封介質(zhì)供應(yīng)到所述內(nèi)管的供應(yīng)管路。通過向內(nèi)管提供密封介質(zhì),確保了立式泵所傳送的流體不能穿過內(nèi)管,例如向上到達填料函或軸向軸承。
此外,本發(fā)明提出了一種用于傳送流體的立式泵,其包括:具有入口和用于傳送所述流體的葉輪的泵送單元;用于所述流體的具有出口的排放頭;用于旋轉(zhuǎn)所述葉輪的驅(qū)動單元;沿軸向方向延伸并且將所述驅(qū)動單元與所述葉輪連接在一起的軸,其中,根據(jù)本發(fā)明設(shè)計所述排放頭。
在優(yōu)選實施例中,立式泵具有軸向軸承單元,所述軸向軸承單元具有用于所述軸的軸向軸承,其中,所述軸向軸承被安裝到所述排放頭的所述頂板,并且其中,馬達單元被安裝到所述軸向軸承單元。
由于根據(jù)本發(fā)明設(shè)計的排放頭,立式泵優(yōu)選被設(shè)計用于傳送至少250℃的熱流體,具體是用于傳送熔鹽。
根據(jù)優(yōu)選應(yīng)用,立式泵被設(shè)計成并且適合被安裝到太陽能系統(tǒng)中用于熔鹽的罐,或被安裝到所述罐處的支撐結(jié)構(gòu)。以使得立式泵可被安裝在罐上方并且立式泵的軸延伸到罐中的方式來設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)。
在從屬權(quán)利要求中,本發(fā)明的其他有利措施和實施例將變得顯而易見。
附圖說明
下面將參照附圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。在示意圖中示出了:
圖1:根據(jù)本發(fā)明的排放頭的實施例的立體剖視圖,
圖2:根據(jù)本發(fā)明的立式泵的實施例的剖視圖,
圖3:圖2所示的立式泵的排放頭的放大剖視圖,以及
圖4:圖2所示的立式泵的排放頭的頂視圖。
在附圖中,相應(yīng)的相同零件或具有相同功能或大體相同的功能的零件由相同的附圖標(biāo)記表示。
具體實施方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于立式泵的排放頭的實施例的立體剖視圖。排放頭整體上由附圖標(biāo)記10表示。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的立式泵的實施例的剖視圖,立式泵整體由附圖標(biāo)記1表示并且包括根據(jù)本發(fā)明的排放頭10。
在以下描述中,作為示例來參考所述重要的應(yīng)用,即,立式泵被設(shè)計成并且適合用于太陽能系統(tǒng),該太陽能系統(tǒng)是相應(yīng)地利用熔鹽作為傳熱流體(HTF)或作為熱存儲流體的聚光太陽能(CSP)系統(tǒng)。更具體地,在本例子中,立式泵被安裝到用于熔鹽的罐,例如,安裝到罐的蓋,并且將熔鹽從罐傳送到聚光太陽能系統(tǒng)的其他位置。當(dāng)然,立式泵也可被安裝到罐處的支撐結(jié)構(gòu),尤其是安裝到位于罐上方的支撐結(jié)構(gòu),從而使得立式泵可被安裝在罐上方,以便延伸到罐中。
自不待言,本發(fā)明不受限于此例子,而是可用于許多不同的應(yīng)用,尤其是其中立式泵用于傳送溫度顯著不同于環(huán)境溫度的流體的那類應(yīng)用。根據(jù)本發(fā)明的排放頭和立式泵尤其適合用于傳送很熱的流體,如高至600℃及甚至更高的熔鹽。
由于這樣的立式泵是現(xiàn)有技術(shù)中眾所周知的,因此在以下描述中僅詳細(xì)描述對于理解本發(fā)明而言所必需的那些部件。
圖1所示的用于立式泵的排放頭10的實施例包括:基板11,其用于將排放頭10安裝到例如用于熔鹽的罐100的蓋101(見圖2);以及頂板12,其被設(shè)計成與基板11平行的圓盤。至少一個支撐構(gòu)件13將基板11和頂板12連接在一起,為頂板12提供支撐。在排放頭10的本實施例中,提供了多個,即三個,支撐構(gòu)件13,圖1描繪了其中兩個。
排放頭10還包括具有出口16的排放管道15,用于從罐100排放流體,這里是熔鹽。排放管道15延伸穿過基板11并且具有斜接設(shè)計,該斜接設(shè)計包括沿豎直方向延伸穿過基板11的豎直部段151,垂直于豎直部段151在基板11和頂板12之間延伸的水平部段152,以及將豎直部段151與水平部段152連接在一起的中間部段153。出口16位于水平部段152的端部處。
此外,排放頭10包括用于接納軸4(見圖2)的內(nèi)管17,軸4將驅(qū)動單元3與立式泵1的葉輪21連接在一起。內(nèi)管17沿軸向方向A延伸,軸向方向A被定義為葉輪21在操作期間圍繞著其旋轉(zhuǎn)的軸線。在立式泵1的一般操作位置中,即,圖2所示的豎直方位,軸向方向A與豎直方向重合。在下文中,關(guān)于位置的相對用語,如“上方”或“下方”以及用語“水平”和“豎直”都參考圖2所示的此操作位置。
內(nèi)管17沿軸向方向A延伸,并且在基板11的區(qū)域中在排放管道15的豎直部段151中同軸地延伸。在交叉位置18處,內(nèi)管17穿過排放管道15的壁,進一步沿軸向方向A延伸至頂板12,并在其中心穿過頂板12。內(nèi)管17牢固地連接到頂板12,例如通過焊接。此外,在交叉位置18處,內(nèi)管17牢固地連接到排放管道,優(yōu)選通過焊接。在基板11下方,內(nèi)管17設(shè)置有兩個返回管路20,每個管路與軸向方向A基本垂直地從內(nèi)管17分支出。每個返回管路20首先垂直于軸向方向延伸,然后向下彎曲成沿軸向方向A。返回管路20的功能是使內(nèi)管17中向上流動的熔鹽的泄漏流返回罐100。
內(nèi)管17與排放管道15的交叉位置18位于排放管道的中間部段153中。中間部段153相對于軸向方向A以約45°的角度在排放管道15的豎直部段151和水平部段152之間延伸。
根據(jù)本發(fā)明,內(nèi)管17包括位于交叉位置18和頂板12之間的波紋管構(gòu)件19。通過波紋管構(gòu)件19,內(nèi)管17能夠改變其沿軸向方向A在交叉位置18和頂板12之間的延伸。這容許補償部件(如內(nèi)管17、排放管道15或頂板12)的不同熱膨脹,因此顯著減小操作期間在排放頭10中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。在操作期間,排放頭10暴露于很強的熱沖擊下,例如當(dāng)將立式泵1從不排放熔鹽的空轉(zhuǎn)操作改變至通過排放管道15排放熔鹽的傳送操作時。此外,排放頭10在操作期間暴露于大的溫度梯度,這是因為,一方面溫度高至600℃或甚至更高的熱熔鹽流過排放管15并且接觸內(nèi)管17,另一方面內(nèi)管17、基板11和頂板12暴露于罐100外的環(huán)境溫度。通過容許內(nèi)管17改變其沿軸向方向的長度,可以成功地避免內(nèi)管17經(jīng)歷彎曲或徑向方向(即,垂直于軸向方向A)上的局部移位。除頂板12和支撐構(gòu)件13之外,這種彎曲也會在尤其是交叉位置18上施加額外的應(yīng)力。
優(yōu)選地,波紋管構(gòu)件19被固定到頂板12。這可通過焊接或適于提供波紋管構(gòu)件19與頂板12的牢固連接的任何其他方法實現(xiàn)。形成內(nèi)管17的壁的一部分的波紋管構(gòu)件19優(yōu)選由金屬材料制成,例如適合內(nèi)管17中產(chǎn)生的高溫的合金。適合用于波紋管構(gòu)件19的材料是本領(lǐng)域已知的,并且包括例如鋼,如奧氏體鋼。
為了使得能夠特別有效地補償不同的熱膨脹,波紋管構(gòu)件19沿軸向方向A的長度L(見圖3)至少是交叉位置 18和頂板13之間的距離的一半。如圖1和圖3所示,波紋管構(gòu)件19還可在頂板12的下表面和交叉位置18之間的幾乎整個距離上延伸,從結(jié)構(gòu)的觀點來看,延伸得盡可能遠。
減小排放頭10中的熱應(yīng)力的另一優(yōu)選措施是支撐構(gòu)件13的定向。如在圖1和圖4中可見的,每個支撐構(gòu)件13具有處于與軸向方向A平行且分隔開的平面中的主延伸部分E。因此,如在圖4中最佳可見的,每個支撐構(gòu)件13相對于排放管道15的豎直部段151沿周向方位布置,而非沿徑向方位。
具有三個基本相同的支撐構(gòu)件13(見圖4),其中每個將基板11和頂板12連接在一起,并且其中每個相對于排放管道15的豎直部段151沿周向定向,即,每個支撐構(gòu)件13具有處于與軸向方向A平行且與軸4的旋轉(zhuǎn)軸線分隔開的平面中的主延伸部分E。
優(yōu)選地,支撐構(gòu)件13圍繞內(nèi)管17(或排放管道15的豎直部段151)等距地布置,以便為頂板12提供堅固和均勻的支撐。由于頂板12可用作豎直泵1的軸向軸承和/或驅(qū)動單元3所用的架座,因此它必須承載相當(dāng)大的負(fù)荷并因此需要可靠的支撐。
通過周向地定向支撐構(gòu)件13,減少了在泵1的操作期間暴露在非常不同的溫度下的部件之間的熱傳遞,這也致使熱應(yīng)力減小。
排放頭10還包括用于排放管道15的排放支撐件14,排放支撐件14牢固地連接到基板11并且為排放管道15的水平部段152提供支撐。排放支撐件14被設(shè)計成具有中心開口的板狀構(gòu)件,所述中心開口用于接納排放管道15并且用于緊密地配合圍繞排放管道的整個圓周。這可通過以下方式實現(xiàn),例如通過將排放支撐件14焊接到排放管道15,或通過將排放支撐件設(shè)計成兩部分式構(gòu)件,而兩個部分通過螺釘或螺栓固定到彼此,由此提供排放支撐件14和排放管道之間的牢固連接。
與支撐構(gòu)件13一樣,板狀排放支撐件14也相對于內(nèi)管17沿周向定向,即,它具有處于與軸向方向A平行的平面中的主延伸部分。為了最小化排放頭10的部件之間的熱傳遞,排放支撐件14優(yōu)選不接觸頂板12。這可通過使排放支撐件14與軸4的旋轉(zhuǎn)軸線之間的距離大于頂板12的直徑來實現(xiàn)。最優(yōu)選地,排放支撐件14僅連接到基板11和排放管道15的水平部段152,而不連接到排放頭的其他部件。
如已經(jīng)說過的,圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的立式泵1的實施例的剖視圖,立式泵1包括根據(jù)本發(fā)明的排放頭10??扇缜八龅卦O(shè)計排放頭10。圖2至圖4中的附圖標(biāo)記具有與已經(jīng)解釋的含義相同的含義。
圖3示出了圖2中的立式泵1的排放頭10的放大剖視圖,并且圖4示出了圖3所示的立式泵1的排放頭10的頂視圖。
用于傳送流體(例如,熔鹽)的立式泵1包括泵送單元2,泵送單元2具有用于熔鹽的入口22和用于傳送熔鹽的至少一個葉輪21。立式泵1可以被設(shè)計成僅具有一個葉輪21的單級泵或被設(shè)計成多級泵1,在多級泵中,泵送單元2包括相對于軸向方向A一個被布置在另一個后面的若干個葉輪21。在根據(jù)圖2的實施例中,豎直泵1被設(shè)計成具有六個葉輪21的多級泵1。
立式泵1還包括:具有用于熔鹽的出口16的排放頭10,用于驅(qū)動泵送單元2的葉輪21的驅(qū)動單元3,將驅(qū)動單元3與葉輪21操作性地連接在一起以便旋轉(zhuǎn)葉輪21的軸4,也被稱作動力軸(line shaft)。軸4可以是單個零件,或者它可由通過一個或多個耦接件連接在一起的兩個或更多個軸部分構(gòu)成。
立式泵1被安裝到用于熔鹽的罐100。在圖2中僅象征性地指出了罐100及其蓋101。
安裝可以按以下方式執(zhí)行:具有葉輪21的泵送單元2例如通過螺釘或螺栓被安裝到罐100的蓋101的內(nèi)表面,并且從該處自由地下垂至罐100內(nèi)。排放頭10的基板11被安裝到罐100的蓋101的外表面?;?1可以是單獨的零件,其通過使螺釘孔23(見圖4)接納螺栓或螺釘被安裝到蓋101。蓋101可以是單獨的零件,或者它可以是罐100整體的一部分。
因此,立式泵1的排放頭10位于罐100外,并且泵送單元2位于罐100內(nèi),從而使得泵送單元的入口22在操作期間浸入熔鹽中。
排放頭10的排放管道15連接到沿軸向方向延伸并且與最后一個葉輪22的出口流體連通的出口管道7,也被稱作柱體。排放管道和出口管道7之間的連接可通過螺釘和螺栓實現(xiàn)。排放頭10的內(nèi)管17在排放管道15的豎直部段151內(nèi)延伸并且圍繞軸4。內(nèi)管17終止于返回管路20的孔口下方。
立式泵1還包括具有至少一個軸向軸承61的軸向軸承單元6,用于相對于軸向方向?qū)S4進行軸頸支承。軸向軸承單元6被安裝到排放頭10的頂板12并由其支撐。頂板12包括用于將軸4從排放頭10引導(dǎo)至軸向軸承單元6的填料函62。以本領(lǐng)域已知的方式設(shè)計填料函62。
驅(qū)動單元3,例如電動馬達,被安裝在軸向軸承單元之上。
立式泵1被設(shè)計成所謂的無密封泵。無密封泵不使用填料密封件或機械密封件來防止過程流體,即熔鹽,散逸到環(huán)境中,而是使用本領(lǐng)域已知的其他方法,例如,使用密封流體。因此,在無密封立式泵中,不存在會與熔鹽接觸的填料密封件和機械密封件。為了避免例如填料函62或軸向軸承61與熔鹽發(fā)生任何接觸,內(nèi)管17包括上文已經(jīng)描述的兩個返回管路20,以使沿軸4向上的熔鹽的任何泄漏流返回罐100。
此外,排放頭10包括終止于內(nèi)管17中的供應(yīng)管路24,用于將密封介質(zhì),例如氮氣,供應(yīng)到內(nèi)管17。如在圖2和圖3中最佳可見的,供應(yīng)管路24終止于內(nèi)管17中的孔口位于交叉位置18(內(nèi)管17在該處穿過排放管道15的壁)和內(nèi)管17的波紋管構(gòu)件19之間。供應(yīng)管路24可與密封流體的容器連接,以便將密封流體輸送到內(nèi)管。密封流體進入內(nèi)管17并且在返回管路20上游堵住了熔鹽的通道。因此,沿軸4向上的熔鹽的任何泄漏流都被施力以進入到返回管路20中。在氮氣作為密封介質(zhì)或密封流體的情形中,通過供應(yīng)管路24在高至足以防止熔鹽到達內(nèi)管17的壓力下將氮氣供應(yīng)到內(nèi)管17。
在立式泵1的操作期間,罐100中的熔鹽通過立式泵下端處的入口22進入泵送單元2,并且經(jīng)由葉輪21被傳送通過出口,進入出口管道7,然后通過排放頭10的排放管道15到達出口16。出口16與將熔鹽導(dǎo)引至期望位置的管道(未示出)連接在一起。
為了減小立式泵1的排放頭10中的熱負(fù)荷或熱應(yīng)力,還可以分配有波紋管構(gòu)件19,并且以上文描述的方式僅提供支撐構(gòu)件13或以上文描述的方式僅提供排放支撐件14或如上文描述地提供支撐構(gòu)件13和排放支撐件14的組合。