泥浆泵叶轮 技术领域 本发明通常涉及用于离心式泥浆泵的叶轮。浆料通常是液体与颗粒固体的混合 物， 并且一般被用于矿物的处理、 沙子和砂砾， 和 / 或泥渣工业。
背景技术 离心式泥浆泵通常包括在其内具有泵腔的泵外壳， 该泵外壳可为具有被固定在泵 腔内用于转动的叶轮的蜗壳结构。 驱动轴可操作地被连接到泵叶轮， 用于引起它的转动， 该 驱动轴从一侧进入泵外壳。该泵还包括大体与驱动轴同轴的泵入口， 被置于泵外壳与驱动 轴相对的一侧。还具有大体位于泵壳周边的排放口。
叶轮总的来说包括轮毂和至少一个罩壳， 驱动轴被可操作地被与该轮毂连接。泵 叶片设置在罩壳的一侧上， 在相邻泵叶片之间具有排放通道 (passageway)。在叶轮的一种 形式中， 配备了两个罩壳， 在其间布置有泵叶片。 泵叶轮适于以不同速度运转来生成所需要 的压头 (pressure head)。
泥浆泵通常需要具有大直径和宽度的叶轮的相对大尺寸。这些泵需要相对地具 有大的排放通道以便易于浆料中的较大固体通过， 并在浆料通过叶轮时减少浆料的总体速 度。泥浆泵部件遭受来自浆料中颗粒物质的重大磨损。因此这种泵叶片的数量较少， 例如 三片、 四片或五片。为了尽量降低磨损， 泥浆泵大体以相对低的速度被操作， 例如对于很小 的泵来说以 200rpm 至 5000rpm 的速度被操作。用于泥浆泵部件的材料通常是非常硬的金 属或适于被消耗掉并随后被更换的弹性材料。为了在液流和压头方面改变泵的性能， 离心 式泵可通过泵速度的变化达到这种目标。
离心式泥浆泵通常需要能够用于各种液流和压头条件。 离心式泥浆泵的性能可能 会因为浆料中的颗粒物质的尺寸、 密度和浓度受到不良影响， 而且泵的性能还将受到磨损 的影响。 能够在各种条件范围中操作泥浆泵的需求意味着， 因为叶轮中的通道较大， 与提供 良好的液流导向性的较小且较窄的水泵相比， 该泵的性能会发生很大变化， 为经过叶轮的 液流提供了较少的导向性。取决于浆料中颗粒的具体尺寸和浓度， 浆料中的颗粒和液体还 会以不同的路径经过叶轮。这种现象会因叶轮的磨损被加剧。由于在叶轮周边处的滑动以 及在叶轮入口和出口处的再循环， 离心式泵经常遭受液流的损失。当液流较小时在叶轮的 排出口处会出现涡旋状的液流状况。这样的现象通常会导致更差的泵性能。
与离心式泵关联的进一步的现象是气穴现象 (cavitation)， 其主要发生在泵的进 水口以及叶轮的进水口中， 并且能够影响泵的性能， 而且如果气穴现象很强或是连续的， 甚 至可能导致对泵的损坏。如所提及的， 离心式泥浆泵部件由很难进行铸造或模塑的硬金属 或弹性材料制成并且， 同样地， 为了简化制造工艺， 叶轮罩壳通常被布置为从入口到出口分 开恒定距离并大体相互平行。 因此， 泥浆泵叶轮的出口还受到导致磨损的再循环、 涡旋液流 和液流状况的影响。
还存在其它类型的采用转动的元件来传送流体的流体机械。 这样的机械的例子包 括离心式压缩机、 涡轮机以及高速水泵。对于这些类型的装置的设计构思和准则完全针对
于这样的机械， 可更好地被理解， 并且应用相对简单。气体 (gases) 具有低密度并且通常无 混入的颗粒， 并且可在流体机械中以很高的转速被抽送。由于摩擦力是气体机械中的次要 因素， 湍流可通过使用多叶片或分流叶片被最小化。 由于这些叶片未遭受腐蚀性磨损， 这些 类型的流体机械中使用的叶片都相对较薄。 此外， 最重要地， 分流叶片功能有效地以与主叶 片类似的方式向气流增加或加入能量。该分流叶片通常比主叶片稍短， 以便不干扰主叶片 前沿处的气流。
副 ( 或分流 ) 叶片通常具有与同主叶片相同的结构， 但比主叶片稍短， 被置于主叶 片之间的大约中间。 这些分流叶片将液流分流至较小通道， 并且对液流增加更多导向性， 因 此将湍流减到最小。这种类型的气体机械大体以 50,000 到 100,000rpm 量级的最高速度操 作。叶片的数量通常相当多， 比如说 20 片， 并且可能之间具有分流叶片， 因此需要薄的叶片 和小的通道。分流或副叶片通常具有与主泵叶片相同的高度， 以便当流体通过机械的转动 元件时， 实现最大的导向性和对流体输入 ( 或输出 ) 最多的能量。
高性能的水泵在某些方面与离心式压缩机或涡轮机类型类似， 例如采用一些相同 的策略， 如较多的叶片数量 ( 大体 7 片或更多 )， 通过在主叶片之间设置较多数量的分流型 叶片来控制湍流和 / 或平滑出口压力脉冲。在使用中， 这造成各叶片的较小压力的脉冲数 量较多。水泵不被用于抽吸颗粒并且因此不需要高抗磨损材料。典型的高性能水泵也以比 标准水泵更高的速度运转， 并且可以 10,000 至 30,000rpm 的速度运转。
主泵叶片的数量越多， 来自各叶片的压力脉冲越小。为减少来自流体机械的总体 压力脉冲， 已经公知的是增加叶片的数量将使脉冲平稳， 这就是一些水泵和气体压缩机具 有大量叶片， 以及加入分流叶片使叶片数量翻倍的原因。 制造气体压缩机、 涡轮机或高性能 或高速水泵的设计准则与泥浆泵的设计准则没有关联性。
通过加入更多较薄的叶片或减少经过叶轮的通道尺寸提供额外的导向性或尝试 减少湍流在泥浆泵的设计中起反作用。 改善这种类型机械的性能的特别做法在被用于泥浆 泵时将不能提供任何效果。
离心式泥浆泵是相当独特的流体机械， 因为它需要在不同抗磨损材料中平衡设 计、 磨损和制造能力。如早前讨论的， 通常需要开发在各种液流和速度条件下操作的泥浆 泵， 以便可以在较宽的应用范围中被采用， 但是这使得对其设计的优化更加困难。 典型的设 计很坚固， 但是作为流体机械， 由于内部的湍流， 这样的泵将仍遭受性能和磨损的损失。由 于设计约束的特殊性和限制， 使用了不同的策略来改善性能， 但是这些只取得了很有限的 成功。 因为所有组件需要具有满足需求的磨损寿命， 由叶轮罩壳、 主叶片和壳体能给浆料提 供的导向性很小， 所以将湍流减到最小的设计策略是相当困难的。
泥浆泵的额外复杂性是浆料中的颗粒并不遵循液体的流线。颗粒越大且越重， 从 液体流线的偏移越严重。因此， 加入更多设计用来沿着流线引导流体的叶片 ( 或分流型叶 片 ) 将无助于引导颗粒， 因为颗粒只会增加湍流和在薄叶片上的磨损， 并且这些叶片将很 快地被磨损并失去它们在引导流体方面的效果。其性能将不可避免地在短时间内迅速衰 退， 并且被消耗的动力也将迅速增加， 使得机械不能维持其性能。 发明内容
第一方面， 披露了泥浆泵叶轮的实施例， 其包括前罩壳和后罩壳， 各罩壳具有带外周缘和中心轴的内主面， 多个泵叶片在罩壳的内主面之间延伸， 泵叶片以空间分隔的关系 被安装， 各泵叶片包括相反的主侧面， 其中的一个为抽吸或压力侧面， 各泵叶片还包括在中 心轴区域内的前沿和在罩壳外周缘区域内的后沿， 在相邻泵叶片之间具有通道， 各通道具 有与之相关联的排放导向叶片或翅片 (vanelet)， 各排放导向叶片被安装在各自的通道内， 并且被置于接近一个或另一个泵叶片处， 并且从至少一个罩壳或各罩壳的内主面上突起。
在某些实施例中， 各排放导向叶片可被设置成较为接近最近的相邻泵叶片的抽吸 或压力侧面。排放导向叶片布置成较为接近一个相邻泵叶片可有利地改善泵的性能。在没 有排放导向叶片存在的正常环境中， 一部分涡旋伸向泵叶片的抽吸面的前面， 并且伸入液 流排放通道中间的至少一半处。 结果， 在使用中， 涡旋增加了经过叶轮通道的物料液流中的 湍流， 并且该湍流接着会伸入围绕叶轮的蜗壳区域。增加湍流可引起叶轮和蜗壳表面磨损 的增加， 并且增加了能量消耗， 最终需要操作员将更多能量输入泵中来获得期望的生产能 力。 虽然发明人推测将排放导向叶片放置在排放通道的大约中心区域内会阻碍或限制紧邻 叶轮抽吸叶片抽吸面前方的湍流区域， 但已经发现将排放导向叶片置于通道宽度中间对湍 流区域的限制只具有很小的影响， 并且进一步的实验示出将排放导向叶片安装成较为接近 泵叶片能够充分使涡旋区域从泵叶片压力面消除。 结果， 由于不会自由生成涡旋， 涡旋的强 度 ( 或剧烈程度 ) 被减小。 泥浆泵的另一个已知的现象是排放再循环， 其中在叶轮转动期间液流较小时离开 排放通道的浆料物料由于泵蜗壳内的总操作压力被强制返回紧邻叶片排放通道的位置。 当 这种现象发生时， 在正常情况下再循环的浆料与涡旋湍流的液流区域混合， 造成了更大且 更难以解决的涡旋区域。在适当的位置上设置排放导向叶片来限制紧邻泵叶片前方的湍 流区域意味着与再循环排放液流产生较少的相互作用， 从而减少两个涡旋区域结合的可能 性， 否则将进一步减少泵的效率。这还减少了颗粒磨损前罩壳或后罩壳从而引起磨损空腔 并在空腔中形成并进一步发展涡旋型液流的可能性。
此外， 将排放导向叶片定位成较为接近一个相邻泵叶片可以有利地改善泵性能， 使得在使用时排放导向叶片不会妨碍物料自由流过通道， 而这对于颗粒浆料流在排放导向 叶片位于液流排放通道中间进入一半的情况下会出现。
在某些实施例中， 各排放导向叶片可具有与一个罩壳的周缘相邻的外端， 排放导 向叶片向内延伸并且在与之关联的罩壳的中轴和周缘中间的内端处终止。 通过伸向罩壳的 周缘， 排放导向叶片可在叶轮排放通道内指引液流， 并且还可减少紧邻叶轮出口处的分裂 液流区域混合进入泵蜗壳中已在转动的液流样式。
在某些实施例中， 各排放导向叶片可在长度上比相邻泵叶片短， 使得排放导向叶 片在使用中不阻碍经过通道的物料的自由液流。在某些实施例中， 各排放导向叶片的长度 大概是相邻泵叶片长度的三分之一或更短。排放导向叶片通常为长形， 有助于在使用过程 中使从叶轮排出的流体和固体形成一致的流动路径。
在某些实施例中， 各所述排放导向叶片可从后罩壳的内主面上突起。这是因为在 正常情况下浆料流进入叶轮时， 涡旋区域被集中在邻近后罩壳而非前罩壳处。
在某些实施例中， 各排放导向叶片可具有从泵叶片宽度的 5％至 50％的高度， 这 里泵叶片的宽度被定义为叶轮的前部和后部罩壳之间的距离。 排放导向叶片的厚度可依据 抽吸头 (pumping head)、 速度要求和被抽吸的物料以及要求减少主液流中的湍流并且辅助
减少再循环量的程度来选择。在某些实施例中， 这样的所述排放导向叶片具有从泵叶片宽 度的 20％至 40％的高度。在某些实施例中， 各所述排放导向叶片可具有大概在泵叶片宽度 的 30％至 35％的高度。如果排放导向叶片高度太小， 则对湍流区域制约的效果不是最佳 的， 并且如果排放导向叶片高度太大， 其结果是干扰并且 / 或者阻挡主液流， 这也不是最佳 的。
在某些实施例中， 各所述排放导向叶片可从各自最接近的泵叶片被空间分隔开， 以便改变物料经过通道的流动， 并从而减少湍流并且抑制液流形成的涡旋从上述泵叶片面 的偏离或分离。
在某些实施例中， 对于其长度的至少一部分， 各排放导向叶片可被从各自最接近 的泵叶片空间分隔开， 其最接近点处的分开距离大概等于排放导向叶片的最大厚度。如果 从泵叶片的抽吸面被分隔开的排放导向叶片太小， 则经过它们之间的颗粒浆料的液流速度 可以很高， 并因此增加了相邻表面的腐蚀磨损， 这不是最佳的。可以构想的是， 在其它实施 例中排放导向叶片和相邻泵叶片之间的间隔是可变的， 沿着它的长度最小可以变为排放导 向叶片最大厚度的 75％， 并且最多可变为排放导向叶片最大厚度的两倍或三倍。
在叶轮的某些实施例中， 罩壳周边的切线和与叶轮泵叶片的前部抽吸面相切的线 之间的夹角与罩壳周边的切线和与相邻排放导向叶片的前部面相切的线之间的夹角基本 相同。 在这样的布置中， 排放导向叶片可在叶轮排放通道内指引液流， 并还可减少在紧邻叶 轮出口处分裂的液流区域混合进入泵蜗壳中已在转动的液流样式。 在某些实施例中， 当在水平横截面上观察时， 各排放导向叶片通常可具有与主泵 叶片相同的形状和宽度。
在某些实施例中， 各排放导向叶片根据泵的要求可具有逐渐缩小的高度。这在制 造过程中使叶片易于从模具移除。
在某些实施例中， 各排放导向叶片根据泵的要求可具有逐渐缩小的宽度。排放导 向叶片的逐渐缩小的端部可使浆料物料的液流易于从通道平滑排出。
在某些实施例中， 一个或多个的通道可具有与之关联的一个或多个入口导向叶 片， 该入口导向叶片或各入口导向叶片沿泵叶片的侧面延伸并在与其关联的泵叶片的前沿 和后沿中间处的相对端处终止。
在某些实施例中， 该入口导向叶片或各入口导向叶片可以是从与之关联的泵叶片 主面突出的突出物， 并且其伸入各自的通道。
在某些实施例中， 该入口导向叶片或各入口导向叶片可以是长形， 有助于在使用 过程中经过叶轮的流体和固体形成一致的液流路径。
在某些实施例中， 泥浆泵叶轮可还包括位于一个或多个罩壳的外面上的副叶片或 向心式叶片。
在某些实施例中， 所述副叶片可具有倾斜边缘部。
在某些实施例中， 叶轮可具有不多于五个泵叶片。在一种形式下叶轮可具有四个 泵叶片。在一种形式下叶轮可具有三个泵叶片。
在备选实施例中， 叶片可被制成三个罩壳， 并且各罩壳可具有从其上突出的排放 导向叶片。在一个实施例中排放导向叶片只在后罩壳的内主面上。
第二方面， 披露了泥浆泵叶片的实施例， 其包括前罩壳和后罩壳， 各具有带外周缘
和中心轴的内主面， 多个泵叶片在罩壳内主面之间延伸， 泵叶片以空间分隔的关系被安装， 各泵叶片包括相反的主侧面， 其中一个为抽吸或压力侧面， 泵叶片还包括中心轴区域中的 前沿和罩壳外周边区域中的后沿， 相邻泵叶片之间具有通道， 各通道具有与之关联的排放 导向叶片， 该排放导向叶片被安装在各自的通道内并被设置成较为接近一个或另一个泵叶 片， 并且从后罩壳的内主面突出， 各排放导向叶片的长度为相邻泵叶片长度的三分之一或 更少， 所述排放导向叶片的高度大约为泵叶片宽度的 30％至 35％。
第三方面， 披露了蜗壳类型的离心式泥浆泵的实施例， 其包括具有入口区域和排 放区域的泵壳、 位于泵壳内的叶轮和被轴向连接到所述叶轮的驱动轴， 其中泵叶轮与在第 一方面或第二方面被披露的一样。
第四方面， 披露了用于在第一方面或第二方面披露的叶轮的铸模的生产方法的实 施例， 该方法包括 ：
- 将熔融材料浇注到用于形成铸模的模具中 ；
- 允许熔融材料固化 ； 并且
- 将模具至少部分地从得到的固化铸模移除。
第五方面， 披露了对在第一方面和第二方面披露的叶轮类型中的排放导向叶片进 行更新的方法的实施例， 此处导向叶片位于与之关联的罩壳主面处， 并伸入各自的排放通 道， 该方法的步骤包括 ： - 当导向叶片变成被磨损组件时将其移除 ； 并且
- 随后将未磨损的替换导向叶片安装到叶轮上。
第六方面， 披露了更新离心式泵叶轮的方法的实施例， 该方法的步骤包括 ：
- 当被装配的叶轮变成被磨损组件时将其移除 ； 并且
- 随后将在第一方面或第二方面披露的未磨损的替换叶轮类型安装到泵中。
第七方面， 披露了用于现有离心式泵的叶轮的实施例， 该叶轮适于安装在现有泵 壳内作为更新件， 以便替换现有叶轮， 其中叶轮的配置为在第一方面或第二方面披露的类 型。
第八方面， 披露了包括至少一个罩壳的叶轮实施例， 该罩壳具有带外周缘和中心 轴的主面， 多个泵叶片从该罩壳的主面突出， 泵叶片以空间分隔的关系被安装在主面上， 相邻泵叶片之间提供排放通道， 各泵叶片包括在中心轴区域内的前沿和在周缘区域内的后 沿， 各泵叶片包括在叶片的前沿和后沿之间延伸的相反的侧面， 一个或多个泵叶片具有一 个或多个与之关联的入口导向叶片。
入口导向叶片的使用具有减少叶轮入口处再循环液流状况以及叶轮内的任意涡 旋类型的液流状况的优点。所有这些液流状况通常导致了泵性能的恶化， 例如由于空腔现 象。入口导向叶片为叶轮排放通道内的液流提供了导向性。入口导向叶片还可结合前述的 用于排放导向叶片的一些其它优点。
在某些实施例中， 该入口导向叶片或各入口导向叶片可为从与之关联的泵叶片侧 面突出的突出物， 并且其伸入各自的排放通道。 在另一个实施例中， 该入口导向叶片或各入 口导向叶片可为伸进泵叶片侧面的凹进部分 (recess)， 从而形成在使用中流体能够流经的 沟道或凹槽。在又进一步的实施例中， 叶轮能够具有以凹进部分和突出物形式的入口导向 叶片的任意组合， 位于泵叶片的不同侧面处。
在某些实施例中， 该入口导向叶片或各入口导向叶片可为长形， 有助于在使用过 程中经过叶轮的流体和固体形成一致的液流路径。
在一种形式中， 该入口导向叶片或各入口导向叶片可具有与泵叶片前沿相邻的端 部， 导向叶片沿泵叶片侧面延伸并在与之关联的泵叶片的前沿和后沿中间的相对端处终 止。
在某些实施例中， 叶轮可包括两个所述罩壳， 所述泵叶轮在两个罩壳之间从其各 自的主面延伸。在一种实施例中， 该两个罩壳被分隔开， 罩壳的主面布置成大体彼此平行。 在另一个实施例中， 叶轮可具有多于两个的罩壳， 例如具有三个罩壳。
在某些实施例中， 一个或多个所述泵叶轮可具有与之关联的两个所述入口导向叶 片， 各自位于泵叶片的各相反侧面处。在又另一个实施例中， 依据泵的应用， 可具有多于一 个的入口导向叶片位于各泵叶片的相应侧面处。在另一个实施例中， 各泵叶片在一个侧面 上具有与之相关的一个或多个上述入口导向叶片， 而在泵叶片的相对侧面上却没有入口侧 叶片。
在某些实施例中， 从入口导向叶片距离相邻罩壳的位置来看， 各所述入口导向叶 片大体安装在与之关联的泵叶片的侧面的中心。
在某些实施例中， 各所述入口导向叶片可以大致是与之关联的泵叶片的前沿和后 沿之间长度的一半， 尽管在又进一步的实施例中， 根据泵的需要入口导向叶片可比这个长 度更短或更长。
在某些实施例中， 各入口导向叶片可具有从泵叶片厚度的 50％至 100％的高度， 并且该优选的厚度将依据抽吸头和速度要求以及被抽吸的物料， 从这个范围内被选出。
在某些实施例中， 各入口导向叶片沿其长度可具有恒定的叶片高度， 尽管可以构 想在又其它实施例中， 叶片高度根据泵的要求可被改变。
在某些实施例中， 一个或多个排放通道可具有与之关联的一个或多个排放导向叶 片， 该排放导向叶片或各排放导向叶片位于至少一个罩壳或各个罩壳的主面处并具有在罩 壳的周缘区域中的外边缘， 导向叶片向内延伸并在中心轴与罩壳周缘中间的内边缘处终 止。
在某些实施例中， 该排放导向叶片或各排放导向叶片可为长形， 有助于在使用过 程中经过叶轮的流体和固体形成一致的液流路径。
在某些实施例中， 当在水平横截面上观察时， 排放导向叶片通常可具有和主泵叶 片相同的形状和宽度。
第九方面， 披露了对在第一或第二方面中限定的叶轮类型中入口导向叶片进行更 新的方法的实施例， 这里导向叶片是从与之关联的泵叶片的侧面突出的突出物， 并且其深 入各自的排放通道中， 该方法的步骤包括 ：
- 当导向叶片变为被磨损组件时将其移除 ； 并且
- 随后将未磨损替换导向叶片安装到叶轮上。
第十方面， 披露了叶轮的实施例， 包括至少一个罩壳， 该罩壳具有带外周缘和中心 轴的主面、 从罩壳的主面突出的多个泵叶轮、 泵叶轮以空间分隔的关系被安装在主面上， 在 相邻泵叶片之间提供排放通道， 各泵叶轮包括中心轴区域内的前沿和罩壳周缘区域中的后 沿， 在相邻泵叶片之间具有通道， 各泵叶片包括在叶片的前沿和后侧沿之间延伸的相反侧面， 一个或多个泵叶片具有一个或多个与之关联的入口导向叶片， 一个或多个通道具有一 个或多个与之关联的排放导向叶片， 该排放导向叶片或各排放导向叶片位于至少一个罩壳 或各罩壳的主面处。 附图说明 尽管还有其它的形式可能落入发明内容中阐述的设备和方法的范围内， 现在将通 过例子并参考附图来描述方法和设备的特定实施例， 其中 ：
图 1 说明了依据本实施例的泵叶轮的示范性图解等轴视图 ；
图 2 说明了图 1 中示出的叶轮的另一个等轴视图， 示出了更多的下侧细节 ；
图 3 说明了图 1 和 2 中示出的叶轮的侧面正视图 ；
图 4 说明了图 1 至 3 示出的叶轮在罩壳中间被剖开的叶轮体的截面视图 ；
图 5 说明了依据另一个实施例的叶轮的示范性图解等轴视图 ；
图 6 说明了图 5 中示出的叶轮的侧面正视图 ；
图 7 说明了图 5 和 6 示出的叶轮在罩壳中间被剖开的叶轮体的截面视图 ；
图 8 说明了另一个实施例的叶轮的示范性截面视图 ；
图 9 说明了另一个实施例的叶轮示范性的部分横截面视图， 其结合泵入口组件的 实施例被说明 ；
图 10 说明了图 9 示出的叶轮和泵入口组件的另一个横截面视图 ；
图 11 说明了图 9 和 10 示出的叶轮从入口侧面观察的透视图 ；
图 12 说明了图 9 至 11 示出的叶轮从后部侧面观察的透视图 ；
图 13 说明了图 9 至 12 示出的叶轮的前部侧面正视图 ；
图 14 说明了图 9 至 13 示出的叶轮的后部侧面正视图 ； 以及
图 15 说明了图 9 至 14 示出的叶轮的侧面正视图 ；
图 16 说明了图 9 至 15 示出的叶轮在叶轮体被剖开以横切泵叶片和排放导向叶片 时的截面视图 ；
图 17 说明了依据另一个实施例的叶轮的示范性图解等轴视图 ；
图 18 说明了图 17 示出的叶轮的侧面正视图 ；
图 19A 和 19B 说明了对于附图中示出的叶轮的本实施例中流体流的某些实验计算 仿真结果 ；
图 20A 和 20B 说明了对于附图中示出的叶轮的本实施例中流体流的某些实验计算 仿真结果 ；
图 2lA 和 2lB 说明了对于附图中示出的叶轮的本实施例中流体流的某些实验计算 仿真结果 ；
图 22A 和 22B 说明了对于附图中示出的叶轮的本实施例中流体流的某些实验计算 仿真结果 ；
图 23A 和 23B 说明了对于附图中示出的叶轮的本实施例中流体流的某些实验计算 仿真结果。
具体实施方式
现在参考图 1 至图 4， 示出了叶轮 10 的一个实施例， 其中叶轮包括前罩壳 12 和 后罩壳 14， 各罩壳通常具有平面圆盘的形式， 各圆盘具有各自的主内面 13、 15， 各自的外面 21、 22， 和各自的外周缘 16、 17。轮毂 11 从后罩壳 14 的外面 22 延伸， 该轮毂 11 被可操作地 连接到驱动轴 ( 未示出 )， 用于引起叶轮围绕其中心轴 X-X 转动 ( 图 3)。
在前罩壳 12 上提供了叶轮入口 18， 该入口 18 与中心轴 X-X 同轴， 中心轴 X-X 在使 用中为叶轮 10 的转动轴。四个泵叶片 30 在罩壳 12、 14 的相对的主内面 13、 15 之间延伸， 并且沿着所述罩壳 12、 14 的主面 13、 15 均匀分开。如图 4 所示， 各泵叶片 30 横截面通常为 弓形， 且包括内前沿 32 和后沿 34 以及相对的侧面 35 和 36， 侧面 35 为抽吸或压力侧。当 从转动的方向观察时可以说叶片是向后弯曲的叶片。排放通道 19 在相邻泵叶片 30 之间提 供， 物料从叶轮入口 18 经过排放通道 19。各通道 19 具有入口区域 24 和位于罩壳 12、 14 的 外周缘 16、 17 处的排放区域 25， 浆料从通道 19 流向泵排放区域。排放区域 25 比入口区域 24 更宽， 使得通道 19 通常为 V 形。为清楚起见， 标识了以上描述的各种特征的附图标记只 在一个叶片 30 上被指示出。
各泵叶片 30 具有与之关联的两个条状凸起， 起到浆料入口导向叶片 41、 42 的作 用。各入口导向叶片 41、 42 从泵叶片 30 的各自的侧面 35、 36 突出。各入口导向叶片 41 和 42 被居中安装在与之关联的泵叶片 30 的各自侧面 35 和 36 并且为长形凸起的形式， 其本身 具有最接近于泵叶片 30 内前沿 32 处的内端 43， 以及沿着各自侧面 35、 36 的大概一半距离 处的外端 44。在另一个实施例中， 导向叶片可比这些图中所示出的更长或更短。 当 在 横 截 面 上 观 察 时， 各 入 口 导 向 叶 片 41、 42 具 有 泵 叶 片 30 的 完 整 厚 度 的 约 57 ％， 尽管在进一步的实施例中， 导向叶片的高度可在所述泵叶轮完整厚度的 50 ％至 100％。尽管在其它实施例中导向叶片可逐渐缩小， 但是各导向叶片 41、 42 沿其长度通常为 恒定高度。 所示出的导向叶片 41、 42 厚度大概是平均泵叶片 30 完整厚度的约 55％， 尽管在 其它实施例中这可能是不同的。
导向叶片的效果是改变再循环流和泵的特性， 因为在叶片区域中的通道比较小， 从而减少了流体流混合并再循环回到叶轮入口的机率。
在其它实施例中， 入口导向叶片可形成凹槽或凹进部分， 布置成以便伸进叶片的 材料。 这样的凹槽也可起到与在泵叶片侧面设置凸出的入口导向叶片相同的流体导向通道 的作用。
实施例还可被构想成具有以凹槽或突出物的形式位于排放通道的入口区域中的 泵叶轮处的入口导向叶片的任意组合。
在其它实施例中， 入口导向叶片不需要大体置于泵叶片面上的中心， 而是可依据 环境， 被置于靠近一个或另一个罩壳处。
在其它实施例中， 入口导向叶片不需要沿泵叶片的各自侧面延伸大概一半举例， 而是可依据泵抽吸的流体或浆料， 延伸更短或更长的长度。
在其它实施例中， 泵叶片的各侧面可以有多于一个的入口导向叶片， 或在某些情 况下， 在限定排放通道的任意两个泵叶片的相对侧面中的一个侧面上没有入口导向叶片。
依据特定实施例， 示范性叶轮 10A 在图 5 至 7 中被说明。为了方便起见， 相同的附 图标记被用于标识在图 1 至 4 中被描述的相同部件。此处叶轮 10A 不具有入口导向叶片，
而是具有多个排放导向叶片 ( 或翅片 (vanelets))50、 51。
排放导向叶片 50、 51 为长形的顶部平坦的突出物， 其横截面通常为柱形。该排放 叶片 50、 51 分别从各自罩壳 12、 14 的主面 13、 15 延伸， 并且被布置在两个相邻泵叶片 30 之 间。该排放导向叶片 50、 51 具有位于与各自的罩壳 12、 14 外周缘 16、 17 相邻的各自的外端 53、 54。该排放导向叶片 50、 51 还具有位于各自通道 19 的中途某处的内端 55、 56。由图 7 可见， 排放导向叶片 50、 51 的内端 55、 56 与叶轮 10A 的中心轴 X-X 被分隔开一定的距离。 与 各通道 19 相关的排放导向叶片 50、 51 彼此相向， 其外表面相互隔开。
各示出的排放导向叶片 50、 51 具有泵叶片 30 的宽度的约 30％的高度， 尽管在其他 实施例中， 导向叶片高度可在所述泵叶片宽度 ( 罩壳 12、 14 之间距离 ) 的 5％至 50％之间。 各导向叶片 50、 51 沿其长度通常为恒定高度， 尽管在其它实施例中导向叶片 50、 51 在高度 上可逐渐缩小， 且在宽度上也可逐渐缩小。
在其它实施例中， 排放导向叶片在罩壳的主内面上不需要大体居中置于各泵叶片 之间， 而是可以根据情况， 接近一个或另一个泵叶片 30 处布置。
在其它的实施例中， 排放导向叶片可依据被抽吸的流体或浆料， 以比图 4 至 8 的实 施例示出的更短或更长的距离伸入排放通道。 在其它的实施例中， 各罩壳内主面可具有多于一个的排放导向叶片， 或在某些情 况下， 在限定排放通道的任意两个罩壳的相对的内主面中的一个上没有排放导向叶片。
在其它的实施例中， 排放导向叶片可具有与主泵叶片不同的横截面宽度， 并且甚 至可以不必为长形， 只要能实现在叶轮排放处浆料液流的期望效果即可。
排放导向叶片将减少在液流较小形成高速涡旋类型液流的可能性。 这减少了颗粒 磨损前部或后部罩壳， 从而导致在其内可生成并发展涡旋类型液流的磨损空腔的可能性。 导向叶片还将减少在紧邻叶轮出口处的分裂液流区域混合进入蜗壳中已在转动的液流状 态。排放导向叶片将使湍流平滑并减少来自叶轮的液流的湍流进入泵壳或蜗壳。
参考附图的图 8， 示出了包括入口导向叶片 41 和 42 以及排放导向叶片 50 和 51 二 者组合的叶轮 10B 的示范性的实施例。
参考图 9 至 16， 依据特定实施例示出了进一步的示范性叶轮 10C， 其中叶轮包括前 罩壳 12 和后罩壳 14， 它们各具有大体平面圆盘的形式， 各圆盘具有各自的主内面 13、 15， 各 自的外面 21、 22 和各自的外周缘 16、 17。轮毂 11 从后罩壳 14 的外面延伸， 轮毂 11 可操作 地连接到驱动轴 ( 未示出 )， 用于引起叶轮围绕其中心轴 X-X 的转动。图 9 和 10 说明了具 有泵入口组件 60 的叶轮的位置。
叶轮入口 18 在前罩壳 12 内被提供， 在使用中该入口与叶轮的转动轴的中心轴 X-X 同轴。四个泵叶片 30 在罩壳 12、 14 的相对的内主面 13、 15 之间延伸， 并且沿着罩壳 12、 14 的主面均匀地分开。如在图 16 所示出的， 各个泵叶片 30 横截面通常为弓形， 并且包括内前 沿 32 和外后沿 34 以及相对的侧面 35 和 36。在相邻泵叶片 30 之间提供了排放通道 19， 物 料从叶轮入口 18 经过排放通道 19。如前述的实施例， 各通道 19 具有入口区域 24 和位于 罩壳 12、 14 的外周缘 16、 17 处的排放区域 25， 浆料经过通道 19 进入泵排放区域。排放区 域 25 可比入口区域 24 更宽， 使得通道 19 通常为 V 形。为清楚起见， 标识上述各种特征的 附图标记只在一个叶片 30 上被指示出。
在这个特定的示范性说明中， 叶轮 10C 不具有入口导向叶片， 而是具有多个排放
导向叶片 51。 排放导向叶片 51 为长形的顶部平坦的突出物， 其横截面通常为柱形并且两端 为锥形。该排放叶片 51 分别地从后罩壳 14 的主面 15 延伸， 并且被布置在两个相邻泵叶片 30 之间。该排放导向叶片 51 具有各自的外端 54， 其被与罩壳 14 的外周缘相邻放置。该排 放导向叶片 51 还具有内端 56， 其位于各自通道 19 中的某处。排放导向叶片 51 的内端 56 从叶轮 10C 的中心轴 X-X 被分隔开一定距离。
所示出的各排放导向叶片 51 具有叶轮泵叶片 30 的宽度的约 33％的高度， 尽管在 进一步实施例中导向叶片高度可在所述泵叶片宽度 ( 罩壳之间的距离 ) 的 5％至 50％之 间。各导向叶片 51 通常沿其长度具有恒定的高度， 尽管在其它实施例中导向叶片沿其长度 高度可逐渐减小， 宽度也可逐渐减小。如同从附图中显而易见的， 排放导向叶片 51 可具有 倾斜的周缘。
如图 9 至 16 所示， 排放导向叶片被安装在各自通道内， 以便与最接近的各自的泵 叶片表面 35 分隔开大概一个排放导向叶片厚度 D1 进入通道 19。该排放导向叶片厚度 D1 以及从泵叶片表面 35 被分隔开的距离 D2 在图 9、 10 和 16 中被示出， 其中 D1 和 D2 在尺寸 上大致相等。在这种情况下， 叶轮叶片延伸到叶轮泵叶片宽度的约 33％的高度。这种叶轮 10C 和本说明书图 4 中描述的实施例是一致的。
叶轮 10C 还包括在罩壳 12、 14 的各自的外面 21、 22 上的向心式 (expeller) 叶片 或副叶片 57、 58。在后罩壳上的一些叶片 58 具有不同的宽度。如同从附图中显而易见的， 向心式叶片具有倾斜的边缘。
参考图 17 和 18， 依据特定实施例示出了另一个示范性叶轮 10D， 其中叶轮包括前 罩壳 12 和后罩壳 14， 它们各自具有大体的平面圆盘的形式， 各圆盘具有各自的主内面 13、 15， 各自的外面 21、 22 以及各自的外周缘 16、 17。这些特征在图 17 中被说明。轮毂 11 从后 罩壳 140 的外面延伸， 轮毂 11 被可操作地连接到驱动轴 ( 未示出 )， 用于引起叶轮围绕其中 心轴 X-X 转动。叶轮 10D 与图 9 至 16 中所示的叶轮 10C 在多数方面是相同的， 只是前罩壳 向心式叶片 57 的形状和边缘倾斜不同， 并且不具有后罩壳叶轮叶片。
实验仿真
使用商业软件 ANSYS CFX， 执行计算实验来模拟在此描述的叶轮的各种设计中的 液流。这种软件采用计算流体力学 (CFD) 的方法计算被抽吸液流的速度场。该软件能够计 算许多其它兴趣变量， 然而， 与在此示出的图形相关的变量是速度。
对于各个 CFD 实验， 使用相应的 CFX 模块对结果进行后处理。图中示出了四个平 面 A、 B、 C 和 D 的横截面视图， 这四个平面对于各实验将相应的叶轮设计以相同的深度垂直 于转动轴切开。速度向量在这四个平面上被绘出， 以便对流体和浆料颗粒如何运动通过叶 轮泵叶片之间形成的沟道进行分析。 这些向量的大小与它们的分布密度一起指示出了速度 参数的量级， 弯曲的向量图形通常指示了涡旋的存在。
速度向量在这些平面内被标出， 以便对流体颗粒如何运动通过叶轮泵叶片之间形 成的沟道进行分析。
实验 1
如图 19(a) 和 19(b) 中所示的， 示出了标准 (“基本” ) 叶轮， 其具有前罩壳和后罩 壳以及在罩壳的内主面之间延伸的四个叶轮泵叶片。该叶轮不具有安装在各自通道内的， 或者从其中的一个罩壳主面突起的任何排放导向叶片。在图 19(a) 和 19(b) 中示出的叶轮的侧视图示出了四个平面 A、 B、 C 和 D 的位置， 这四个平面将相应的叶轮设计垂直于其转动轴切开。
平面 A 以一定高度被定位在后罩壳上方， 该高度小于泵叶轮宽度 ( 泵叶片的宽度 被定义为叶轮的前部和后罩壳之间的距离 ) 的约 35％。
平面 B 以一定高度被定位在后罩壳上方， 该高度小于泵叶轮宽度的约 50％。
平面 C 以一定高度被定位在后罩壳上方， 该高度位于泵叶轮宽度大于 50％但少于 65％处 ( 前部和后罩壳之间中部处 )。
平面 D 以一定高度被定位在后罩壳上方， 该高度大于泵叶轮宽度的约 65％。
通过参考在图 19(a) 和 19(b) 中被标绘出的速度向量可以看出实验 1 的结果， 这 些附图标记了平面 A、 平面 B、 平面 C 和平面 D。 这些向量的大小以及它们的分布密度指示了 速度参数的量级和涡旋的存在。需要被观察的重要区域是位于各泵叶片的压力表面 ( 或抽 吸面 ) 前面并伸入泵叶片之间液流排放通道的区域。该相关区域在各速度向量图中由小箭 头标绘出。
如在图 19(a) 和 19(b) 中可见的， 如果我们将涡旋的中心部分想象成锥形体， 随着 我们逼近前罩壳 ( 从平面 A 移动到平面 D)， 其直径明显收缩。这是操作的基本条件。
实验 2
如图 20(a) 和 20(b) 中所示的， 示出的叶轮具有前罩壳和后罩壳以及在罩壳的内 主面之间延伸的四个泵叶片。在实验 2 至 5 中的主泵叶片与实验 1 中示出的都一样。这 种叶轮具有被安装在各相应通道内的排放导向叶片， 其从前罩壳和后罩壳二者的内主面凸 起， 并大体定位在两个泵叶片之间的通道的宽度中间。 在这种情况下， 叶轮叶片延伸的高度 约为叶轮泵叶片宽度的 33％。这种叶轮对应于本说明书的图 5、 6 和 7 所示出的实施例。
在图 20(a) 和 20(b) 中示出的叶轮的侧视图示出了四个平面 A、 B、 C 和 D 的位置， 这四个平面将相应的叶轮设计垂直于其转动轴在与实验 1 示出的相同的位置上切开。
通过参考在图 20(a) 和 20(b) 中被标绘出的速度向量可以看出实验 2 的结果， 这 些附图标记了平面 A、 平面 B、 平面 C 和平面 D。 这些向量的大小以及它们的分布密度指示了 速度参数的量级和涡旋的存在。需要被观察的重要区域是位于各泵叶片的压力表面 ( 或抽 吸面 ) 前面并伸入泵叶片之间液流排放通道的区域。该相关区域在各速度向量图中由小箭 头标绘出。
如在图 20(a) 和 20(b) 中可见的， 如果将涡旋的中心部分想象成锥形体， 我们之前 以为在被示出位置上的排放导向叶片会对涡旋的中心部分在某种程度上产生影响， 以限制 其从泵叶片的抽吸面分离。 然而被标绘的速度向量数据示出这些对偶式的排放导向叶片的 影响非常小。这通过图 19(a) 和 19(b) 和图 20(a) 和 20(b) 分别对比可以看出。
实验 3
如图 21(a) 和 21(b) 中所示的， 示出的叶轮具有前罩壳和后罩壳以及在罩壳的内 主面之间延伸的四个泵叶片。这种叶轮具有被安装在各自通道内的排放导向叶片， 其从前 罩壳和后罩壳二者的内主面突起， 并与其最接近的相应泵叶片分开大约一个排放导向叶片 的厚度进入通道。在这种情况下， 叶轮叶片延伸的高度约为叶轮泵叶片宽度的 33％。
在图 21(a) 和 21(b) 中示出的叶轮的侧视图示出了四个平面 A、 B、 C 和 D 的位置， 这四个平面将相应的叶轮设计垂直于其转动轴在与实验 1 示出的相同的位置上切开。通过参考在图 21(a) 和 21(b) 中被标绘出的速度向量可以看出实验 3 的结果， 这 些附图标记了平面 A、 平面 B、 平面 C 和平面 D。 这些向量的大小以及它们的分布密度指示了 速度参数的量级和涡旋的存在。需要被观察的重要区域是位于各泵叶片的压力表面 ( 或抽 吸面 ) 前面并伸入泵叶片之间液流排放通道的区域。该相关区域在各速度向量图中由小箭 头标绘出。
如在图 21(a) 和 21(b) 中可见的， 被定位在最接近于泵叶片的排放导向叶片 ( 或 翅片 ) 在涡旋的中心部分上示出了被改善的效果。也就是说， 在后罩壳的区域内， 涡旋由于 存在有排放导向叶片而受到限制。然而， 通过与图 20(b) 中平面 D 的比较可看出， 和实验 2 相比， 实验 3 中泵叶片前面的涡旋状况差别非常小。这意味着位于前罩壳上并且较为靠近 泵叶片的排放导向叶片在限制涡旋上只有很小的效果。 发明人相信这种结果可能是由于在 前罩壳位置处涡旋的中心直径较小引起的。
实验 4
如图 22(a) 和 22(b) 中所示的， 示出的叶轮具有前罩壳和后罩壳以及在罩壳的内 主面之间延伸的四个泵叶片。这种叶轮具有被安装在各自通道内的排放导向叶片， 其只从 后罩壳的内主面突起并与其最接近的各自的泵叶片隔开大约一个排放导向叶片的厚度进 入通道。在这种情况下， 叶轮叶片延伸的高度约为叶轮泵叶片宽度的 33％。该叶轮对应于 本说明书图 9 至 16 中示出的实施例。 在图 22(a) 和 22(b) 中示出的叶轮的侧视图示出了四个平面 A、 B、 C 和 D 的位置， 这四个平面将相应的叶轮设计垂直于其转动轴在与实验 1 示出的相同的位置上切开。
通过参考在图 22(a) 和 22(b) 中被标绘出的速度向量可以看出实验 4 的结果， 这 些附图标记了平面 A、 平面 B、 平面 C 和平面 D。 这些向量的大小以及它们的分布密度指示了 速度参数的量级和涡旋的存在。需要被观察的重要区域是位于各泵叶片的压力表面 ( 或抽 吸面 ) 前面并伸入泵叶片之间液流排放通道的区域。该相关区域在各速度向量图中由小箭 头标绘出。
如在图 22(a) 和 22(b) 中可见的， 在实验 4 与实验 3 比较时， 泵叶片前面的涡旋状 况之间具有非常小的差别。这意味着实验 3 中前罩壳上的排放导向叶片在限制涡旋上只有 很小的效果或者没有效果。实验 4 将因此是最佳的设计布置， 其使叶轮设计的复杂性减为 最小， 同时仍然使涡旋的限制效果最佳。
实验 5
如图 23(a) 和 23(b) 中所示的， 示出的叶轮具有前罩壳和后罩壳以及在罩壳的内 主面之间延伸的四个泵叶片。这种叶轮具有被安装在各自通道内的排放导向叶片， 其只从 后罩壳的内主面突起并与其最接近的各自的泵叶片被分隔开大约一个排放导向叶片的厚 度进入通道。在这种情况下， 叶轮叶片延伸的高度约为叶轮泵叶片宽度的 50％。
在图 23(a) 和 23(b) 中示出的叶轮的侧视图示出了四个平面 A、 B、 C 和 D 的位置， 这四个平面将相应的叶轮设计垂直于其转动轴在与实验 1 示出的相同的位置上切开。
通过参考在图 23(a) 和 23(b) 中被标绘出的速度向量可以看出实验 5 的结果， 这 些附图标记了平面 A、 平面 B、 平面 C 和平面 D。 这些向量的大小以及它们的分布密度指示了 速度参数的量级和涡旋的存在。需要被观察的重要区域是位于各泵叶片的压力表面 ( 或抽 吸面 ) 前面并伸入泵叶片之间液流排放通道的区域。该相关区域在各速度向量图中由小箭
头标绘出。
如在图 23(a) 和 23(b) 中可见的， 加高的后罩壳导向叶片在涡旋上的作用如平面 A 和 B 中所示， 之前的期望是会限制涡旋从泵叶片的抽吸面分离。然而， 当与实验 4 中的同 等位置处示出的结果比较时， 绘出的速度向量数据示出增加导向叶片高度对涡旋中心部分 的作用很小， 这通过与图 22(a) 和 22(b) 的比较可以看出。但是发明人发现较大导向叶片 的存在实际上减小了叶轮 / 泵的组合效率， 这表示这种设计是欠佳的。
发明人相信入口导向叶片和排放导向叶片都通过减少在主液流内的湍流将改善 性能， 并且还辅助减少了再循环量， 尤其是当排放导向叶片较为靠近最近的相邻泵叶片的 压力或抽吸侧面时。这些效果将减少泵叶轮内部的能量损耗， 并因此在压头和泥浆泵的效 率方面对于从小液流到大液流的各种液流改善泵的总体性能。 对于各种液流改善性能还将 提供较少的泵内部的总磨损， 从而改善泥浆泵的使用操作寿命。
在此揭示的用于叶轮的材料可从适合被用于如所描述的成形、 加工或装配的材料 中选出， 其包括高铬含量的硬金属或已经过处理 ( 例如回火 ) 使之包含硬化金属微观结构 的金属。叶轮可还可使用例如陶瓷其它的耐磨材料制造， 或甚至由硬橡胶材料制成。
在此披露的任意的叶轮实施例可用于蜗壳类型的离心式泥浆泵。 这样的泵通常包 括具有入口区域和排放区域的泵壳， 叶轮被置于泵壳内并通过轴向地连接到叶轮的电动驱 动轴转动。 由于叶轮通常为磨损件， 因此会定期打开泵壳， 移除并抛弃被磨损的叶轮而用在 此披露类型的未磨损叶轮进行替换。 被磨损的叶轮可与所提供的新的未磨损叶轮具有不同 的设计， 只要新的未磨损叶轮可在泵壳内的空间里互换， 并可轴向地连接到驱动轴即可。 在某些实施例中， 叶轮为由固化熔融金属制造的铸造产品。铸造工艺包括将熔融 金属浇注到模具中并允许金属冷却并固化形成所需要的叶轮形状。 铸造工艺的复杂性在一 定程度上取决于叶轮模具的形状和配置， 在一些情况下需要使用将熔融金属引入模具和用 于将铸造产品从模具分离的专门技术。
在某些叶轮的实施例中， 在使用了一段时间后， 或者例如， 如果叶片中的一个在使 用过程中已经脱落， 可能需要将被磨损的入口或排放导向叶片从各自泵叶片或罩壳上其位 置处移除和更新。 取决于制造材料， 叶轮可通过对替换导向叶片的焊接、 粘合或某些其它机 械固定方式而被修复。
本说明书中参考的任意的在先公开 ( 或从中获得的信息 )， 或任意的已知事物都 不作为， 也不应作为对该在先公开 ( 或从中获得的信息 ) 或该已知事物构成本说明书涉及 的技术领域的公知常识的确认， 或认可， 或任何形式的暗示。
贯穿本说明书和权利要求书， 除非内容需要， 否则， 措辞 “包括” ， 以及例如 “包括 了” 的变化或 “正包括” ， 将被理解为意味着包括所陈述的事物或步骤或一组事物或步骤， 但 不排除任意其它的事物或步骤或一组事物或步骤。
在前面描述的优选实施例中， 为了清楚起见特殊的技术名词已被列出。 然而， 本发 明并非意图被限定在被选出的专用术语中， 并且应该理解各专用术语包括了以类似方法操 作来完成类似技术目的的所有的技术等价物。例如 “前” ， “后” 以及类似的术语被用作便于 提供参考点的措辞且不应直译为限定性术语。
最终， 应该明白的是各种变化、 改变和 / 或附加部分可被合并到各种结构和布置 中而不背离本发明的精神或范围。