專利名稱：離心泵的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及單速循環(huán)泵。本發(fā)明更具體而言涉及在典型操作模式中能耗率低的循環(huán)泵。
背景技術：
通過調(diào)節(jié)泵的速度來降低泵的能耗率是公知的。這例如可通過使用泵中的變頻器來進行。然而，該方案的技術要求和成本較高。因此，期望有比該方案更廉價的替換方案。當在操作期間能夠改變泵的速度時，可以使泵速適合實際壓力和流量要求，然而當操作單速泵時，大量能量會被用來形成比所需壓力更高的壓力。因此，不能調(diào)節(jié)的泵通常是耗能的。通常，只有大約5-10%的時間要求泵執(zhí)行到其最大功率，所以通過按實際需求來調(diào)節(jié)泵能夠節(jié)約許多能量。通過使用各種調(diào)節(jié)方法(諸如比例壓力調(diào)節(jié)和恒定壓力調(diào)節(jié)等)，可以調(diào)節(jié)泵。然而，泵的速度調(diào)節(jié)需要諸如變頻器等調(diào)節(jié)裝置，而變頻器對泵而言是昂貴的附加部件。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種降低能耗率的較便宜的泵。本發(fā)明的目的由具有權利要求1中限定的特征的泵來實現(xiàn)。從下文給出的權利要求書和說明書，本發(fā)明的適用性的優(yōu)選實施例、優(yōu)點和進一步的范圍將變得明顯。根據(jù)本發(fā)明的離心泵包括至少一個葉輪、泵殼和電動機。泵具有Q-H泵曲線，該曲線具有零流量時的水頭Htl和對應最高液壓功率的水頭HMf，且Href大于IV因此，泵的能耗率低，對應于泵在大多數(shù)時間里的運行狀態(tài)的低流量時尤其如此。因此，根據(jù)本發(fā)明的泵比現(xiàn)有技術的離心泵能耗更低。在本發(fā)明的一個實施例中，至少一個葉輪包括成形為使得Href大于Htl的葉片。舉例而言，如果葉片向前彎，在Q-H泵曲線上，HMf將大于Htl (其中，Htl表示零流量時的水頭，Href表示對應最高液壓功率的水頭)。前掠葉片從徑向內(nèi)側沿旋轉方向向徑向外側偏斜或彎曲。在本發(fā)明的泵的一個實施例中，Q-H曲線的第一部分是流量的上升函數(shù)。由此，能夠實現(xiàn)具有HMf大于Htl的Q-H曲線，更明確地實現(xiàn)在低流量時能耗低的泵。還可以具有整個Q-H曲線是流量的上升函數(shù)的泵。在本發(fā)明的另一實施例中，Q-H曲線的末尾部分是流量的下降函數(shù)。由此，能夠實現(xiàn)泵具有減小的功耗率，使得能夠避免電動機過載?？梢杂腥舾煞绞絹韺崿F(xiàn)Q-H曲線的末尾部分下降。舉例而言，這可通過選擇以高水頭限制流速的泵殼的幾何尺寸來實現(xiàn)。例如泵殼可以被設計成使得橫截面積以蝸殼的形式被減小或能夠作為水頭的函數(shù)被減小。這將導致在高水頭時被限流。進一步，例如還可以使用特殊設計的葉輪來實現(xiàn)高水頭時的限流。例如，葉輪可構造為使得前板與后板之間的距離能夠作為水頭的函數(shù)來改變。
在本發(fā)明的一個實施例中，泵殼和/或葉輪被構造為引起流量限制，該流量限制使得作為流量的函數(shù)的Q-H曲線的末端部分下降。術語流量限制的意思是限制流量。流量限制裝置例如可以是具有特定幾何結構的葉輪或泵殼。在本發(fā)明的另一實施例中，葉輪具有前掠葉片。前掠葉片可有助于上升的Q-H曲線。此外，葉輪的尺寸可最小化，因為如果條件相同，則具有前掠葉片的葉輪能夠比具有后掠葉片的葉輪產(chǎn)生更高的流量。即使葉輪具有前掠葉片，葉輪也可以按各種方式構造。在本發(fā)明的另一實施例中，泵具有同步電動機。由于同步電動機的效率相對高(尤其是在低流量時)，所以這是一個優(yōu)勢。同步電動機以行頻率同步操作。轉速由電極對的數(shù)量和行頻率確定。同步電動機非常高效，因此通過使用同步電動機可以實現(xiàn)能耗率低的泵。在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，電動機在運行期間以恒定速度工作。這能夠通過使用同步電動機來實現(xiàn)。在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，泵是循環(huán)泵。循環(huán)泵可以是無壓蓋(濕操作器，wet-runner)泵。這個泵例如可用于高溫的家用熱水和空氣調(diào)節(jié)的應用。在根據(jù)本發(fā)明的另一實施例中，電動機是直接起動的永磁電動機。直接起動的永磁電動機基本上是具有固定磁化`度的同步電動機和異步電動機的組合體。在直接起動的永磁電動機中，沒有磁場繞組，而是使用永磁體以便提供必需的勵磁通量。沒有轉子繞組的同步電動機在不同步的速度時沒有凈轉矩。為了由穩(wěn)頻電源(例如電力網(wǎng))起動電動機，不得不在轉子中使用一些種類的起動繞組。在起動期間，在轉子繞組中感生電流。這些電流與定子磁通量場相互作用，以產(chǎn)生加速轉子的異步轉矩。當轉子的速度充分接近同步速度時，而且在負載轉矩和慣性不太高的條件下，轉子將被拉入同步。在轉子被同步后，異步轉矩消失，電動機充當同步電動機，只是轉子的磁化強度由永磁體供應而非由磁場繞組中的DC電流供應。在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，葉片呈弧形，并沿葉輪板的周邊對稱分布。通過該葉輪構造，可以產(chǎn)生大流量并實現(xiàn)期望的Q-H泵曲線，其中-Q-H曲線的第一部分是流量的上升函數(shù)；-Q-H曲線的末尾部分是流量的下降函數(shù)；以及-Href大于H。(其中，Href是對應最高液壓功率的水頭，而H。是在零流量時的水頭)。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例中，葉輪包括第一組葉片和第二組葉片，第一組葉片中的葉片比第二組葉片長，而且第一組葉片和第二組葉片沿葉輪板的周邊交替分布。由此，能夠實現(xiàn)具有期望屬性的Q-H曲線。在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，在(2/3)處，Href彡IV具有含這些屬性的Q-H曲線的泵消耗的能量將比現(xiàn)有技術的離心泵消耗的能量少得多。根據(jù)本發(fā)明還可以具有這樣的泵，其中在(3/5)處，Href ^凡。具有這樣的Q-H曲線的泵消耗的能量同樣將比現(xiàn)有技術的離心泵消耗的能量少得多。


從下文給出的詳細描述和只作為解釋給出并因此不限制本發(fā)明的附圖，本發(fā)明將能夠被更全面地理解，其中
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的Q-H曲線；圖2是現(xiàn)有技術的Q-H曲線；圖3a示出圖2所示的現(xiàn)有技術的Q-H曲線；圖3b示出具有圖3a所示的Q-H曲線的泵的功率-流量曲線；圖4a示出圖1所示的現(xiàn)有技術的Q-H曲線；圖4b示出具有圖4a所示的Q-H曲線的泵的功率-流量曲線；圖5是圖3a和圖4a中所示的功率-流量曲線的對比；圖6a示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的Q-H曲線；圖6b示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的Q-H曲線；圖7a示出不同的葉片角度的Q-H曲線的示意圖；圖7b示出三種不同葉輪的示意圖；以及圖8示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的葉輪。
具體實施例方式從下文給出的詳細描述，本發(fā)明的適用性的其它目的和進一步范圍將變得明顯。然而，應理解，在說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例時，詳細描述和具體示例僅作為示例給出，因為從該詳細描述中，權利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的各種改變和更改對于本領域技術人員而言將變得明顯。離心泵的泵吸性能通常表現(xiàn)為Q-H曲線的形式，該Q-H曲線描繪了作為泵的流量(例如以m3/h計量)的函數(shù)的水頭H(head H，通常以m計量)。Q-H曲線的斜率由泵的構造、具體地由葉輪的設計確定。大部分循環(huán)泵設有具有后掠葉片的葉輪。這種類型的葉輪產(chǎn)生的是水頭隨著流量增大而減小的Q-H曲線(見圖2)。液壓功率Ph由以下等式(I)給出(1) Ph=H g P Q其中H是水頭，g是重力，P是流體的密度，Q是流量。為了計算泵的液壓部分(泵殼和葉輪)的液壓效率nh，需要知道供應到泵的液壓部分的功率Pn以及泵傳遞到流體的功率Ph。這由以下等式(2)給出
(2) ηh=ph/pn
為了計算泵的總效率nt，需要知道供應到控制器(如果有的話)和電動機的總功率Pt以及泵傳遞到流體的功率Ph。這由以下等式(3)給出
(3) ηt=ph/pt泵的總效率由以下等式(4)給出(4) ηt=η 控制 η 電動機 ηh其中η 是控制器的效率，η是電動機的效率。泵的效率最高處的流量被稱為最佳點。
當按照Q-H曲線工作時，一般關注的是零流量時的水頭Htl和對應最高液壓功率Ph 的水頭HMf。這些點是泵的特性所在。在現(xiàn)有技術的離心泵的Q-H曲線上，Htl大于HMf，
而且H曲線通常是Q的下降函數(shù)。如果我們觀察現(xiàn)有技術的離心泵的功率-流量曲線，其功耗較高，在低流量時尤其如此。泵在大部分時間里都是在低流量區(qū)域里運行。因此，能耗較少的泵是有利的，在低流量區(qū)域里尤其如此。速度調(diào)節(jié)泵用于根據(jù)實際需要調(diào)整產(chǎn)生的壓力。速度調(diào)節(jié)需要調(diào)節(jié)電動機。在許多泵中，變頻器用于調(diào)節(jié)電動機的速度，然而，該方案昂貴且有技術要求。另一方面，許多不能調(diào)節(jié)的電動機效率低下。高效(尤其是在低負載下的高效)能夠通過使用直接起動的永磁電動機來實現(xiàn)。直接起動的永磁電動機典型地具有顯著的位置電感差(在D軸和Q軸的電感差)。這個差給出磁阻轉矩，使得電動機產(chǎn)生的總轉矩由回正轉矩(alignment torque)和磁阻轉矩的組合給出。通過調(diào)節(jié)液壓負載和具體應用的幾何構造，磁阻轉矩能夠用于增大電動機在較低負載下的效率(在最大負載下的效率稍微減小)。由此能夠降低能耗。將直接起動的電動機和具有Href大于Htl的Q-H曲線的泵進行組合可避免使用變頻器。高效泵可通過將直接起動的電動機和具有Href大于Htl的Q-H泵曲線的泵進行組合而實現(xiàn)。因此，本發(fā)明可以制成比現(xiàn)有技術的高效泵更便宜的高效泵。傳統(tǒng)上，不能調(diào)節(jié)的泵裝配有手動的速度轉換裝置(例如可設定三種不同速度的旋轉球形柄)。大多數(shù)泵制造商關注于生產(chǎn)具有不同調(diào)節(jié)曲線的泵。直接起動的電動機通常用于需要準確且恒定的速度的應用。一種這樣的應用的示例是傳送帶。如果泵設有直接起動的電動機，則沒有速度調(diào)節(jié)配件。因此，泵制造商為他們的泵提供其它類型的電動機。然而，本發(fā)明的泵裝配有直接起動的電動機。由此，與傳統(tǒng)的(尤其在較低負載下的)異步電動機相比，效率得以增大。為了解釋本發(fā)明的優(yōu)選實施例，下面詳細參照附圖，圖1中示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的Q-H曲線4。Q-H曲線4示出了作為流量(Q)6的函數(shù)的液壓頭(H)2 (在下文被稱為“水頭”)。從圖1中能夠看到，Q-H曲線4的第一部分8 (大約前2/3)具有正斜率。這意味著Q-H曲線4的第一部分8上升。此外，能夠看到，Q-H曲線4的后一部分10 (大約后1/3)具有負斜率。因此，Q-H曲線4的后一部分10下降。能夠看到，H,ef30大于Hq28(Href是對應最高液壓功率的水頭，H0是零流量時的水頭)。此外，指出了 Q-H曲線4的總體最大處24，而且能夠看到，(QH) ref向Q-H曲線4的總體最大處24的右側稍微偏離。圖2示出了現(xiàn)有技術的Q-H曲線4 (水頭2作為流量6的函數(shù))。能夠看到，水頭(H)2是流量(Q)6的下降函數(shù)。該Q-H曲線4對應于典型的離心式循環(huán)泵的Q-H曲線。能夠看到，H028大于Href30 (Href是對應最高液壓功率的水頭，H0是零流量時的水頭)。圖3a示出了圖2中所示的Q-H曲線4，圖3b示出了具有圖3a中所示的Q-H曲線4的現(xiàn)有技術的泵的對應的功率-流量曲線12 (功率(P) 14作為流量(Q) 16的函數(shù))。在圖3b中能夠看到，最大流量Q1(m22、與最大流量Q1(I(W22的25%相對應的流量Q25%16、與最大流量Q.22的50%相對應的流量Q5(W18、與最大流量Q.22的75%相對應的流量Q75%20在功率-流量曲線12上都位于較高處(所示的功率值16、18、20和22)。圖4a示出圖1所示的Q-H曲線4,圖4b示出具有圖4a中所示的Q-H曲線4的泵的功率-流量曲線12 (功率(P)14作為流量(Q)6的函數(shù))。在圖4b中能夠看到，與最大流量Q.22的25%相對應的流量Q25%16、與最大流量Q.22的50%相對應的流量Q5(W18、與最大流量Q1(l( 22的75%相對應的流量Q75%20都與較低功率值16、18、20關聯(lián)，不同于圖3b所示的現(xiàn)有技術的泵的曲線4的情況。圖5示出了圖3a和圖4a所示的功率-流量曲線的對比。從圖5中能夠看到，現(xiàn)有技術的功率-流量曲線38以及對應具有根據(jù)本發(fā)明的Q-H曲線4(圖4a所示)的泵的功率-流量曲線40兩者的最大流量Q1(I(W22’、22’ ’幾乎一致。如果我們觀察對應本發(fā)明的功率-流量曲線40，則能夠看到與最大流量Qlticw的25%相對應的流量Q25%16’ ’的功率值顯著地低于現(xiàn)有技術的流量Q25%16’的功率值。還能夠看到，與最大流量Qlticw的50%相對應的流量95( 18’’的功率值顯著地低于現(xiàn)有技術的流量05(|%18’的功率值。除此之外，與最大流量Qiqcw的75%相對應的流量Q75%20’’的功率值顯著地低于現(xiàn)有技術的流量Q75%20’的功率值。因此，根據(jù)本發(fā)明的泵將具有低能耗率。圖6a示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的Q-H曲線4。在Q-H曲線4中，水頭(H) 2相對于流量(Q)6進行繪制。Q-H曲線4的大約前2/3處8具有正斜率，因此Q-H曲線4的第一部分8上升。Q-H曲線4的大約后1/3處10具有負斜率，因此Q-H曲線4的后一部分10下降。Href30大于Hq28 (Href是對應于最高液壓功率的水頭，H。是在零流量時的水頭)。除此之外，Q-H曲線4的總體最大處24與(QH) ref26幾乎一致。圖6b示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的Q-H曲線4。該Q-H曲線4與圖6a中所示的Q-H曲線4大致相同，然而；該Q-H曲線4的總體最大處24與(QH) ref26相對于彼此錯開。(QH) ref26位于Q-H曲線4的總體最大處24的右側。圖7a示出了對于不同的葉片角度的理論Q-H曲線42、44、46的示意圖。在這些曲線42、44、46中，高度2相對于流量6進行繪制。在圖7b中示出葉片角度P，其代表葉輪的外周邊與葉片的外側之間的角度。圖7a示出后掠葉輪具有減小的理論Q-H曲線46。圖7a還示出前掠葉輪具有增大的理論Q-H曲線46。還能看到，葉輪的外周邊與葉片的外側之間的葉片角度P為90°的中性葉輪結構的理論Q-H曲線44是平的(水平)。
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術語前掠葉片的意思是角度P大于90°，其中角度P被定義為葉輪32的外周邊與葉片34的外側之間的角度。術語后掠葉片的意思是角度P小于90°。術語中性葉片34的意思是角度P等于90°。圖7b示出葉片角度P分別小于90°、等于90°和大于90°的三種不同葉輪32類型的示意圖。圖中示出了葉輪36的旋轉方向和葉片34。圖8示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的葉輪32。葉輪32包括第一組葉片34和第二組葉片35，其中第一組葉片34比第二組葉片35長，而且第一組葉片34和第二組葉片35沿葉輪板48的周邊交替分布。第一組葉片34包括十個葉片，第二組葉片35也包括十個葉片。當沿著葉輪32的轉向36觀察時，能夠看到因為葉輪32的外周邊與葉片34、35的外側之間的角度大于90°，第一組葉片34和第二組葉片都向前彎。圖9示出具有大量后掠葉輪34 (即，葉片相對于轉向36偏斜或彎曲)的典型葉輪32。如圖所示,轉向36為逆時針,轉速表示為w，還示出了葉輪32的半徑r。流體的絕對速度C由葉輪32的切向速度U與相對于葉輪32的相對速度W之和給出。這些速度C、U和W用箭頭指示。葉輪32的切向速度U的大小由半徑r與轉速Co的乘積給出(5) IUI =r Co葉片角度P小于90°。
圖10示出具有前掠葉片34 (即，葉片沿轉向36偏斜)的葉輪32。如圖所示，轉向36為逆時針，與圖9中相同。C沿切平面的投影Cu被示出，并能夠看到該前掠葉輪具有以下特性(6) Cu > U附圖標記清單2液壓頭4Q-H 曲線6流量8Q-H曲線的第一部分10Q-H曲線的末尾部分12功率-流量曲線14功率16，16，，16，，，Q25st18，18，，18”Q50*20，20，，20，，Q75%22，22，，22”Q100%24Q-H曲線的總體最大處26(QH)ref 對應 Ph,最大28H030Href32葉輪34葉片35葉片36轉向38功率曲線40功率曲線42理論Q-H曲線44理論Q-H曲線46理論Q-H曲線β葉輪的外周邊與葉片的外側之間的角度48葉輪板
權利要求
1.一種離心式循環(huán)泵,具有至少一個葉輪(32)、一泵殼和一電動機,所述泵具有Q-H曲線(4)，所述Q-H曲線(4)具有零流量時的水頭Htl (28)和對應最高液壓功率的水頭Href(30)，其特征在于，Href (30)大于 Htl (28)。
2.根據(jù)權利要求1所述的離心泵，其特征在于，所述至少一個葉輪(32)包括成形為使得 Href (30)大于 Htl (28)的葉片(34)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的離心泵，其特征在于，所述Q-H曲線(4)的第一部分(8)是流量(6)的上升函數(shù)。
4.根據(jù)前述權利要求之一所述的離心泵，其特征在于，所述Q-H曲線(4)的末尾部分(10)是流量(6)的下降函數(shù)。
5.根據(jù)前述權利要求之一所述的離心泵，其特征在于，所述泵殼和/或所述葉輪(32)被構造為引起流量限制，該流量限制使得作為流量(6)的函數(shù)的所述Q-H曲線(4)的末端部分(10)下降。
6.根據(jù)前述權利要求之一所述的離心泵，其特征在于，所述葉輪(32)具有前掠葉片(34)。
7.根據(jù)前述權利要求之一所述的離心泵，其特征在于，所述電動機是同步電動機。
8.根據(jù)前述權利要求之一所述的離心泵，其特征在于，所述離心泵是濕操作器式的泵。
9.根據(jù)前述權利要求之一所述的離心泵，其特征在于，所述電動機是直接起動的永磁電動機。
10.根據(jù)前述權利要求之一所述的離心泵，其特征在于，所述葉片(34)呈弧形，并沿葉輪板(48)的周邊對稱分布。
11.根據(jù)前述權利要求之一所述的離心泵，其特征在于，所述葉輪(32)包括第一組葉片(34)和第二組葉片(35)，所述第一組葉片(34)比第二組葉片(35)長，所述第一組葉片(34)和所述第二組葉片(35)沿所述葉輪板(48)的周邊交替分布。
12.根據(jù)前述權利要求之一所述的離心泵，其特征在于，在(2/3)處H&彡H0,優(yōu)選(3/5)處 Href ≥ H0。
全文摘要
一種離心泵，具有至少一個葉輪(32)、泵殼和電動機。泵具有Q-H泵曲線(4)，該曲線具有零流量時的水頭H0(28)和對應最高液壓功率的水頭Href(30)，且Href(30)大于H0(28)。泵的能耗率低，對應于泵在大多數(shù)時間里的運行狀態(tài)的低流量時尤其如此。因此，根據(jù)本發(fā)明的泵比現(xiàn)有技術的離心泵能耗更低。
文檔編號F04D29/24GK103069171SQ201180040484
公開日2013年4月24日 申請日期2011年7月11日 優(yōu)先權日2010年8月21日
發(fā)明者斯文·拉斯穆森, 特勒爾斯·杰普森, 皮亞·斯滕霍爾特·勞爾森, 芬·詹森 申請人:格倫德福斯管理聯(lián)合股份公司