一种模块化一体式低噪声离心泵及其设计方法与流程

1.本发明涉及流体机械领域，具体涉及一种模块化一体式低噪声离心泵及其设计方法。


背景技术：

2.现有常规电机驱动离心泵，其电机采用交流异步电机或永磁同步电机，电机长径比较大，电机转子与泵转子共轴或通过联轴器联接。
3.采用常规共轴设计时，泵转子无独立轴承，与电机共用轴承，叶轮为悬臂结构，泵内流动激励作用在叶轮转子上，若叶轮级数较多，较长的泵轴悬臂结构，加剧叶轮流体激励产生的振动响应，给泵减振降噪带来较大困难。
4.若采用联轴器联接的分轴设计，虽可避免叶轮转子悬臂带来的振动加剧问题，但为降低泵的振动噪声，对电机轴和泵轴的对中要求较高，增加了泵装配的难度。
5.此外，常规的离心泵电机壳体与泵壳体、电机转子与泵转子独立进行设计，分别加工装配后进行整体安装和调试。在对减振降噪要求较高的场合，因为无法对转子系统和结构一体化设计和分析，缺乏整体的减振降噪措施的应用与实现。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明提出一种模块化一体式低噪声离心泵及其设计方法，电机与泵转子系统一体化设计，叶轮采用面对面布置的偶数级叶轮，电机采用盘式电机等高能量密度的扁平型电机，将轴承布置在叶轮转子两侧，并将扁平型电机悬臂布置在泵转子的一端或两端，无需额外的轴承支撑，可有效提高泵转子刚度，并避免双轴的对中问题，整体运行更加平稳可靠，有效降低了泵的振动噪声。电机与泵体壳体一体化分析设计，从整体提高其结构刚度，同样有利于泵的减振降噪。
7.本发明的具体技术方案如下：
8.一种模块化一体式低噪声离心泵，该离心泵包括泵体、泵轴、叶轮和驱动电机；
9.所述叶轮为偶数级叶轮，位于所述泵轴两端的一对滚动轴承之间；
10.从减振降噪的设计目标出发，偶数级叶轮面对面对称布置在所述泵轴上，从而平衡轴向力，降低轴承轴向载荷，并减少转子的轴向窜动；
11.所述驱动电机为扁平型电机，所述驱动电机的转子悬臂安装在所述泵轴的端部，所述驱动电机与所述叶轮共轴，且与所述叶轮共用同一对滚动轴承。
12.进一步地，所述驱动电机为两个，所述驱动电机的转子分别悬臂安装在所述泵轴的两端，从而改善单个悬臂电机的不对称性。
13.进一步地，所述离心泵还包括位于转轴中部的中间口环以及与每级叶轮进口配合的叶轮口环。
14.进一步地，所述离心泵还包括位于所述叶轮出口处的导叶。
15.进一步地，所述离心泵还包括蜗壳、上机械密封和下机械密封，所述蜗壳位于末级
叶轮和上泵盖之间，所述上机械密封和下机械密封分别位于所述泵轴两端的叶轮和滚动轴承之间，用于离心泵输送介质的密封；所述离心泵在上下两端还设置有上泵盖和下泵盖。这样的设计，使得所述电机与泵头共用壳体与上下泵盖，结构整体性较好。
16.进一步地，所述泵体的入水口和出水口均位于所述泵体的侧面。
17.一种模块化一体式低噪声离心泵的设计方法，该方法包括如下步骤：
18.(1)基于给定的额定流量和扬程，通过初步水力设计，确定设计转速和级数，进而估算出泵的轴功率；
19.(2)进行水力部件的优化设计，基于得到的转速和轴功率同步进行电机电磁设计；
20.(3)通过理论与数值计算分析，得到水力部件的流体激励特征频率和电磁激励特征频率，作为后续一体化泵壳体和轴系设计的输入条件；
21.(4)借助结构模态分析，进行电机与泵体壳体一体化分析设计，从而整体提高其结构刚度；
22.(5)借助转子动力学分析，进行叶轮转子与电机转子系统的轴系设计，从整体上考虑提高转子系统的刚度；
23.(6)绘制图纸，完成设计。
24.本发明的有益效果如下：
25.(1)本发明的电机采用扁平型电机，并将轴承布置在叶轮转子两侧，并将扁平型电机悬臂布置在泵转子的一端，无需额外的轴承支撑，可有效提高泵转子刚度，并避免双轴的对中问题，整体运行更加平稳可靠，有效降低了泵的振动噪声。
26.(2)本发明的离心泵采用偶数级数的叶轮，相对于单级叶轮，可有效增加轴承跨距，提高电机悬臂布置的刚度；偶数级叶轮布置可有效平衡轴向力，降低轴承轴向负载，从而降低轴承自身振动噪声；偶数级数面对面布置的叶轮，两侧叶轮轴向力指向内侧，泵运行时叶轮转子始终处于压紧状态，可减小叶轮转子的轴向窜动，有利于减振降噪。
27.(3)偶数级面对面布置的叶轮结构，可较为方便的增加叶轮级数，而不对泵结构产生较大影响，可模块化地增加叶轮级数，从而提高泵的扬程，同时结构紧凑。
28.(4)传统的结构往往把泵和电机割裂开来，泵设计完成后进行电机选型，这样的方式对于振动噪声要求多的应用场合有较多不足。本发明从泵与电机一体化的思路出发，通过对泵与电机的转子和壳体一体化同步设计，可从整体考虑泵的减振降噪措施。本发明的一体化结构，除泵轴与电机轴的一体化，还包括泵体的一体化。由于泵壳体与电机壳体为一整体结构，在结构设计时可以整体考虑结构刚度，从而有利于泵结构的减振降噪。
附图说明
29.图1为实施例1的两级一体化离心泵的结构示意图；
30.图2为两级一体化离心泵的转子系统示意图；
31.图3为四级一体化离心泵的结构示意图；
32.图4为双级双电机一体化离心泵示意图；
33.图5为双级双电机一体化离心泵转子系统示意图；
34.图6为双级双电机轴承外置一体化离心泵示意图；
35.图7为双级双电机轴承外置一体化离心泵转子系统示意图；
36.图8为本发明的模块化一体式低噪声离心泵的设计流程图。
37.图中，1
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首级叶轮、2
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泵轴、3
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首级导叶、4
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泵体、5
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泵入口、6
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次级叶轮、7
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蜗壳、8
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电机、9
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上泵盖、10
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上轴承、11
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上轴承座、12
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上机械密封、13
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泵出口、14
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中间口环、15
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下机械密封、16
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下泵盖、17
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下轴承、18
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下轴承座、19
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下轴承端盖、20
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首级口环、21
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次级口环、22
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三级叶轮、23
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四级叶轮、24
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三级导叶、25
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四级导叶、26
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下电机、27
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下电机盖。
具体实施方式
38.下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
39.作为其中一种实施方式，如图1所示，离心泵为两级一体化离心泵，该离心泵包括首级叶轮1、泵轴2、首级导叶3、泵体4、泵入口5、次级叶轮6、蜗壳7、上驱动电机8、上泵盖9、上轴承10、上轴承座11、上机械密封12、泵出口13、中间口环14、下机械密封15、下泵盖16、下轴承17、下轴承座18、下轴承端盖19、首级叶轮口环20、次级叶轮口环21。
40.首级叶轮1和次级叶轮6面对面对称布置于泵轴2两端，首级导叶3布置在首级叶轮1出口处，且位于下泵盖16和泵体4之间。蜗壳7位于次级叶轮6和上泵盖9之间，流体从泵入口5吸入，经首级叶轮1做功后，通过首级导叶3导流至次级叶轮6做功，最后经蜗壳7扩压后从泵出口13流出。上驱动电机8可为盘式电机或者其他扁平型电机，其转子安装于泵轴2顶端，如图2所示，电子转子与首级叶轮1和次级叶轮6共用同一对滚动轴承。该对滚动轴承包括上轴承10与下轴承17，轴承分别安装于上轴承座11和下轴承座18内。上机械密封12和下机械密封15分别位于泵轴2两端的次级叶轮6和首级叶轮1与对应的滚动轴承之间，用于离心泵输送介质的密封。泵上下两端分别设置上泵盖9和下轴承盖19。这样的设计，使得所述电机与泵头共用壳体与上下泵盖，结构整体性较好。
41.多级离心泵转子结构对泵的振动有显著的影响，在图2所示的转子系统中，决定转子刚度的主要部件为首级叶轮口环20、次级叶轮口环21和中间口环14。中间口环14套设在泵轴2的中部，首级叶轮口环20、次级叶轮口环21分别套设在首级叶轮1和次级叶轮6的进口处，首级叶轮口环20、次级叶轮口环21和中间口环14内存在一定厚度的液膜，且两侧有一定的压差，其间隙和长度需要合理、充分的设计计算，以提高液膜支撑的刚度，降低由转子系统导致的泵振动噪声。
42.作为另外一个实施例，由于本发明的离心泵结构中电机和叶轮采用共轴设计，增加叶轮级数对泵体结构影响较小，可以实现模块化设计，匹配不同扬程需求，如图3所示，仅需增加三级叶轮22、四级叶轮23、三级导叶24和四级导叶25，即可实现泵扬程倍增，各级叶轮、导叶具有一定的通用性。
43.作为另外一个实施例，为了改善顶端悬臂电机的不对称性，并减少单个电机转子的质量和转动惯量，可将实施例一中的电机设计为双电机驱动，如图4所示，在泵的上下两侧分别布置上驱动电机8和下驱动电机26。采用双电机结构可提高一体化泵的对称性，并有利于转子的减振设计。图5为该结构下转子结构示意图。当设计为双电机驱动时，该离心泵可将下轴承盖19去除，增加下电机盖27，与上部对称，起到支撑和密封下驱动电机26的作用。
44.作为再一个实施例，为提高转子刚性，可将轴承置于轴系最外端，如图6所示，在泵
的上驱动电机8和下驱动电机26外侧分别布置上轴承10与下轴承17，图7为该结构下转子结构示意图。上述设计将电机与泵的转子部件均置于轴承之间，更有利于提高转子的刚性，降低振动。
45.另外，本发明的离心泵的泵入口5和泵出口13均采用侧进侧出布置，即使在多级泵的情况下，也不会增加泵的体积，达到结构紧凑的效果。
46.本发明将泵与电机一体化设计，其设计流程也有别于传统的离心泵，如图8所示，本发明的模块化一体式低噪声离心泵的设计流程描述如下：
47.基于给定的额定流量和扬程，通过初步水力设计，确定设计转速和级数，进而估算出泵的轴功率。接着开展水力部件的优化设计，基于得到的转速和轴功率参数同步开展电机电磁设计。通过理论与数值计算分析，得到水力部件的流体激励特征频率和电磁激励特征频率，作为后续一体化泵壳体和轴系设计的输入条件。为实现低振动设计，在一体化泵壳体结构设计时，借助结构模态分析的手段，开展电机与泵体壳体一体化分析设计，从整体提高其结构刚度，有利于泵的减振降噪，同时，借助转子动力学分析的手段，开展叶轮转子与电机转子系统的轴系设计，从整体上考虑提高转子系统的刚度，降低转子振动激励。最后，绘制一体化泵工程图，完成设计。
48.本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。