评估和控制转子动力泵中的泄漏限制装置的调节需求的自监测系统

摘要

提供了一种自监测调节系统，用于评估和实现转子动力泵的转动元件和非转动元件之间的泄漏限制机构的调节，以限制泄漏和在泵的转动元件和非转动元件之间建立所期望的间隙尺寸。调节系统被构造成是自监测的，用以确定依据泵的状况何时准许对泄漏限制机构进行调节，并且被构造有可响应于监测的泵状况而进行自调节的调节机构，但也能进行人工调节。

说明书

技术领域

本发明涉及转子动力泵，并且具体而言涉及控制和自动化调节装置的装置，其中调节装置用于限制流体再循环和减少转子动力泵，尤其是适于处理浆的那些泵和被构造有或者能被构造有被设计为泄漏限制装置的可调节的耐磨部件的那些泵的转动和非转动流体处理元件之间的磨损。

背景技术

转子动力泵，例如离心泵，是广为人知的，并且用于多种类型的工业中泵送液体并用于多种应用。这种泵大体上包括安放在具有流体入口和流体出口、或排出口的泵外壳(非转动元件)之内的叶轮(转动元件)。典型地，该叶轮由在外壳外面的马达驱动。叶轮被设置在外壳之内使得进入外壳的入口的流体被输送到叶轮中心，或者叶轮孔眼(eye)。叶轮的转动作用于流体，主要通过叶轮叶片的动力作用来实施，其与离心力相结合，将流体移动到外壳的周边区域用于从出口排出。

叶片的动力作用，与由叶轮转动产生的离心力相结合，在泵之内产生压力梯度。在叶轮孔眼附近形成低压力区域，并且在叶轮的外直径处和外壳的蜗壳部分中产生高压力区域。从较高压力到较低压力的压力变化的区域，存在于位于转动和非转动部件之间的径向延伸的间隙中。泵之内的压差导致流体通过高压力和低压力区域之间的径向间隙再循环。这种流体再循环，典型的特征在于泄漏，导致泵性能的随之发生的损失，并在流体中存在固体颗粒时导致磨损的显著增加。

因此，泵被构造有各种泄漏限制装置，包括在叶轮的驱动侧上的泄漏限制装置以防止或限制外部泄漏，还包括在叶轮的入口或吸入侧上的泄漏限制装置以防止或限制内部再循环泄漏。已经开发了泵泄漏限制或密封机构，其中侧内衬，或耐磨板，被放置成与泵的叶轮轴向并置。侧内衬，通常相应于泵的吸入侧和驱动侧，被设置成邻接泵外壳，并且在一些构造中可以被栓接到泵外壳。在其它构造中，侧内衬被安装在泵外壳附近，使得侧内衬相对于叶轮的轴向位置是可调节的。

侧内衬可以是金属、陶瓷或弹性体材料，或者是这些材料的组合，并且提供简化的结构以方便泵的修理或维护。用弹性密封件构造侧内衬以允许整个吸入侧或驱动侧有可调节能力，已经证明对于延长内衬的磨损期限是有利的。此外，在重型浆应用中，与仅仅对密封耐磨环进行调节相比，侧内衬有利地延长了吸入侧密封面的使用寿命。(Hill的专利5,941,536)。

转动和非转动构件之间的径向延伸间隙，或基本上径向延伸的渐缩间隙，不致于总是被固体滞留并且通常被用在浆泵(slurry pump)中。然而，泄漏限制装置被广泛地用在转动和非转动元件之间的径向间隙中，无论在驱动侧上还是在吸入侧上，以进一步限制泄漏和固体滞留。例如，Addie等人的已公开的公开号为2004/0136825的美国专利申请，披露了在泵外壳上或在叶轮上的固定突出部，以在叶轮和泵外壳之间提供泄漏限制装置。如果不存在调节装置以补偿磨损，这些限制构造在使用中可能遭受性能的衰退。通常在转动和非转动元件之间延伸的密封环、耐磨环，也被用作泄漏限制装置。

调节密封环和侧内衬的方法是已知的，并且被用在转子动力泵中。例如，Addie等人的美国专利US4,527,948描述了一种人工调节密封件以接触叶轮的方法。Blattmann的美国专利US5,971,704类似于专利US4,527,948，它披露了使用带螺纹的推动螺栓朝着叶轮人工调节小密封环到固定间隙。这些密封装置朝着叶轮的表面推动耐磨环。这种调节系统依靠机构的人工调节。在密封件的人工调节之后，存在一时间段，在该时间段内在转动和非转动元件之间存在强制性的接触，但是当元件磨损时，两个部件之间的间隙变大。部件之间的不可控的或不可监测的间隙可能造成泄漏，这种泄露加速磨损。此外，转动和非转动元件之间的间隙将逐渐变大，直到进行进一步的调节。

Addie的美国专利US6,739,829披露了一种定位在叶轮和泵外壳之间的可调节的、不固定的环元件，其也被构造有接收和分布冷却和冲洗流体到叶轮和泵外壳之间的间隙中的装置。泄漏限制环依靠水来冲洗泄漏限制机构和提供力以维持它接近叶轮。所需的冲洗系统必需能在不高到足以损坏密封件、但是高到足以克服泵中的内部压力的压力下将清洁液体始终一致地供给到密封机构。冲洗系统中所需要的压力的程度取决于应用和泵。

Soja的美国专利US6,599,086描述了一种用于转子动力泵的可调节的耐磨板。所披露的耐磨板也使用人工调节机构以定位整个侧内衬。

现有的用于密封装置和侧内衬的调节机构在此之前一直明确地旨在提供人工调节装置。结果是，这种装置仍可能是易损坏的，从而导致过分调节和/或缺少足够的调节，这可能导致不期望的流体再循环，或者泄漏，以及泵的转动和固定元件之间的磨损。而且，冲洗水不总是可用于或可应用于给定应用。进一步地，由于应用的变化，通过人工调节装置可能不能精确地控制密封元件或泄漏限制机构的相对位置。

这样，在本领域中，提供一种装置来实现与泵的转动和非转动元件之间的径向间隙相关的泄漏限制机构的自动调节，从而控制泄漏和磨损，因此改善元件的寿命和泵的性能，将是有利的。提供监测机构，凭借其能响应于探测到的需求来自动地进行调节，从而实现用于达到转动和非转动元件之间的优选间隙的调节也将是有利的。在转子动力泵中提供指示泵之内的一个或多个状况使得能实现人工调节的传感器装置也将是有利的。

发明内容

依照本发明，提供了一种自动调节系统，用以实现泵的转动和非转动元件之间的泄漏限制机构的调节，从而限制泄漏和在泵的转动和非转动元件之间建立所期望的间隙尺寸。自动调节系统被构造成是可自监测的，以便确定泵的状况何时准许对泄漏限制机构进行调节，并且被构造有可响应于所监测的泵的状况而进行自调节的调节机构。本文中主要针对用在浆类离心泵中以减少磨损的情况来描述自动调节系统，但是该自动调节系统可以适于用在任何转子动力泵中，并会导致提高了泵性能。

在本发明的进一步的实施方式中，在泵中或在接近泵处提供传感器或监测装置，使得泵的一个或多个状况能由该装置监测，并且指示器或其它警报装置将告知状况，使得能对泵的调节机构进行人工调节，从而在转动和非转动元件之间提供优选间隙。同时，这个实施方式不提供调节非转动元件的自动装置，但是，提供允许人工调节的探测和或监测装置在本发明的范围之内。

在本文中使用时，“转动元件”指叶轮或类似结构，例如转子，其被驱动并且典型地被收纳在泵的外壳之内。在本文中使用时，“非转动元件”指被定位成邻近转动元件的任何固定结构或多个固定结构，并且该“非转动元件”与转动元件并置，在它们之间产生间隙，由于压差，典型地通过该间隙发生流体再循环、或泄漏。最典型地，非转动元件可以是泄漏限制机构，侧内衬或泵外壳的一部分。

本发明的自动调节系统大体上包括至少一个传感器或探测机构、至少一个调节装置和控制系统，控制系统与传感器或探测机构以及调节装置相连通，用以实现对泄漏限制机构的适当调节，从而更有效地阻止流体再循环和磨损。

传感器或探测机构，其中有至少一个，被定位成接近泵的元件，从而监测一个或多个将指示需要对存在于转动和非转动元件之间的间隙进行调节的状况。传感器或探测装置可以被定位在泵之内或泵的外侧。

传感器或探测机构可以是能确定转动和非转动元件之间的接触的任何合适的装置，和/或能确定指示需要实现转动和非转动元件之间的间隙的调节的一个或多个状况的任何合适的装置。这种状况可以包括，但不限于，可测量的存在于转动和非转动元件之间的距离的尺寸，在间隙处或间隙附近的压力或压差的存在，对转动元件进行转动所需要的力的量，或者致动所述调节所需要的力的量。

传感器或探测机构的例子(在这里这些术语可以互换使用)是确定转动和非转动元件之间的间隙的尺寸的邻近传感器，能探测指示转动和非转动元件之间的接触的振动水平变化量的振动传感器，能确定进行转动和非转动元件之间的调节所需要的力的量的某些变化的力传感器，和能探测指示转动和非转动元件之间的接触状况的转动元件的扭矩变化量的扭矩传感器。另一合适的传感器或探测机构将是探测由转动元件的驱动马达流出的安培(电流)的增加的传感器或探测机构，其中安培(电流)的增加指示转动和非转动元件之间的接触。

本发明的调节装置，其有至少一个并且最典型地有多个调节装置，是能以调节存在于非转动元件和转动元件之间的间隙的方式实现非转动元件相对于转动元件的移动的任何结构，其中通过该间隙发生流体再循环或泄漏。代表类型的调节装置是包括例如螺纹杆的构件的调节装置，该构件具有与可移动的非转动元件接触的第一端和被构造有致动机构的第二端。致动机构的操作使得螺纹杆移动靠在非转动元件上，从而实现非转动元件在转动元件的方向上的移动。任何类型或构造的调节装置均能被用在被发明中，其能响应于调节装置发出的启动信号执行非转动元件所需要的移动。

调节装置的致动机构可以是使得调节装置移动靠在非转动元件上的任何种类或类型的装置。例如，致动机构可以是液压的、气动的或一些其它的机械手段。

调节装置的致动机构进一步被构造成与控制系统相连通，该控制系统向致动机构发出信号以响应于所探测的泵中的或泵的状况操作。在这点上，能用致动装置改进现有泵上的现有调节装置，并且传感器机构能被相对于泵和控制系统定位，以用本发明的自动调节系统装备本领域中的现有泵。

控制系统，如同所指出的那样，与一个或多个传感器装置以及各调节装置的致动机构相连通。控制系统是这样一种控制系统，其能从探测或传感器装置接收数据、处理那些数据并且向各调节装置的致动机构发出信号，从而响应于对泵之内的状况的探测来操作。这样，控制系统可以具有能实现这些步骤的中心数据库。

进一步地，可以为控制系统的数据库提供合适的软件和硬件，该软件和硬件用于确定进行调节的合适的间隔，从而提供与给定泵的状况或操作相一致的预先调节。控制系统甚至可以具有存储能力，这种存储能力使得能够确定能最初设定转动和非转动元件之间的距离的实际或潜在的操作前状况。这种数据将充当基线，通过该基线可以建立转动和非转动元件的相对位置，其后是通过用由传感器装置监测的泵状况来确定合适的调节。

控制系统也可以被编程有最优缝隙或间隙尺寸数据，使得如果探测到转动和非转动元件之间的接触，能给致动机构发出信号以实现非转动元件相对于转动元件的相反移动，或“后退”。

控制系统也可以具有存储先前的调节数据和时间以确定部件的磨损率的能力。所计算的磨损率然后可以被用来确定预计的磨损率并且启动调节序列，从而在不接触的情况下维持转动和非转动部件之间的连续的或几乎连续的相对位置。周期性地，可以启动接触序列，其将允许更新磨损率。可选地，可以确定来自一个或多个位置传感器的信号，其与调节元件的相对位置相关。这个信号然后将被用来确定和预计上面所提及的磨损率。

附图说明

在附图中，其目前示出了执行本发明的最优模型：

图1是离心泵的侧正视图，示意性地示出了本发明的基本外部部件；

图2是离心泵的等轴测图，示出了泵的入口侧并且示出了多个调节装置的致动机构部分和各种传感器的布置；

图3是排浆泵的湿端的横截面的放大图，示出了本发明的内部元件；

图4是泵的横截面的局部视图，示出了振动传感器的定位；

图5是泵的横截面的局部视图，示出了用于与可调节的耐磨环一起使用的本发明的可选实施方式；

图6是流程图，示意性地示出了本发明的调节装置的致动次序；和

图7是流程图，示意性地示出了确定泵中的预先调节的方法。

具体实施方式

在附图中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。图1示出了本发明所包括的安装在转子动力泵12中的自动调节系统10。转子动力泵12大体上包括具有流体入口16和用于排放的流体出口18的泵外壳14。泵12进一步包括用于驱动泵的转动元件的驱动机构20，并且通过轴承组件22定位驱动机构20，泵外壳14以已知的方式固定到轴承组件22。

本发明的自动调节系统10大体上包括至少一个传感器或探测(detect)机构30(为了示例性的目的示出了多个不同的传感器或探测机构)，至少一个调节装置32和控制系统34。本发明优选为可以包括多个调节装置32，如同在图2中更清楚地示出的那样，这些调节装置32可以，例如，被定位成围绕着泵12的流体入口16。各调节装置32被示为被用导线连接到控制系统34，下面将进一步解释这些。

参考图3，示出了泵12的内部情况，能看到，叶轮36以传统方式被定位在泵12的泵外壳14之内，并被连接到驱动机构20用以在泵外壳14之内转动。叶轮36可以是任何类型或构造，但在这里它被示为具有至少一个定位在分别对应于泵的吸入侧和驱动侧的前罩盖(shroud)40和后罩盖42之间的叶片38。叶轮36可以，如这里那样，具有定位在前罩盖40上的排风(expelling)叶片44和定位在后罩盖42上的排风叶片46。排风叶片可以不总是存在的，并且叶轮的类型或构造可随应用和泵的类型而发生很大改变。

泵12的泵外壳14在它的结构和配置方面可以发生很大的变化。仅仅作为例子，所示的泵12具有这样的泵外壳14，即，该泵外壳14包括驱动侧外壳50和分离的前或吸入侧外壳52，前或吸入侧外壳52通过螺栓54固定到驱动侧外壳50。吸入侧外壳52被构造有分离的吸入盖56，吸入盖56通过螺栓58固定到吸入侧外壳52。在所示的特定构造中，泵外壳14进一步包括分离的内衬件，包括驱动侧外壳内衬60和吸入侧外壳内衬62，这些内衬件都被设计为耐磨部件。泵12可以具有多件式驱动侧外壳(举例来说，类似于吸入侧外壳52和盖56的驱动侧盖(未示出))。

在所示的泵构造中，驱动侧外壳内衬60被定位在驱动侧外壳50之内，并且被栓接到位。吸入侧外壳内衬62被定位在吸入侧外壳52之内，并且被栓接到位。分离的、非转动吸入侧内衬64被定位在吸入侧外壳内衬62之内，并且被定位成邻近叶轮36的吸入侧。增强板66被定位成邻近吸入侧内衬64。由于它的构造，吸入侧内衬64和增强板66可以合起来被称作吸入侧内衬组件，如美国专利US5,591,536中更充分地描述的那样，该专利披露的内容以引用的方式被结合到本文中。类似于吸入侧，泵12可以被构造有被定位成邻近叶轮36的驱动侧的驱动侧内衬68，并且增强板70可以被定位靠在驱动侧内衬68上以形成驱动侧内衬组件。

这里将相对于泵12的吸入侧描述本发明的调节装置的代表性结构和定位，吸入侧固有地是自动调节系统应被定位的地方。然而，本发明的自动调节系统可以进一步包括连同驱动侧内衬组件一起定位在泵的驱动侧上的调节装置，这种调节方式以与为泵的吸入侧所描述的相同的方式被定位。

从图3能看到，邻近叶轮36的吸入侧的吸入侧内衬64的安置方式形成间隙72，在各种前面描述的状况下，流体能通过该间隙72再循环，或泄漏。期望通过在吸入侧内衬64和叶轮36之间维持合适的紧公差(close tolerance)限制这种泄漏。这样，吸入侧组件被构造成是可在朝着叶轮的方向上轴向移动的，以维持合适的间隙72轴向尺寸，从而限制泄漏和磨损。

为了那个目的，本发明包括调节装置32，其具有被固定到吸入侧内衬组件的增强板66的第一端76。调节装置32具有包括致动机构80的第二端78。

如图1、2和3中所示，致动机构80例如如这里所示那样通过电线82，与本发明的控制系统34电连通。然而，致动机构80可以与控制系统34无线连通。如图3中更清楚地示出的那样，调节装置32，可以包括固定到增强板66的杆86，杆86是可响应于致动机构80的驱动而移动的。致动机构80可以是任何合适的结构或装置，例如伺服装置，并且可以机电方式、液压方式或气动方式来操作，或者以这些方式的任意组合方式来操作。也就是说，动力致动机构80可以是将电能或流体能转变成所期望的机械运动以实现调节装置32的移动的任何装置。

各调节装置32的致动机构80是与控制系统34的中央处理器(CPU)连通的，在图1中用90示意性地示出了该中央处理器，控制系统34能响应于从至少一个传感器机构30接收的信息向调节装置32发送信号。这样，CPU90也与传感器机构30以有线或无线方式相连通，以收集数据用以处理。控制系统34还包括数据存储和处理能力，如同在图1中由92指示的那样，用于计算和存储关于最优间隙尺寸、调节间隔和泄漏限制机构中的，举例来说，吸入侧内衬64的磨损的监测方案的信息。

在本发明的可选实施方式中，传感器机构30以有线或无线的方式与控制系统34、例如CPU 90连通，并且向控制系统34发送数据。控制系统34被构造有警报器88或者等同装置，其提供在泵的转动和非转动元件之间需要进行调节的泵状况的指示。响应于警报器88提供的通知，能如同所描述的那样地实现手动调节。

本发明的传感器或探测机构30可以是能监测和探测泵中的状况的任何合适的装置，通过其能对吸入侧内衬组件的调节的起动进行确定，和/或自动地或手动地发出已经消除了间隙的调节序列的信号。图1和2在单个图中示出了多种这样的传感器机构30。第一种类型的传感器机构30可以是线性位移传感器94，其被定位成穿过泵外壳并且接近叶轮36，以探测叶轮36和吸入侧内衬64相对于彼此的线性、或轴向移动。线性位移传感器94因此能探测是这些元件之间的间隙72大到足以准许吸入侧内衬64的调节，还是间隙被消除因此结束调节。

在图1、图2和图4中所示的另一类型的传感器机构30是振动传感器96，其探测泵或泵部件的振动水平。叶轮36和吸入侧内衬64之间的接触改变这些振动水平，因此能确定那两个元件是否彼此接触。取决于泄漏限制装置的设计，这个信息可以发起调节序列，或者可以指示而不是由另一因素发起的调节序列已经消除了间隙。通过图4能看到，振动传感器96被定位成紧邻增强板66。

第三种类型的传感器机构30在图1中被示为扭矩传感器98，其被定位在驱动机构20上。扭矩传感器98能确定转动叶轮36所需要的扭矩的变化，其继而指示叶轮36和吸入侧内衬64之间是否接触，使得调节是合适的或者调节序列已经消除了间隙。扭矩传感器100也可以被定位在调节装置32上或附近，如图1中示意性描述的那样。

第四种类型的传感器机构30在图1中被示意性地描述为与泵的驱动马达104相关的安培表102或探测器。探测到马达104中所需要的安培增加能指示泵的转动和非转动元件之间发生接触。

这些传感器机构或装置中的任何一种或组合，以及任何其它合适的传感器机构或装置，可以被用来监测和确定泵的或泵之内的某些状况，这些状况为准许非转动元件(也就是，吸入侧内衬)相对于转动元件(也就是，叶轮)的调节或者指示调节序列已经消除了间隙。

本发明的传感器或探测机构，当被用在为调节装置32提供自动调节的模式中时，是与控制系统34以电气方式、机械方式或机电方式连通的。例如，这可以通过在传感器机构30(举例来说，振动传感器96)和控制系统34之间提供导线106来实现。

图5示出了本发明的可选实施方式，其中非转动元件是泄漏限制环或耐磨环108，泄漏限制环或耐磨环108被定位在非转动、不可调节侧内衬110和叶轮36之间靠近叶轮36的孔眼。调节装置32被定位成通过泵外壳54并且与耐磨环108相接触。调节装置32的致动机构80被定位在泵12的外面，并且与控制系统(未示出)相连通。传感器机构30，诸如，振动传感器96，被示为接近调节装置32，并且被如前所述那样地定位用以探测状况，例如泵的转动和/或非转动元件的增大的振动。尽管示出了振动传感器96，如前所述那样，可以使用任何其它传感器机构30，包括应变片。

图6包括示意性的流程图，其大体上描述了从传感器机构和调节装置收集的数据能被如何处理和存储以提供系统中的自动调节和监测，如同前面所描述的那样。图7是如何预先调节的示意性的流程图，例如可以基于计算的磨损率，可以被确定以实现调节装置的连续的或周期性的自调节。在图6和7的示意性的流程图中，数值X和Y表示所选择的时间段，其中X典型地可以大于Y，并且数值或时间段可以基于使用泵的特定应用。

本发明的自监测和调节系统可以被安装在或者适于用在任何类型的转子动力泵中，并且本发明的系统可以被改进成适合现有泵。这样，这里所描述的自监测和调节系统的元件和构造可以根据泵的类型和应用而改变。因此，这里所提及的本发明的特定细节仅仅是作为例子并且不旨在以任何方式限制本发明的范围。