專利名稱：具有用于增強(qiáng)密封性能的殼體/葉輪的水泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于增強(qiáng)內(nèi)燃機(jī)用的水/冷卻劑泵中的水泵密封性能的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃機(jī)通常具有使用水泵使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑在發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱器和冷卻水套之間循環(huán)的液體冷卻系統(tǒng)。典型的離心水泵包括安裝在軸上并可在殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)的葉輪。該軸基本上是預(yù)先潤滑并位于沒有碎屑和冷卻劑的環(huán)境中的集成的軸承的一部分。具有滑動(dòng)面的機(jī)械密封位于軸周圍并安裝在殼體中葉輪后面的密封腔內(nèi)，以防止冷卻劑泄漏到軸承支撐軸的區(qū)域中和/或泄漏到殼體外部。機(jī)械密封依賴于潤滑液膜通過分離滑動(dòng)面并提供冷卻來抑制或防止滑動(dòng)面的劣化。密封處的靜壓力通過使流體保持液相而有助于密封面和周圍的流體之間的熱能交換。密封面處的蒸發(fā)作用可能導(dǎo)致密封面之間的接觸，導(dǎo)致提前磨損并對所需的密封性能產(chǎn)生負(fù)面影響。類似地，水/冷卻劑中的任何碎屑和/或雜質(zhì)都可能聚集在密封腔中并導(dǎo)致密封面刮傷，造成流體通過密封泄漏。
美國專利5,713,719和5,355,847公開了增加密封處的冷卻劑速度來清洗碎屑并使密封冷卻或增加泵的結(jié)構(gòu)完整性而設(shè)計(jì)的水泵特征。然而，本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)識(shí)到，僅僅增加密封處的冷卻劑速度不一定會(huì)提高密封性能，且可能實(shí)際上對密封性能產(chǎn)生負(fù)面影響。本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)有技術(shù)中的水泵并沒有考慮到密封處的靜壓力和冷卻劑速度相對于密封性能的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供通過增加內(nèi)燃機(jī)用離心水泵殼體的密封腔內(nèi)的靜壓力來提高密封性能的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實(shí)施例使用設(shè)置為將密封處的動(dòng)壓力或總壓力轉(zhuǎn)換為靜壓力同時(shí)降低密封處的冷卻劑速度的葉輪和密封腔設(shè)計(jì)特征。
在一個(gè)實(shí)施例中，葉輪上的設(shè)計(jì)特征包括多個(gè)允許冷卻劑從密封腔進(jìn)入葉輪前側(cè)壓力較低的環(huán)境并帶走所形成的任何蒸汽的基本上為圓形的開口或通風(fēng)孔。殼體內(nèi)密封腔的設(shè)計(jì)特征可以包括一個(gè)或多個(gè)槽和一個(gè)或多個(gè)肋條的組合。設(shè)置槽以增加密封處的靜壓力，較佳地將其設(shè)于葉輪旋轉(zhuǎn)方向上測量的泵出口之前的第一個(gè)三十度之內(nèi)。槽還可以促進(jìn)軸向流運(yùn)動(dòng)來從腔中清除蒸汽。肋條通過干擾在操作期間由旋轉(zhuǎn)的葉輪運(yùn)動(dòng)引起的環(huán)形流動(dòng)模式來增加密封處的靜壓力。較佳地將肋條設(shè)在泵出口之后的第一個(gè)三十度之內(nèi)，然后還處于基于泵配置的位置，該配置在一個(gè)實(shí)施例中以九十度分離肋條。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，葉輪上的開口包括多個(gè)基本上為圓形的孔?？梢赃x擇孔直徑來允許冷卻劑和任何蒸汽基于操作期間產(chǎn)生的壓力差在密封腔和葉輪的葉片側(cè)之間流動(dòng)。水泵殼體包括多個(gè)徑向直線槽和肋條的組合。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，殼體包括徑向直線肋條，及在葉輪旋轉(zhuǎn)方向上彎曲的槽。
本發(fā)明提供多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如，本發(fā)明考慮到密封環(huán)境中的靜壓力對密封性能的影響并相對于現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)通過增加密封處的靜壓力來增強(qiáng)密封性能。本發(fā)明降低密封處的冷卻劑速度，這可以增加靜壓力并增強(qiáng)密封性能。根據(jù)本發(fā)明將肋條定位在泵殼體內(nèi)的密封腔中可以干擾所引起的環(huán)形冷卻劑流動(dòng)模式并降低密封處的冷卻劑速度來增強(qiáng)密封性能。根據(jù)本發(fā)明在密封腔內(nèi)使用諸如肋條和槽這樣的設(shè)計(jì)特征可以提高泵總成的性能，因?yàn)閺娜肟诘矫芊獾墓潭ú糠值膲毫ι仙龑τ捎谥圃?裝配公差和/或操作期間的移動(dòng)而造成的葉輪和殼體之間的軸向距離較不敏感。
本發(fā)明的上述優(yōu)點(diǎn)和其他優(yōu)點(diǎn)和特征將通過下述結(jié)合附圖對較佳實(shí)施例的詳細(xì)說明變得顯而易見。


圖1是在典型汽車內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用中使用的根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的離心水泵總成的剖面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的水泵葉輪和密封總成的橫截面；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的通風(fēng)孔在葉輪上的布置及殼體中的肋條和直線徑向槽；圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的槽和肋條在殼體中用于增強(qiáng)密封腔壓力的可選布置和幾何形狀及流量特性；圖5示出肋條和兩個(gè)直線槽在殼體密封腔中的布置及它們在干擾本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的密封腔內(nèi)所引起的冷卻劑流動(dòng)模式時(shí)對密封上的靜壓力的影響；圖6是殼體的視圖，其中示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的集成的雙出口泵/發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體的四個(gè)肋條和兩個(gè)直線槽的布置；圖7是將從泵入口到密封的固定部分的壓力上升作為歸因于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的水泵的各種特征的流率的函數(shù)示出的圖表；圖8是將從泵入口到密封的固定部分的壓力上升作為歸因于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的密封腔中不同長度的肋條及葉輪中不同尺寸的通風(fēng)孔的各種組合的流率的函數(shù)示出的圖表；圖9是將從泵入口到密封的固定部分的壓力上升作為歸因于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的肋條數(shù)量和長度及葉輪中通風(fēng)孔的尺寸的各種組合的流率的函數(shù)示出的圖表；圖10是示出葉輪對沒有肋條、槽或通風(fēng)孔的現(xiàn)有泵的泵壓頭上的罩間隙和密封壓力的影響的圖表；及圖11是示出葉輪對根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有肋條、槽和通風(fēng)孔的水泵的罩間隙的影響的圖表。
具體實(shí)施例方式
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，參考附圖中的任何一個(gè)所示出和描述的本發(fā)明的各種特征都可以與一個(gè)或多個(gè)其他附圖中所示出的特征組合來產(chǎn)生未明確示出或描述的本發(fā)明的實(shí)施例。所示特征的組合提供典型應(yīng)用的典型實(shí)施例。然而，對具體應(yīng)用或?qū)崿F(xiàn)來說可能需要根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)對特征進(jìn)行各種組合及修改。
現(xiàn)參考圖1，用于汽車內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用的包括通過多個(gè)緊固件固定到殼體座14上的殼體蓋12的離心水泵總成10的剖面圖。取決于具體應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)，殼體座和/或蓋可以整體地成型于另一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)組件內(nèi)，如發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體內(nèi)，而不是如圖1所示那樣組合形成單獨(dú)組件。殼體座14包括經(jīng)由流體室34流體連通的入口20和出口30，流體室包括通過罩56與圍繞葉輪50的環(huán)形泵區(qū)40分離的儲(chǔ)液區(qū)38。在所示實(shí)施例中，加熱器回管36也與室34流體連通并將水/冷卻劑從汽車加熱器管路(未示出)中返回到總成10。葉輪50安裝在可旋轉(zhuǎn)的軸90(圖2)上，該軸由安裝在蓋12中的密封軸承總成92支撐，并延伸到殼體座14中。機(jī)械密封60安裝在蓋12中并用于密封室34，且基本上將所有的水/冷卻劑保持在總成10內(nèi)并使其遠(yuǎn)離軸承總成92。諸如滑輪52這樣的驅(qū)動(dòng)裝置也安裝在軸90(圖2)上且可以由附加皮帶(未示出)、鏈條、軸等驅(qū)動(dòng)，以在操作期間旋轉(zhuǎn)葉輪50。也可以使用各種其他可選的驅(qū)動(dòng)配置來旋轉(zhuǎn)軸承軸。來自汽車散熱器(未示出)的冷卻的水/冷卻劑從入口20(及從加熱器回管36)進(jìn)入水泵總成10并由通過旋轉(zhuǎn)葉輪50產(chǎn)生的離心力泵送到出口30以進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水套(未示出)。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的水泵總成的橫截面，其中示出機(jī)械密封60在殼體蓋12中形成的碗形密封腔70內(nèi)的布置。密封60包括內(nèi)部旋轉(zhuǎn)組件62及外部固定組件64。安裝內(nèi)部旋轉(zhuǎn)組件62是為了與軸90一起旋轉(zhuǎn)并相對于安裝在殼體蓋12中的外部固定組件64旋轉(zhuǎn)。內(nèi)部旋轉(zhuǎn)組件62和外部固定組件64協(xié)作使水/冷卻劑基本上保持在泵總成10內(nèi)，除了少量在機(jī)械密封60的密封面之間形成潤滑膜的流體之外。安裝葉輪50以在軸90上旋轉(zhuǎn)，軸90從滑輪52通過軸承總成92和密封60延伸進(jìn)入殼體座14的室34中(圖1)。葉輪50包括在一側(cè)上的葉片80且在面對密封腔70的相反的一側(cè)上基本上是平坦的。在操作期間，軸90與葉輪50的旋轉(zhuǎn)在密封60的旋轉(zhuǎn)組件62和固定組件64的密封面之間產(chǎn)生摩擦熱，為了所需的密封性能必須控制這樣的摩擦熱。密封周圍足夠的靜流體壓力有助于形成適合的流體膜來潤滑密封面并降低e摩擦及相關(guān)的熱。此外，密封腔中的水/冷卻劑的低速度循環(huán)可以提供密封冷卻。如下文中更詳細(xì)地示出和描述，本發(fā)明提供各設(shè)計(jì)特征來降低冷卻劑速度并增加密封腔70中的靜壓力來提高密封性能。
圖3是示出具有密封腔70的水泵總成10的計(jì)算機(jī)模型及示出穿過葉輪50的葉片側(cè)到平坦側(cè)并定位在葉輪輪轂82和葉片80之間的環(huán)形空間內(nèi)的多個(gè)通風(fēng)孔100中的一個(gè)的葉輪50剖面圖。選擇通風(fēng)孔100的直徑使得在密封腔70中保持可接受的靜壓力同時(shí)允許蒸汽從密封腔70中逸出并返回到泵入口。使用了計(jì)算機(jī)模擬來選擇適合的通風(fēng)孔的直徑及布置，其中用通風(fēng)孔100的位置與可選位置100’進(jìn)行比較。總的來說，雖然孔位置并不顯著地影響靜壓力，但較小的直徑可以提供較高的密封處靜壓力。在一個(gè)實(shí)施例中，提供圍繞葉輪50的圓周等距排列具有2mm直徑的三個(gè)通風(fēng)孔。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，通風(fēng)孔的數(shù)量、尺寸及定位可以取決于具體應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)。
同樣在圖3中示出的殼體蓋12的密封腔70中的設(shè)計(jì)特征包括從碗形腔70外圍朝向密封60延伸的兩個(gè)結(jié)構(gòu)或肋條110。根據(jù)本發(fā)明，在密封腔70內(nèi)設(shè)置肋條110可以干擾密封腔70內(nèi)由葉輪50的旋轉(zhuǎn)引起的環(huán)形冷卻劑流動(dòng)并增加密封60周圍的靜壓力。使用了計(jì)算機(jī)模擬來確定肋條位置對靜壓力及冷卻劑速度的影響。向根據(jù)本發(fā)明的密封腔添加一個(gè)或多個(gè)肋條會(huì)對平均的密封壓力產(chǎn)生顯著影響并在密封環(huán)境中提供合適的靜壓力增加。一個(gè)或多個(gè)肋條的布置可以取決于具體應(yīng)用而變化?？梢钥紤]且可能導(dǎo)致在選擇適當(dāng)位置時(shí)的折衷的因素可以包括從入口到密封的固定部分的壓力上升、平均的壓力上升，及密封處的最大和平均冷卻劑速度。在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)肋條110設(shè)置在葉輪50旋轉(zhuǎn)的方向上測量的距每個(gè)泵出口之前約30度處，而另一個(gè)肋條設(shè)置在距第一肋條約90度處。
密封腔70包括至少一個(gè)使密封腔70與泵室34周圍的環(huán)形區(qū)域(圖1)流體連通的徑向槽120。類似于槽120的槽將流入泵室的環(huán)形區(qū)域的高壓冷卻劑引回密封腔70來促進(jìn)任何現(xiàn)有的軸向或徑向流運(yùn)動(dòng)并有助于將總壓力轉(zhuǎn)換為靜壓力。在所示實(shí)施例中，槽120設(shè)置在密封腔70的外圍上并基本上定向在徑向上。在一個(gè)實(shí)施例中，基于計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果，將槽120設(shè)置在每個(gè)泵出口之前約15度處。然而，計(jì)算機(jī)模擬表明，這些設(shè)計(jì)特征或任何位置上的結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)都會(huì)相對于不具有這樣的特征的泵殼體增加密封60處的靜壓力。
在圖4中示出了展示泵殼體中用于增加根據(jù)本發(fā)明的密封腔70的壓力和流量特性的設(shè)計(jì)特征的可選布置和幾何形狀的計(jì)算機(jī)模型。由圖4的模型表示的實(shí)施例包括兩個(gè)泵出口170和180。在相對于每個(gè)出口170、180的第一位置上對肋條110執(zhí)行了模擬，然后在相對于每個(gè)出口的旋轉(zhuǎn)位置上執(zhí)行模擬，如徑向?qū)χ玫睦邨l110所示。將朝向密封60延伸的具有不同長度的肋條執(zhí)行附加的模擬，如由第一長度140和第二長度142大概地示出。類似地，在相對于每個(gè)出口170、180的第一位置上及相對于每個(gè)出口170、180的第二位置122上對基本上為直線的徑向槽120執(zhí)行了模擬。使用在第一位置上的曲線槽160及在第二位置上的曲線槽162執(zhí)行了附加的模擬。如圖4所示，曲線槽160、162在葉輪旋轉(zhuǎn)的方向上從密封腔70的外側(cè)朝向內(nèi)側(cè)彎曲?？偟膩碚f，模擬的結(jié)果表明，肋條長度對靜壓力具有最小的影響，但可以用于微調(diào)從入口到密封60的壓力上升。較長的肋條更合適，因?yàn)樗鼈兺ǔＴ诿芊庵車a(chǎn)生更低的平均和最大流體速度，盡管裝配可能要求一些間隙。對于槽定向，模擬表明，直線徑向槽120、122可以在密封60周圍產(chǎn)生比曲線槽160、162更低的平均和最大冷卻劑速度。與距離出口更遠(yuǎn)的旋轉(zhuǎn)位置相比，將任一槽幾何形狀設(shè)置在更接近泵出口170、180處可以導(dǎo)致在增加密封60周圍的靜壓力方面更好的性能。在根據(jù)本發(fā)明的雙出口泵的一個(gè)實(shí)施例中，直線徑向槽設(shè)置在每個(gè)出口之前30度處，而肋條設(shè)置在每個(gè)出口170、180之后30度處，且再次是在之后90度處。下游肋條的數(shù)量和角位置可以變化并具有類似的效果。可以通過進(jìn)一步的分析確定對給定的泵幾何形狀的最佳布置。
圖5示出由具有根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)特征的殼體密封腔的水泵總成進(jìn)行的計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生的冷卻劑流量和壓力特性。對于此模擬，使用了葉輪中的三個(gè)等距排列的2mm直徑的通風(fēng)孔(未示出)。肋條110設(shè)置在每個(gè)出口170、180之后的15度處，而肋條130設(shè)置在與每個(gè)肋條110相距90度處，或每個(gè)泵出口170、180之后的105度處。密封腔70的圓周上包括設(shè)置在每個(gè)泵出口170、180之前15度處的兩個(gè)直線槽120。
圖6是殼體蓋12的俯視圖，其中示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的密封腔70中的四個(gè)肋條110和兩個(gè)直線槽120相對于泵出口170和180的布置。如上文所述并如圖5所示，直線槽120設(shè)置在每個(gè)泵出口170和180之前15度處，而設(shè)置肋條110，使得相對于彼此大概為180度的肋條設(shè)置于每個(gè)泵出口170和180之后的15度及105度處。
如參考圖1-6所示出和描述，一種提高安裝在根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)用離心水泵的殼體中的密封的性能的方法包括在泵的操作期間增加殼體內(nèi)在密封處的靜壓力來提高密封的性能。在所示實(shí)施例中，密封安裝在殼體內(nèi)葉輪后面的密封腔中。根據(jù)提高密封性能的方法的一個(gè)實(shí)施例，多個(gè)肋條定位在密封腔內(nèi)來干擾由葉輪旋轉(zhuǎn)引起的環(huán)形流體流動(dòng)并降低密封處的流體速度。一個(gè)或多個(gè)基本徑向延伸的槽也可以圍繞密封腔的圓周定位來增加密封腔中的靜壓力。本發(fā)明還可以包括在葉輪中提供多個(gè)具有選擇的直徑以保持所需密封處靜壓力的通風(fēng)孔。
圖7示出將從泵入口20到密封60的固定組件64的壓力上升作為歸因于根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的水泵的各種特征的流率的函數(shù)的圖表。該圖表基于來自具有參考圖1-6所示出和描述的經(jīng)選擇的設(shè)計(jì)特征的泵總成10的計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果。該模擬使用70mm、7葉片、52度的葉輪50。線200表示對于典型應(yīng)用的正常操作范圍中的期望的目標(biāo)壓力上升。曲線210表示不包括本發(fā)明的任何設(shè)計(jì)特征的基線基準(zhǔn)泵總成的壓力上升。曲線220由在密封腔中不具有任何肋條或槽，但具有朝向殼體密封腔從標(biāo)稱位置軸向位移約0.5mm的葉輪的基準(zhǔn)泵總成產(chǎn)生。如圖所示，減少葉輪和密封腔之間的間距只少量增加了壓力上升。類似地，曲線230由具有從標(biāo)稱位置遠(yuǎn)離密封腔移動(dòng)約0.5mm，或從用于生成曲線220的位置移動(dòng)約1.0mm的葉輪的基準(zhǔn)泵總成產(chǎn)生，結(jié)果導(dǎo)致密封的固定部分處的壓力輕微地增加。
曲線240對應(yīng)于曲線220的泵配置加上相對于泵出口的第一位置上的直線徑向槽，并具有從標(biāo)稱位置遠(yuǎn)離密封腔軸向位移來增加密封腔和葉輪之間的間距的葉輪。同樣，槽的添加導(dǎo)致在密封腔和葉輪之間的間距增加時(shí)，密封處的靜壓力輕微地下降。曲線250示出了添加位于密封腔圓周上相對于曲線230的泵配置的泵出口的第一位置處的直線徑向槽的影響，曲線230的泵配置具有軸向位移以減少密封腔和葉輪之間的間距的葉輪。如曲線250所示，在密封腔中沒有肋條的情況下，槽的添加導(dǎo)致在葉輪和殼體的密封腔之間的間距減少時(shí)，靜密封壓力顯著下降。因此，該設(shè)計(jì)的強(qiáng)度較低，因?yàn)殪o壓力取決于葉輪的背(平坦)側(cè)和密封腔之間的間隙或間距。然而，對充分控制間距或間隙，或可以容許所導(dǎo)致的靜壓力改變的應(yīng)用或?qū)崿F(xiàn)來說，這是可以接受的。
圖7中的曲線260是基于具有2mm直徑的通風(fēng)孔的葉輪和位于密封腔內(nèi)相對于泵出口的第一位置處的兩個(gè)肋條且沒有槽的情況生成的。曲線270是使用具有4mm直徑的通風(fēng)孔的葉輪、位于比曲線240、250的第一位置更加接近泵出口的第二位置處的直線徑向槽，及位于密封腔內(nèi)第一位置處的肋條生成的。曲線280是使用類似于曲線270的配置生成的，但具有移動(dòng)到更加接近泵出口的第二位置的肋條。曲線290是使用類似于曲線280的配置生成的，但在葉輪中具有2mm直徑的通風(fēng)孔。如圖7的圖表所示，對此具體應(yīng)用，對應(yīng)于曲線290的設(shè)計(jì)組合了2mm通風(fēng)孔與適當(dāng)定位的直線徑向槽及肋條，這導(dǎo)致密封的固定組件周圍的靜壓力增加來提高密封性能。
圖8是將從泵入口到密封的固定組件的壓力上升作為歸因于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的延伸到密封腔中的肋條長度及葉輪通風(fēng)孔直徑的各種組合的流率的函數(shù)示出的圖表。在此模擬中，使用70mm、7葉片、52度葉輪，如參考圖7所示出和描述的模擬那樣。曲線300表示典型應(yīng)用的預(yù)期操作范圍中的目標(biāo)壓力上升。曲線310表示具有第二位置處的單個(gè)肋條及4mm直徑的葉輪通風(fēng)孔情況下的壓力上升。如圖8所示，隨著流率增加超過700gpm，曲線310降至由曲線300表示的目標(biāo)壓力上升之下。曲線320表示具有第二位置處的較長的單個(gè)肋條及2mm直徑的葉輪通風(fēng)孔的情況下的壓力上升，這和曲線310相比稍微提高了些壓力上升。曲線330是用類似于曲線320的配置產(chǎn)生的，但具有較短的肋條，這導(dǎo)致與曲線320相比只有很少的變化或沒有變化。曲線340表示具有第一和第二位置處的較短的肋條及4mm通風(fēng)孔的情況下的壓力上升，這導(dǎo)致壓力上升的少許增加?；趫D8所示的結(jié)果，雖然2mm直徑的葉輪通風(fēng)孔提高了性能并幾乎達(dá)到目標(biāo)，但在具有單個(gè)肋條的該應(yīng)用中仍不能滿足目標(biāo)壓力上升。這些結(jié)果表明，4mm直徑的葉輪通風(fēng)孔與兩個(gè)正確定位的肋條的組合可以在操作范圍內(nèi)滿足目標(biāo)。當(dāng)然，可接受的操作的肋條數(shù)量、肋條長度、通風(fēng)孔直徑，及肋條位置可以因?yàn)槠渌麘?yīng)用和/或目標(biāo)值而變化。
圖9是將從泵入口20到密封60的外部固定組件64的壓力上升作為歸因于具有用于提供38mm直徑的間隙以容納裝配工具的較短的肋條長度的肋條、槽及通風(fēng)孔直徑的各種組合的流率的函數(shù)示出的圖表。圖9示出了使用70mm、7葉片、52度葉輪的計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果。曲線400表示具有第二位置處的肋條及4mm直徑的葉輪通風(fēng)孔的情況下的壓力上升，這產(chǎn)生了小于由直線410所示的期望的目標(biāo)壓力上升。曲線420是用類似于曲線400的配置產(chǎn)生的，但具有2mm直徑的葉輪通風(fēng)孔，這提高了密封處的靜壓力，如從入口增加的壓力上升所示。添加定位在相對第二位置約90度處的附加肋條，而使用4mm直徑的葉輪通風(fēng)孔得到曲線430。具有用于產(chǎn)生曲線430的類似配置，但具有2mm直徑的葉輪通風(fēng)孔的結(jié)果由曲線440表示。然后在第二位置處將直線徑向槽添加到用于產(chǎn)生曲線440的配置中來產(chǎn)生曲線450。圖9的圖表中所示的結(jié)果表明，具有2mm直徑的葉輪通風(fēng)孔、直線槽，及具有提供足夠間隙以容納裝配工具的長度的肋條的泵配置對此應(yīng)用來說可以超過目標(biāo)壓力上升，且因此可以提高動(dòng)態(tài)密封性能。
圖10和11示出了對于葉輪(葉片側(cè))和泵壓頭上的罩之間的間隙及密封壓力的影響結(jié)合本發(fā)明的特征的泵總成所提高的性能。圖10的圖表是通過使用根據(jù)本發(fā)明的密封腔中不包括增加靜壓力及降低冷卻劑速度特征的基準(zhǔn)泵的計(jì)算機(jī)模擬生成的。該圖表示出了泵壓頭和密封壓力對葉輪和罩之間的間隙的敏感性或相關(guān)性。間隙可以作為制造和裝配公差的結(jié)果變化。
在圖10的圖表中，曲線500和510示出(從泵入口到密封的外部固定部分的壓力上升)作為兩個(gè)軸向葉輪位置的流率的函數(shù)的密封壓力，而曲線520和540示出了作為相同的兩個(gè)軸向葉輪位置的流率的函數(shù)的相應(yīng)泵壓頭。曲線530表示相對于罩的標(biāo)稱葉輪位置的壓力上升。曲線500和520對應(yīng)于大于標(biāo)稱的罩與葉輪的間隙，而曲線510和540對應(yīng)于小于標(biāo)稱的葉輪與罩之間的間隙。該模擬的結(jié)果表示從較小到較大間隙靜壓力下降約12％或相對于標(biāo)稱的任一軸向位置約有6％的改變。
在圖11的圖表中，直線600表示具有根據(jù)本發(fā)明的選擇用于增加靜壓力并降低密封腔中的流體速度來提高密封性能的肋條、槽及通風(fēng)孔直徑的泵總成的目標(biāo)靜壓力上升。曲線610是通過使用具有葉輪和罩之間的標(biāo)稱間隙的泵的計(jì)算機(jī)模擬生成的，而曲線620是使用具有大于標(biāo)稱的間隙的泵生成的。如圖11的圖表所示，雖然當(dāng)葉輪和罩之間的間隙在根據(jù)本發(fā)明的泵中增加時(shí)靜壓力仍然有些降低，但和不包括本發(fā)明的特征的基準(zhǔn)泵相比間隙距離仍然對密封壓力只具有小得多的影響?；趫D11的圖表中所示的模擬結(jié)果，對于具有根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)特征的泵的靜壓力僅降低約3％，這大約是由基準(zhǔn)泵產(chǎn)生的變化的一半。同樣，本發(fā)明的設(shè)計(jì)特征還通過使得密封處的靜壓力對葉輪在殼體內(nèi)相對于罩的軸向位置較不敏感來提高泵總成的性能。
雖然已詳細(xì)描述了用于執(zhí)行本發(fā)明的最佳模式，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的各種可選設(shè)計(jì)和實(shí)施例由下述權(quán)利要求定義。
權(quán)利要求
1.一種提高安裝在內(nèi)燃機(jī)用離心水泵的殼體中的密封的性能的方法，所述水泵包括設(shè)于所述殼體內(nèi)并安裝以與延伸穿過所述密封的軸一起旋轉(zhuǎn)的葉輪，所述方法包括在所述水泵的操作期間增加所述殼體內(nèi)在所述密封處的靜壓力來提高所述密封的性能。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述增加靜壓力的步驟包括增加位于所述葉輪和密封之間的殼體的密封腔內(nèi)的靜壓力。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述增加靜壓力的步驟包括在所述密封腔內(nèi)設(shè)置多個(gè)肋條來降低所述密封周圍的流體速度。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述增加靜壓力的步驟包括圍繞所述密封腔的圓周設(shè)置多個(gè)基本徑向延伸的槽。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述基本徑向延伸的槽包括彎曲的槽。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述增加靜壓力的步驟包括在所述葉輪中設(shè)置多個(gè)孔以允許所述密封腔和所述葉輪的葉片側(cè)之間的冷卻劑流動(dòng)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)孔中的每個(gè)都基本上為圓形。
8.一種用于內(nèi)燃機(jī)的離心流體泵，所述流體泵包括具有與泵室流體連通的入口和出口的殼體；及設(shè)置于殼體的所述泵室內(nèi)并安裝以在穿過密封延伸進(jìn)入殼體的軸上旋轉(zhuǎn)的葉輪，所述密封具有安裝在殼體中的外部固定部分并與安裝到所述軸上的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部分協(xié)作以基本上將流體保持在殼體內(nèi)；其中所述殼體包括位于所述葉輪后面圍繞所述密封的碗形密封腔，其具有多個(gè)從密封腔外圍朝向所述密封延伸的肋條，設(shè)置所述肋條以干擾葉輪后面由葉輪旋轉(zhuǎn)引起的環(huán)形流體流并降低密封周圍的流體速度，所述殼體還包括至少一個(gè)延伸穿過所述密封腔外圍并使所述密封腔與所述泵室流體連通的槽以增加所述密封處的靜壓力。
9.如權(quán)利要求8所述的離心流體泵，其特征在于，所述葉輪包括將所述葉輪的葉片側(cè)流體連通到背側(cè)的多個(gè)通風(fēng)孔。
10.如權(quán)利要求9所述的離心流體泵，其特征在于，所述多個(gè)通風(fēng)孔基本上圍繞所述葉輪等距排列。
11.如權(quán)利要求8所述的離心流體泵，其特征在于，所述多個(gè)肋條基本上圍繞所述密封腔等距排列。
12.如權(quán)利要求8所述的離心流體泵，其特征在于，所述多個(gè)槽中的至少一個(gè)定位在距所述出口約30度之內(nèi)。
13.如權(quán)利要求8所述的離心流體泵，其特征在于，所述多個(gè)槽中的每個(gè)從所述密封腔向外徑向延伸。
14.如權(quán)利要求8所述的離心流體泵，其特征在于，所述多個(gè)槽中的每個(gè)在所述葉輪旋轉(zhuǎn)的方向上彎曲。
15.如權(quán)利要求8所述的離心流體泵，其特征在于，所述多個(gè)肋條中的每個(gè)延伸至所述密封的固定部分約兩毫米內(nèi)。
16.一種用于內(nèi)燃機(jī)的離心水泵，所述泵包括包括具有與泵室流體連通的入口和出口的基座部分的殼體，所述泵室包括用于通過安裝在軸上的旋轉(zhuǎn)的葉輪從入口到出口導(dǎo)引循環(huán)的流體的罩；固定到所述基座部分的殼體蓋，所述殼體蓋包括具有適于容納密封的開口的碗形密封腔及多個(gè)延伸到所述密封腔中的結(jié)構(gòu)來增加所述密封腔內(nèi)的靜壓力以在所述泵的操作期間提高密封性能。
17.如權(quán)利要求16所述的離心水泵，其特征在于，所述多個(gè)結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)延伸到所述密封腔中的肋條來干擾所述密封腔中由葉輪旋轉(zhuǎn)引起的環(huán)形流體流。
18.如權(quán)利要求16所述的離心水泵，其特征在于，所述多個(gè)結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)延伸到所述密封腔中的槽使得所述密封腔與所述泵室的周圍部分流體連通。
19.如權(quán)利要求16所述的離心水泵，其特征在于，所述多個(gè)結(jié)構(gòu)包括多個(gè)基本上等距排列并延伸到所述密封腔中的肋條；及多個(gè)與所述肋條間隔開并使所述密封腔與所述泵室的周圍部分流體連通的基本上等距排列的槽。
20.如權(quán)利要求19所述的離心水泵，其特征在于，所述肋條和槽中的至少一個(gè)朝向所述密封的開口基本上直線徑向向內(nèi)延伸。
全文摘要
用于提高內(nèi)燃機(jī)用離心水泵中的密封性能的系統(tǒng)和方法通過在泵殼體的密封腔中結(jié)合槽和肋條的組合來增加密封處的靜壓力，定位所述槽和肋條以將密封處的動(dòng)態(tài)流體壓力轉(zhuǎn)換為靜壓力同時(shí)降低密封處的冷卻劑速度。也可以使用具有適當(dāng)尺寸和位置的葉輪中的通風(fēng)孔來增加密封處的靜壓力以增強(qiáng)密封性能。
文檔編號F04D29/42GK101038000SQ200610135998
公開日2007年9月19日 申請日期2006年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月16日
發(fā)明者喬迪·斯萊克, 帕特里克·赫特里奇, 余博文 申請人:福特環(huán)球技術(shù)公司