[发明专利]具有线性马达驱动装置的往复泵

说明书

本发明涉及往复泵，本发明特别涉及各种类型的具有一个线性马达驱动装置的往复泵以及利用这样的往复泵泵送液体的方法。特别是，本发明所涉及的泵是密闭往复泵以及本发明所涉及的方法是利用这样的密闭泵泵送液体的方法。

在许多应用中非常需要使用往复泵，尤其是在流体流速较低(例如，低于15加仑/分钟)而所需要的流体压力升高较高(例如，大于500磅/平方英寸)的环境中。对于需要更低的压力升高和更大的流速的应用，单级离心泵是有利的，因为它们的简单性、低成本和低维护需求。然而往复泵比离心泵有更高的热力效率，高达10％至30％。尽管往复泵在许多应用场合是优选的，但它们有一定的缺点和限制。

例如，传统的往复泵通常由一转动的驱动机构通过一滑块曲柄或其它普通机械机构将转动运动转换成线性运动而在一线性方向上驱动。这些驱动系统需要许多轴承、脂或油润滑、通过驱动器的皮带或齿轮而使转动速度降低、用于稳定速度的飞轮、保护安全的防护装置及其它机械装置，所有这些增加了泵的复杂性和成本。而且，在这些传统的构造中，活塞的冲程长度是固定的，该长度是活塞在运行的每一循环过程中的运动(例如，通常是正弦曲线)。这导致在冲程中间位置处有一活塞速度峰值，该峰值决定了在活塞的吸入冲程中进入泵的流体中的伯努利效应减压峰值和动压头所失压力减少，从而实现净吸入压差(NPSH)需求。

泵会受到由于不充分的净吸入压差(NPSH)产生的机械损伤。特别是，在进入到泵的入口处流体的气化会形成气泡。随后的对气化的液体的压缩导致气泡猛烈破裂，导致形成音声音振动波，该振动波最终可损伤泵的部件。因此，泵的安装可得到的净吸入压差(NPSH)充分高于该泵所需要的净吸入压差(NPSH)是很重要的。

需要较低的净吸入压差(NPSH)的泵的设计可使在安装时有更大的机动性，经常可降低安装成本。此外，一个被要求的较低的净吸入压差(NPSH)较低可确保气穴现象有更大余地，因此在当进口运行状态偏离规程时有更大的可靠性。

往复泵的净吸入压差(NPSH)需求由趋于降低局部入口吸入压力的因素所限制，比如流体管线加速压力下降和在入口管线和入口阀的速度诱发压力下降(伯努利效应和动压头损失)。缸体和活塞尺寸、以及入口阀尺寸和活塞峰值速度是在设定最小的所需净吸入压差(NPSH)的关键性因素。尤其是，更大的缸体、活塞和入口阀尺寸使得有更慢的泵送速度。这导致一更低的净吸入压差(NPSH)需求。如前所述，需要较低的净吸入压差(NPSH)的泵的设计可使在安装时有更大的机动性，可确保气穴现象有更大余地，这两项都是非常需要的特性。

减小吞吐量的传统往复泵的速度调节(即流速调节)很大程度上受泵的飞轮的尺寸和电动机驱动装置的尺寸的限制。传统的往复泵一般以固定的电动机电源的交流频率且因此以一固定的额定泵送速度来运行。给电动机所供应的交流电源的调节，比如采用变频驱动来减小泵送速度，一般限于降低整个设计的泵送速度和流速的50％。泵的飞轮的作用是把泵的每一冲程循环中的速度波动或脉动降到最小。这通过在每一循环中吸收和释放泵的轴和飞轮之间的动能来完成；导致泵的循环速度在额定速度上下波动。这称作速度脉动。速度脉动导致在每一泵的冲程循环的不同部分电动机扭矩量较大和较小。这种波动的扭矩产生波动的电动机电流，极端情况下可由于过热而对电动机有害。确定电动机电流的关键因素是速度波动的百分比。应当指出的是对于一给定的飞轮尺寸和电动机尺寸，速度脉动百分比以设计速度与减小的速度的比值的平方增加。此外，随着电动机速度的降低，电动机风扇适当冷却该电动机的能力也下降。这些因素一起造成了实际上50％的调节容限。可采用特殊的措施来降低这种限制，比如提供一分开供电的电动机冷却风扇，特别是加大泵的电动机框架尺寸或加大泵的飞轮的尺寸。然而，这些特殊措施很昂贵。其它可获得减小的泵速的装置，比如不同束直径的皮带系统或其它机械速度比调节方法，要容忍增加的磨损、打滑和过度的最大负荷故障的问题。

当需要一更大的运行中的流速调节时，传统的泵通常以再循环的方式或以带有一缓冲容器的循环开/关方式来操作。由于需要一再循环管线、一再循环阀、一冷却器和控制装置，绕泵的再循环流动非常浪费泵的功率，且增加了成本和复杂化。采用一支撑容器(hold up tank)也增加了该系统的花费，它需要额外空间且使该泵系统的操作和维护复杂化。

传统的泵的另一个缺陷在于需要在活塞和泵的缸体之间形成一有效的密封。这样的密封一般是由活塞环提供的动态密封。然而，即使提供这样的密封，一般也会有些泄漏，且在许多应用中对于处置或再循环这些泄漏的材料是一种麻烦。