[发明专利]轴向推力平衡装置

说明书

用于诸如旋转泵之类的旋转轴装置的轴向推力平衡机构提供了自动调节的推力补偿，同时避免了旋转和静态元件之间的接触和磨损。固定在所述轴上的转子包括在非旋转定子的圆柱形凹形部分附近但不在其内延伸的圆柱形凸形部分，使得在两者之间形成的间隙的宽度通过轴向推力轴的位移而变化。所述凹形部分内的加压流体向所述转子施加推力补偿力，该力由所述间隙大小控制。所述凹形部分的直径大于所述凸形部分的直径，从而防止它们之间的任何接触。所公开的机构可以与推力补偿鼓结合以将所述推力减小到可以调节的残余水平。所述转子和定子可以逐步改变以在它们之间提供多个间隙和中间室。

相关申请

本申请要求2017年8月3日提交的美国申请15/691899的优先权，其全部内容通过引用并入本文用于所有目的。

发明领域

本发明涉及旋转轴装置，更具体地，涉及旋转轴装置中的推力平衡机构。

背景技术

在旋转轴装置中，特别是在叶轮驱动的泵中，典型的是在机构内产生压力差，该压力差导致将轴向力(通常称为“推力”)施加到旋转轴上。例如，在离心泵中，由于叶轮两侧的压力和几何形状不同，叶轮(或每个叶轮)会产生一定的推力。

在某些情况下，这些轴向推力被支撑旋转轴的轴承所抵消和吸收。然而，可能不希望要求轴承吸收由叶轮产生的所有推力。例如，在高压多级泵中，除非以某种方式进行补偿，否则所产生的净推力可能会对轴承造成不可接受的磨损。因此，通常希望在旋转轴装置内包括一种机构，该机构将通过产生偏置推力来补偿推力效应，从而减少或消除施加在轴承上的推力补偿载荷。

在多级旋转泵中产生的推力有时可以被抵消，例如在轴向分离泵中，通过包括偶数级，并且通过将叶轮定向在相反方向上，使得一半泵级产生的推力抵消另一半泵级产生的近似相等且相反的推力。但是，通过使用相对的叶轮来平衡轴向推力并不总是可行的，特别是对于在高压下运行的泵，例如桶式泵。此外，即使对于具有相对叶轮的泵，最里面的叶轮级也将倾向于产生取决于泵内压力的净轴向推力。

用于推力补偿的另一种方法是包括平衡“盘”。在图1的剖视图中示出了简化示例，其中将叶轮100固定到旋转轴102。在该示例中，通过叶轮100泄漏的工艺流体被收集在叶轮100的后面，在叶轮102和泵壳体106之间形成的泄漏室104中。泄漏室104的一端由推力平衡“盘”108界定，该盘固定在轴100上。

平衡盘108被构造成使得在盘108的外周和泵壳体106之间形成狭窄的轴向间隙110。泄漏流体能够以有限的速率流过该“卸压”间隙110”进入与泵入口流体连通的收集室112。根据该构造，收集室112中的流体压力近似等于入口压力，而泄漏室104中的流体压力高于入口压力。结果，平衡推力116被施加到平衡盘108，该平衡推力116与由叶轮100产生的轴向推力114相反。

如果补偿推力116小于叶轮推力114，则旋转轴100向右轴向移位，从而使卸压间隙110变窄，并且泄漏室104中的压力升高，从而增加平衡推力116。相反，如果平衡推力116大于叶轮推力114，则轴100轴向向左移动，并且卸压间隙110增大，从而降低泄漏室104中的压力。结果是一种自调节效果，可以将轴向推力保持在非常低的水平，可以接近零净推力，因为补偿推力直接对旋转轴100的轴向移动做出反应，这是由轴向残余推力引起的。

从图1清楚可见，径向卸压间隙110对于推力补偿至关重要。不幸的是，对于某些泵设计，例如在泵启动期间和/或由于泵速度的意外波动，平衡盘108和壳体106之间可能存在物理接触。因此，平衡盘并不总是适合于轴向推力补偿。

有时用于推力补偿的另一种方法是包括平衡“鼓”，例如，在预期较大的运行速度范围内和/或泵速可能出现瞬时波动的情况下。一个简化的示例如图2所示。