CN101054972A - 轴流式正排量蜗杆泵 - Google Patents

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CN101054972A CNA2007100051126A CN200710005112A CN101054972A CN 101054972 A CN101054972 A CN 101054972A CN A2007100051126 A CNA2007100051126 A CN A2007100051126A CN 200710005112 A CN200710005112 A CN 200710005112A CN 101054972 A CN101054972 A CN 101054972A
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Abstract

一种轴流式正排量蜗杆泵具有包括从进口延伸至出口的内本体和外本体的泵组件，所述内本体和外本体分别具有偏移的内轴线和外轴线。所述本体中的至少一个围绕其轴线是可旋转的。所述内本体和外本体具有分别曲绕内轴线和外轴线的相互配合在一起的内外螺旋叶片。所述内外螺旋叶片分别沿径向向外和向内进行延伸。所述内外螺旋叶片的内外个数之一为两个或更多个。外螺旋叶片的个数比内螺旋叶片的个数多一个或少一个。所述内本体和外本体分别沿与内旋方向和外旋方向(RDI，RDO)相同的方向分别围绕内轴线和外轴线是可旋转的并且按照固定的传动比传动啮合在一起。

Description

轴流式正排量蜗杆泵
依照美国宇航局给予的合同No.NAS3-01135，美国政府对本发明享有一定权利。
技术领域
本发明主要涉及多种泵，且特别是涉及连续轴流式蜗杆和螺杆泵。
背景技术
在许多应用中广泛使用各种泵。所述泵呈现出多种形式，从如在家用轮胎气泵和绝大多数汽车发动机中使用的线性往复泵到Wankel回转泵和摆线泵，以及例如当今涡轮机械领域中的轴流式泵和离心泵。由于对于给定最大截面(frontal area)而言能够提供较高的质量流速并且能够提供连续的近乎稳定的流体流，因此轴流式泵在泵送流体方面具有较宽的应用范围。泵生产厂家的一个目标在于提供重量较轻的紧凑型泵。泵生产厂家的另一目标在于使所述泵中的部件尽可能少，从而在对泵进行制造、安装、整修、大修和更换等方面降低成本。
发明内容
还可被称作蜗杆泵的连续轴流式正排量泵包括与出口轴向隔开且位于出口上游的进口。泵组件包括从所述进口延伸至所述出口的内本体和外本体。所述内本体和外本体分别具有偏移的内轴线和外轴线。内本体和外本体具有分别曲绕内轴线和外轴线的相互配合的内外螺旋叶片。内本体和外本体分别具有多个内外螺旋叶片。外螺旋叶片的个数比内螺旋叶片的个数多一个或少一个。内外螺旋叶片分别沿径向向外和向内进行延伸。所述本体中的任一个或所述两个本体可能关于其各自轴线是可旋转的。如果两个本体均旋转，那么所述本体沿同一方向进行旋转。
如果内本体和外本体关于固定的内轴线和外轴线在内旋方向和外旋方向上分别是可旋转的，那么内本体和外本体按照固定的传动比传动啮合在一起，所述传动比由内螺旋叶片个数与外螺旋叶片个数的比值确定。如果外本体被固定住，那么当内本体轴线围绕外本体轴线轨道运行时，内本体围绕内本体轴线进行旋转(自旋)。如果外螺旋叶片的个数比内螺旋叶片的个数少一个，那么内本体围绕内本体轴线沿与内本体轴线围绕外本体轴线轨道运行相同的方向进行自旋。如果外螺旋叶片的个数比内螺旋叶片的个数多一个，那么内本体围绕内本体轴线沿与内本体轴线围绕外本体轴线轨道运行相反的方向进行自旋。
附图说明
图1是第一示例性的连续轴流式正排量泵的内本体和外本体的螺旋形叶片部分的部分剖切透视图。
图2是第二示例性的连续轴流式正排量泵的内本体和外本体的螺旋形叶片部分的部分剖切透视图。
图3是如图1所示的泵的侧视图。
图4是如图2所示的泵的侧视图。
图5是如图1和图3所示的泵的内本体和外本体之间的传动啮合(gearing)的侧视图。
图6是如图2和图4所示的泵的内本体和外本体之间的传动啮合的侧视图。
图7是沿图5中线7-7截取的内本体和外本体构造的横截面图解视图。
图8是沿图6中线8-8截取的内本体和外本体构造的横截面图解视图。
图9是具有固定不可旋转的外本体的如图7所示的内本体和外本体构造的横截面图解视图。
图10是内本体轨道运行(orbit)约90度的如图9所示的内本体和外本体构造的横截面图解视图。
图11是外本体被可旋转地固定住的如图8所示的内本体和外本体构造的横截面图解视图。
具体实施方式
图1和图2中示出了也可被称作蜗杆泵8的连续轴流式正排量泵的第一和第二示例性实施例。蜗杆泵8被设计用以泵送流体如气体或液体。参见图1-6，蜗杆泵8包括具有从进口20延伸至出口22的内本体12和外本体14的泵组件15。内本体12被设置在外本体14的腔体19内。内本体12和外本体14分别具有相互隔开的平行的内轴线16和外轴线18。泵组件15在蜗杆泵8工作期间提供通过进口20和出口22的连续流。
各流体50充注物在从出口22被排放掉之前被捕获在泵组件15中。任一个本体或两个本体围绕其各自的轴线是可旋转的。如果两个本体都是可旋转的，那么所述两个本体可在相同的周向方向上但是以由固定关系确定的不同转速进行旋转。如在图8中的内本体和外本体的转速74，72所示。因此，内本体12和外本体14被传动啮合在一起，从而使得它们总是相对于彼此以固定速比和相位关系进行旋转，如图5和图6中的齿轮箱82中的传动啮合所示。在这里示出的泵8的多个实施例中，内本体12在外本体14内围绕内轴线16是可旋转的。外本体14围绕外轴线18可以被可旋转地固定住或可进行旋转。
内本体12和外本体14具有分别曲绕内轴线16和外轴线18的相互配合的内外螺旋叶片17，27。内外螺旋叶片17，27分别具有内外螺旋表面21，23。内螺旋叶片17自内本体12的中空内叶毂51沿径向向外进行延伸，而外螺旋叶片27自外本体14的外壳53沿径向向内进行延伸。当二者相对于彼此进行旋转时，沿着内螺旋叶片17的内螺旋边缘47与外螺旋叶片27的外螺旋表面23密封接合。当二者相对于彼此进行旋转时，沿着外螺旋叶片27的外螺旋边缘48与内螺旋叶片17的内螺旋表面21密封接合。
参见图7和图8，内本体12和外本体14分别具有与内外螺旋叶片17，27相对应的内本体瓣(lobe)60和外本体瓣64。如果内本体12具有个数为N的内本体瓣60或内螺旋叶片17，在这里示出了三个内本体瓣60或内螺旋叶片17，那么外本体14则具有N-1或N+1个外本体瓣64或外螺旋叶片27，分别如图7和图8中的泵组件15的第一和第二示例性实施例所示。因此，泵组件15的第一示例性实施例具有2个(N-1个)外本体瓣64或外螺旋叶片27，而泵组件15的第二示例性实施例具有4个(N+1个)外本体瓣64或外螺旋叶片27。注意到在图7中示出了位于内本体12和外本体14之间的四个密封点62，然而还应注意到沿着内本体12和外本体14的整个长度在内外螺旋叶片17，27之间存在有五个呈周期性重叠搭接的密封部。正是这些密封部之间的相互作用从而连续地形成和隔开装置内的流体室。
图9和图10中示出了固定的外本体14，且由此内本体12围绕外轴线18轨道运行。在这两个图中的内本体12具有由数字N表示的三个内螺旋叶片17。图9和图10中的外本体14具有两个或通式为N-1个外螺旋叶片27且因此沿方向W轨道运行，所述方向W与内本体12围绕内轴线的内旋方向RDI相同。如图11所示的外本体14具有四个或通式为N+1个外螺旋叶片27且因此沿方向W轨道运行，所述方向W与内本体12围绕内轴线的内旋方向RDI相反。如果外本体被可旋转地固定住，那么内本体自旋角位移量的大小则与内本体轨道运行角位移量乘以内本体瓣个数的倒数相关。因此，所述自旋和轨道运行速度也与该因子相关。如果外本体围绕所述外本体轴线是可旋转的，那么内本体沿相同的方向围绕内本体轴线呈由外本体瓣的个数与内本体瓣的个数的比值给出的角度关系进行旋转。
参见图1，内外螺旋叶片17，27分别具有唯一且恒定的内外本体扭转斜率AI和AO。扭转斜率，例如内本体扭转斜率AI被定义为沿轴线例如沿如图1所示的内轴线16的每单位距离的螺旋元件横截面41(例如图7和图8中所示出的呈三角形的内本体横截面68)的旋转量。图1中示出了内本体横截面41产生了600度的旋转。扭转斜率为360度或2Pi弧度除以沿螺旋元件例如图1中示出的内外螺旋叶片17，27的同一内外螺旋边缘47，48的两个连续顶部44之间的轴向距离CD。所述轴向距离CD是螺旋线进行一次完全转动43所需的距离。外本体扭转斜率AO与内本体扭转斜率AI的第一比值等于内螺旋叶片17的个数与外螺旋叶片27的个数的第二比值。
螺旋叶片的转数43足以机械捕获流体50充注物，所述机械捕获量由在流体充注物通过位于充注物50下游端54的出口22被排出之前从位于充注物50上游端52的进口20封闭的流体充注物50进行表示。泵组件15的第一和第二示例性实施例要求内本体分别进行600度和480度的扭转，从而机械捕获流体充注物50并且确保不允许所述入口和所述出口相连通。
外本体14的扭转斜率等于内本体12的扭转斜率乘以内本体瓣的个数N除以外本体瓣的个数M。对于如图7所示的具有三个内瓣或内螺旋叶片17和两个外瓣或外螺旋叶片27的构造而言，需要外本体14进行900度的旋转且需要内本体12进行600度的旋转，从而能够机械捕获流体充注物50。通过使内本体和外本体之一或使内本体和外本体二者进行旋转而实现流体驱替。当所述本体或多个本体进行旋转时，流体充注物在进口处被捕获在内本体与外本体之间的空间中并且沿轴向从后面进行驱替。进行充分旋转后，流体充注物被隔断与所述进口之间的连通并且被允许与所述出口连通。通过所述泵的物理流量由进口边界条件和所述本体的转速所决定。如果泵下游的流动限制条件使得出口压力高于进口压力，那么将会需要寄生负荷以上或之上的轴功来驱动所述泵。另一种可选方式是，如果出口压力低于进口压力，那么可以从所述泵中分离出轴功。
如上面所述，内本体和外本体中的一个可被可旋转地固定住并且不围绕其轴线进行旋转或自转。如果内本体或外本体被固定住，那么活动本体的轨道运行和自旋旋转被传动啮合在一起。对于外本体14被可旋转地固定住的实施例而言，内本体12相对于外轴线18弯曲成曲柄状，从而使得当内本体围绕内轴线16自旋时，内轴线16如图9和10所示围绕外轴线18轨道运行。图中示出内本体12已围绕内轴线16从如图9所示的位置旋转30度角到达如图10所示的位置并且图中示出内轴线16已围绕外轴线18轨道运行了90度角。
在本文中可被称作蜗杆泵8的连续轴流式正排量泵可广泛用在许多应用中并且对于给定最大截面而言预期能够提供较高的质量流速并且能够提供连续的近乎稳定的流体流。还预期所述泵重量较轻并且比其它轴流式泵需要更少的部件，这样进而降低了泵的制造、安装、整修、大修和更换等方面的成本。第一实施例提供了在此披露的泵工作的第一模式，其中内本体12和外本体14二者分别围绕内轴线16和外轴线18进行旋转。所述第一模式避免在泵支架上引入离心转子旋涡效应。在大方面来说，这还允许流体沿轴向流过所述装置，而不会引入涡流分量。
在静态外本体的实施例中，外本体14保持处于静态或固定且内本体12围绕外本体的几何中心即外轴线18轨道运行并且同时围绕即刻的内本体的几何中心即内轴线16自旋。该静态实施例提供了所披露的泵工作的第二模式，其中仅单个转子进行旋转，由此潜在地使机械设计工艺得到简化。该种模式在流体驱替通过所述装置时将涡流分量引入到流体中，这必须通过环绕部件进行说明。
在本文中被称作蜗杆泵8的连续轴流式正排量泵可广泛用在许多应用中并且对于给定最大截面而言预期能够提供适当较高的质量流速并且能够提供连续的近乎稳定的流体流。由于蜗杆泵以正排量模式进行工作，因此压力比基本上与较宽速度范围内的速度无关。流量与同一速度范围内的速度成正比。与常规泵的压力比或多或少与速度相关相比，所希望的是具有这种压力比与速度之间的不相关性。与泵送速率或泵送水平与泵的压力比间接相关的基于常规流体动力学的轴流式泵相比，蜗杆泵将提供在较宽的工作范围内与压力比近乎不相关的泵送流速。稳定流量正排量工作还预期减弱或消除液体应用中的空化效应，所述空化效应使得泵为径流设计，仅有的不利效应在于效率略有下降。蜗杆泵预期重量较轻且比其它轴流式泵具有少得多的部件，从而降低在对泵进行制造、安装、整修、大修和更换等方面的成本。
虽然在此已对被视为本发明的优选的和示例性的实施例进行了描述，但是根据本发明的教导，本发明的其它变型对于本领域的技术人员而言应是明显的并且因此，所希望的是在所附权利要求书中确保所有这样的变型都落入本发明的真实精神和范围内。因此，美国专利所希望保护的是如在下面的权利要求书中所限定和进行区分的本发明。
零件列表
8         蜗杆泵
12        内本体
14        本体
15        泵组件
16        内轴线
17        内螺旋叶片
18        外轴线
19        腔体
20        进口
21        内螺旋表面
22        出口
23        外螺旋表面
27        外螺旋叶片
41        横截面
43        转数
44        顶部
47        内螺旋边缘
48        螺旋边缘
50        流体充注物
51        内叶毂
52        上游端
53        外壳
54        下游端
60        内本体瓣
62        密封点
64        外本体瓣
68        呈三角形的内本体横截面
72        外部转速
74        内部转速
76        轨道运行速度
82        齿轮箱
AI        内本体扭转斜率
AO        外本体扭转斜率
W         轨道方向
CD        轴向距离
RDI        内旋方向
RDO        外旋方向

Claims (10)

1、一种轴流式正排量蜗杆泵(8)，包括：
与出口(22)轴向隔开且位于出口(22)上游的进口(20)，
包括设置在外本体(14)内的内本体(12)的泵组件(15)，且内本体和外本体从所述进口延伸至所述出口，
分别具有偏移的内轴线和外轴线(16，18)的内本体和外本体(12，14)，
内本体和外本体(12，14)中的至少一个围绕内轴线和外轴线(16，18)中的相对应的一条轴线是可旋转的，
所述内本体和外本体(12，14)具有分别曲绕内轴线和外轴线(16，18)的相互配合在一起的内外螺旋叶片(17，27)，
所述内外螺旋叶片(17，27)分别沿径向向外和向内进行延伸，
所述内本体和外本体(12，14)分别具有内外多个内外螺旋叶片(17，27)，且
所述内外螺旋叶片(17，27)的内外个数之一为两个或更多个。
2、根据权利要求1所述的蜗杆泵(8)，进一步包括外螺旋叶片(27)的个数比内螺旋叶片(17)的个数多一个或少一个。
3、根据权利要求1所述的蜗杆泵(8)，进一步包括具有足够多转数(43)以在泵运行期间将流体充注物(50)截留在泵组件(15)中的螺旋叶片。
4、根据权利要求3所述的蜗杆泵(8)，进一步包括足够多的用以机械截留住流体充注物(50)的转数(43)。
5、根据权利要求1所述的蜗杆泵(8)，进一步包括可分别沿与内旋方向和外旋方向(RDI，RDO)相同的方向分别围绕内轴线和外轴线(16，18)进行旋转的内本体和外本体(12，14)。
6、根据权利要求5所述的蜗杆泵(8)，进一步包括按照固定的传动比传动啮合在一起的内本体和外本体(12，14)。
7、根据权利要求5所述的蜗杆泵(8)，进一步包括外螺旋叶片(27)的个数比内螺旋叶片(17)的个数少一个并且内本体(12)围绕外轴线(18)沿与内旋方向(RDI)相同的轨道方向(W)进行轨道运行。
8、根据权利要求5所述的蜗杆泵(8)，进一步包括外螺旋叶片(27)的个数比内螺旋叶片(17)的个数多一个并且内本体(12)围绕外轴线(18)沿与内旋方向(RDI)相反的轨道方向(W)进行轨道运行。
9、根据权利要求1所述的蜗杆泵(8)，进一步包括所述内外螺旋叶片(17，27)的内本体扭转斜率(AI)和外本体扭转斜率(AO)，并且外本体扭转斜率(AO)与内本体扭转斜率(AI)的第一比值等于内本体(12)上的内螺旋叶片(17)的个数与外本体(14)上的外螺旋叶片(27)的个数的第二比值。
10、根据权利要求1所述的蜗杆泵(8)，进一步包括围绕外轴线(18)被旋转固定住的外本体(14)和围绕外轴线(18)轨道运行的内本体(12)。
CNA2007100051126A 2006-04-10 2007-02-09 轴流式正排量蜗杆泵 Pending CN101054972A (zh)

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