CN101351646A

CN101351646A - 螺杆泵

Info

Publication number: CN101351646A
Application number: CNA2006800469516A
Authority: CN
Inventors: M·H·诺尔思; N·特纳; T·R·G·达文尼; T·C·德拉佩尔
Original assignee: BOC Group Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd; Edwards Ltd
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2026-12-04
Also published as: EP1960671B1; KR20080072911A; BRPI0619811B1; GB0525378D0; BRPI0619811A2; JP5249778B2; JP2009519405A; CN101351646B; WO2007068973A1; KR101324873B1; EP1960671A1; US8827669B2; US20100296958A1; GB0617388D0

Abstract

一种螺杆泵(10)，所述螺杆泵包括具有流体入口(18)和流体出口(20)的定子(12)，所述定子罩住带有外螺纹的第一锥形转子和第二锥形转子(26，28)，所述第一转子和第二转子被装配在相应的轴上面且适于在定子(12)内对转从而压缩从流体入口流至流体出口的流体，其中所述螺纹(30，32)具有朝向流体出口(20)增大的螺距。

Description

螺杆泵

技术领域

本发明涉及一种螺杆泵。

背景技术

由于螺杆泵可由很少的加工部件制造而成并且由于螺杆泵具有从入口处的高真空环境泵送直到出口处的大气压力条件的能力，因此螺杆泵具有潜在的吸引力。螺杆泵通常包括分别承载带有外螺纹的转子的两个隔开的平行轴，所述轴被装配在泵体中，从而使得所述转子的螺纹互相啮合。啮合点处的转子螺纹之间的紧公差以及利用用作定子的泵体的内表面致使在入口与出口之间进行泵送的气体体积被截留在转子螺纹与内表面之间，并且由此在转子进行旋转时推动所述泵。

在使用过程中，由于气体受到转子的压缩从而产生热量。因此，转子温度快速升高，最引人注目的是，在接近泵的出口的转子的多个段处，转子温度快速升高。通过进行比较，大部分定子较大且因此定子的加热速率略低于转子的加热速率。这样就在转子温度与定子温度之间产生了差异，这种温差如果持续积聚而不进行削减，当转子与定子之间的间隙减小时，那么可能会导致转子咬在定子内。

例如由国际专利申请WO 2004/036049已公知：提供一种用于冷却螺杆泵中的转子的系统，冷却剂被输送进入到所述系统中，且随后排出在螺杆泵中的每个转子的端部形成的腔体。虽然能够对转子提供有效冷却，但是这种系统倾向于实施起来在系统的复杂度与系统部件成本方面相对昂贵。

发明内容

第一方面，本发明提供了一种螺杆泵，所述螺杆泵包括具有流体入口和流体出口的定子，所述定子罩住带有外螺纹的第一转子和第二转子，所述第一转子和第二转子被装配在相应的轴上面且适于在定子内对转从而压缩从流体入口流至流体出口的流体，所述转子的轴向剖面从流体入口向流体出口发生改变，并且所述螺纹具有朝向流体出口增大的螺距。

通过改变所述转子的轴向剖面并且增大所述螺纹的螺距，可以获得在接近大气条件的压力下具有得到改善的泵送容量的螺杆泵，同时在最终进行泵送时保持功率需要量较低。可选择所述转子的每一段的体积容量从而以最优的方式适应前述条件。例如，各入口段可分别具有较大的体积容量并且彼此间大体上相类似。相反，各排气段可分别具有较小的体积容量并且彼此间在体积方面大体上相类似。

所述转子可以是渐缩的，且因此，本发明的第二方面提供了一种螺杆泵，所述螺杆泵包括具有流体入口和流体出口的定子，所述定子罩住带有外螺纹的第一锥形转子和第二锥形转子，所述第一锥形转子和第二锥形转子被装配在相应的轴上面且适于在定子内对转从而压缩从流体入口流至流体出口的流体，所述螺纹具有朝向流体出口增大的螺距。

每个转子的轴向剖面的径向末端的位点可从流体出口向流体入口发生变化，由此使每个转子的接触表面发生改变。

所述螺纹的螺距可从流体入口向流体出口逐渐增大。所述螺纹的螺距可从沿转子的中途向流体出口增大。

第三方面，本发明提供了一种螺杆泵，所述螺杆泵包括具有流体入口和流体出口的定子，所述定子罩住带有外螺纹的第一锥形转子和第二锥形转子，所述第一锥形转子和第二锥形转子被装配在相应的轴上面且适于在定子内对转从而压缩从流体入口流至流体出口的流体，每个转子包括接近流体入口的第一部段和接近流体出口的第二部段，其中所述第二部段的螺纹具有朝向流体出口增大的螺距。

第一部段的螺纹的螺距可大体上是恒定的或者该螺距可朝向流体出口发生变化。第一部段的螺纹的螺距可朝向流体出口减小。

所述第一部段可包括接近流体入口的第一子部段和接近第二部段的第二子部段，并且其中第一子部段的螺纹的螺距与第二子部段的螺纹的螺距是不同的。第二子部段的螺纹的螺距可朝向流体出口减小。第一子部段的螺纹的螺距可朝向流体出口增大。

所述螺纹可具有矩形剖面。另一种可选方式是，所述螺纹可具有共轭形式。

在本发明的上下文中，共轭相对于转子的形式而言被使用并且共轭指的是一对转子之间的关系，其中一个转子的形状由另一个转子的形状决定。在共轭的转子之间能够实现非常紧密的联接，从而导致所述转子之间具有良好的密封特性。

附图说明

下面仅通过实例的方式并结合附图对本发明的优选技术特征进行描述，其中：

图1示出了一种螺杆泵的剖视图；

图2示出了适用于图1所示的螺杆泵中的另一转子的剖视图；

图3示出了一个具有恒定螺距的转子的各段和与图2所示相类似的转子的各段的体积容量的变化的曲线图；

图4示出了适用于图1所示的螺杆泵中的另一对互相啮合的转子；和

图5示出了图4所示转子中的一个转子的轴向剖面。

具体实施方式

首先参见图1，螺杆泵10包括具有顶板14和底板16的定子12。流体入口18成形在顶板14上，而流体出口20成形在底板16上。螺杆泵10进一步包括第一轴22和与第一轴间隔开并且平行于第一轴的第二轴24，所述第一轴22和第二轴24具有与顶板14和底板16大体上正交的纵向轴线。设置轴承(图中未示出)用以支承第一轴22和第二轴24。所述第一轴22和第二轴24适于在定子内沿对向旋转方向围绕其纵向轴线进行旋转。所述第一轴22和第二轴24中的一根轴与驱动马达(图中未示出)相连，所述轴借助位于齿轮箱中的定时齿轮(图中未示出)而被联接在一起，从而使得在使用中，所述第一轴22和第二轴24以相同的速度且沿相反的方向进行旋转。

第一转子26被装配在第一轴22上面用于在定子12内进行旋转运动，而第二转子28相似地被装配在第二轴24上面。所述两个转子26，28中的每个转子的根部具有从流体出口20朝向流体入口18渐缩的形状，并且每个根部具有分别成形在其外表面上面的螺旋状叶片或螺纹30，32，从而使得所述螺纹如图所示相互啮合。按照这种方式使第一转子26和第二转子28渐缩用以增大位于转子排气段的转子的表面积，因此，螺纹顶端与定子之间的接触表面增大，从而使得其间的传热路径得到相应的改善。

计算第一转子26、第二转子28和螺纹30，32相对于彼此和相对于定子12内表面的形状，从而确保定子12内表面具有紧公差。第一转子26、第二转子28和螺纹30，32利用定子12内表面还限定出尺寸从流体入口18向流体出口20逐渐减小的流体腔室34，从而使得进入泵10中的流体在从流体入口18向流体出口20进行输送时受到压缩。

第一转子26、第二转子28的螺纹30，32分别具有朝向流体出口20增大的螺距。在如图1所示的实施例中，转子的螺距沿转子逐渐增大。转子的螺距朝向流体出口20增大用以进一步增大在泵10的使用过程中产生最大温升的第一转子26和第二转子28的各段的表面积。因此，环绕第一转子26和第二转子28的这些段且因此能够用作消散来自第一转子26和第二转子28的这些段的热量的散热器的定子12的表面积同样增大。在工作过程中，当与通过第一转子26和第二转子28朝向齿轮箱的热量流相结合时这种表面积的增大使得热量能够以足够大的速率从第一转子26和第二转子28中被除去，从而在不附加地需要任何冷却剂流通过第一转子26和第二转子28的情况下，避免第一转子26和第二转子28与定子12内表面之间产生碰撞。

图2示出了适用于螺杆泵10中的另一可选转子40。与图1所示第一转子26和第二转子28相类似，转子40的根部具有从其一端42向其另一端44渐缩的形状，从而使得当转子40被安装在定子12中时，转子40的根部从流体出口20向流体入口18渐缩，并且具有成形在其外表面上面的螺旋状叶片或螺纹45。螺旋状螺纹45的顶端直径相应地渐缩，从而允许与配合转子(图中未示出)的根部形成紧公差啮合。

在该实施例中，转子40被再分为在转子40被安装在定子12中时接近流体入口18的第一部段46和在转子40被安装在定子12中时接近流体出口20的第二部段48。在该实施例中，第二部段48延伸达到转子40的至少最后两极或排气段的距离。第二部段48的螺纹具有例如线形地或按指数规律地朝向端部42增大的螺距，并且优选使得在转子40被安装在定子12中时，第二部段48的各段彼此间具有相似的泵送体积。

第一部段46的螺纹具有不同于第二部段48的螺纹变化的螺距。第一部段46的螺纹的螺距可以是恒定的、从端部44朝向端部42减小、或者可以是以不同于第二部段48的螺纹变化的速度增大的。另一种可选方式是，如图2中所示，第一部段46可被再分为接近端部44的第一子部段46a和接近第二部段48的第二子部段46b。由于转子的各段由转子的螺纹的360°转数进行限定并且所述螺纹是连续的，因此所述各段并不一定被视为不连续的整体部分。在该实施例中，第一子部段46a延伸到第一入口段的范围之外，例如延伸至转子40的1.5、2、最高达到3段，而第二子部段同样延伸达到至少大约两个段的样子。第一子部段46a的螺纹同样具有朝向端部42增大的螺距，且优选使得在转子40被安装在定子12中时，第一子部段46a的各段彼此间具有相似的泵送体积。这样有助于在更高的压力下保持较高的泵送速度。相比较而言，第二子部段46b的螺纹具有朝向端部42减小的螺距。

因此，在包括两个转子40的泵10的使用过程中，从流体入口18流向流体出口20的气体体积的减小的主要部分是由转子40的第二子部段46b实施的。这有助于减小泵的最终功率，进而，导致在转子40的第二部段48中产生了更少的热量，由此降低了转子40的排气段的温度。

图3示出了通过具有图2所示类型的转子的螺杆泵的不同段的体积容量的变化的曲线图。在该曲线图中，从流体入口18到流体出口20的所述各段被编号为段1-7。段1和段2是转子40的第一子部段46a的入口段，段3和段4为转子40的第二子部段46b中的各段，段5至段7是转子40的第二部段48的排气段。另一种可选方式是，段5可被视为形成了转子40的第二子部段46b的一部分。

如上文中所述，排气段5至段7具有非常相似的体积容量。这些排气段使流过泵的气体压力大小升高达到最大程度，例如从位于段5的入口处的约1毫巴升高达到位于段7的出口处的约1000毫巴。因此，承担最大工作量的这些排气段发挥作用且因此在泵的使用过程中产生了最大的温度升。

由于被输送通过这些排气段的气体具有更高的压力，因此在这些段之间同样存在更大程度的反向泄漏。通过提供比前面的段具有更低体积容量的排气段且所述(两个或三个)排气段的体积容量大体上相同，该反向泄漏在热生成量和最终的功率需求量方面所造成的影响作用可能被降至最小程度。

此外，当所述泵最终工作时的每个段的功率需求量受到该段的体积与压力变化之间的关系的控制调节。因此，为了保持更低的功率需求量，所希望的是具有相对较小和大体上相等的体积容量的排气段。

与之相反，所希望的是提供具有相对较大的体积容量的入口段，且所述(两个或三个)入口段的体积容量大体上相同。这样，泵10例如在泵首先被打开时在高压条件下接收较大体积气体的能力得到增强。由于气体能够易于在入口段之间进行输送，而不会对气体流产生任何明显的阻碍，气体向流体入口18的方向泄漏可被避免并且在较高的入口压力条件下可以实现可接受的泵送速率。

图3中的虚线示出了泵的各段的体积容量的变化，所述泵包括具有螺距恒定的螺纹的锥形转子。当实施这种构造时，没有实现高入口压力下泵送速度增大和最终压力下功率需求量减小的全部利益。

图1和图2所示出的转子的外形轮廓具有大体上方材或呈矩形的形状，少量的非正交被引入到顶端部分上的螺纹的剖面中，从而使得所述齿能够实现相互啮合。另一种可选方式是，可以采用梯形形式。作为另一种可选方式，可以使用一对相互配合的共轭螺纹转子，所述共轭螺纹转子是具有使转子相互配合从而使得一个转子的形状由另一转子的形状决定进而在所述转子之间实现非常紧密的联接的形状的转子。在相互配合的共轭转子之间大体上实现良好的密封特性。

图4示出了一对相互啮合的共轭螺纹转子60，60’。如同图2所示的转子的情况一样，每一个转子60，60’具有锥形根部，每一个根部具有外螺纹65。所述螺纹65包括在转子60的径向末端纵向延伸的顶端接触部分61和在转子60的径向最内端纵向延伸的根端接触部分63。在工作过程中，顶端接触部分61与定子(图中未示出)的内表面相互作用并且还与相互配合的转子60’的根端接触部分63相互作用。

图5示出了图4所示共轭螺纹转子的轴向剖面。该实例剖面示出了转子60的外轮廓是如何由可分开进行定义的多个部段构成的，在该实例中为四个部段71，72，73，74。第一部段71为圆弧并且引入到由大体上呈螺旋形形状的部段形成的第二部段72中。所述第二部段72例如是阿基米德螺旋形或渐开螺旋形。另一种可选方式是，所述第二部段72可包括多个相互连接在一起的螺旋形子部段。例如，每一个子部段被构造以便在泵工作过程中两个转子进行旋转时与配合转子60’上的相应的子部段相啮合。结果是，两个转子不可能具有相同的轴向剖面轮廓，特别是如果所述第二部段72由单个部段形成而不是由多个子部段形成。如果螺旋形部段为渐开螺旋形，那么所述剖面轮廓可能是相同的。

在第二部段72后面是第三部段73，所述第三部段也是圆弧。最后的第四部段74为引入到第一部段71中的展开的凹形部段。

与使用共轭螺纹转子构造相关的优势主要涉及存在于相配合的转子之间的增强的密封特性。当被组装到定子中时，矩形或梯形形状的转子在相互啮合的转子与定子的相交点处大致形成一个“通气孔”。该通气孔导致一定量的流体从在一个转子与定子之间形成的流体腔室34(如图1中所示)传送至在另一个转子与定子之间形成的流体腔室34。然而，采用共轭螺纹形式，可以在每一段之间形成非常紧密的密封，从而使得可实现不连续顺序的轴向室，以便使各段之间的泄漏降至最小程度。

即便是螺距在沿转子60，60’的长度发生较快的变化时，与共轭螺纹转子构造相关的密封特性可得到保持。如上面所述，所希望的是改变沿转子长度的螺距从而由转子的中心部分实现最优的压缩形式，同时保持合理的泵的总功率需求量和泵的排气段的热学特征。

转子根部的渐缩特性示出了一种转子的剖面轮廓可沿所述轴，即从流体出口20朝向流体入口18，产生变化的方式。例如，第一部段71和第三部段73中的每一个的半径可增大或减小，从而形成锥形，且其它部段72，74的尺寸适于适应所述圆弧部段的径向变化。然而，其它参数也可沿所述轴发生改变。例如，第一部段71和第三部段73中的每一个的角度(α)可随沿所述轴的纵向距离而变化。增大角度(α)具有增大转子的纵向接触部分61，63的效果。因此，该表面区域与定子相接触，而配合的转子可对应地增大，而与螺纹的螺距无关，由此改善了转子之间和每个转子与定子之间的传热特性和密封性质。而相应段的体积容量也会受到影响，体积的变化受到螺距的任何变化的影响。

如上文中所述，外部轮廓的第二部段72或轴向剖面的径向末端的位点可包括多个相互连接在一起的螺旋形子部段。这些子部段的范围和定义也可随沿所述轴的纵向距离而变化。

Claims

1、一种螺杆泵，所述螺杆泵包括具有流体入口和流体出口的定子，所述定子罩住带有外螺纹的第一转子和第二转子，所述第一转子和第二转子被装配在相应的轴上面且适于在定子内对转从而压缩从流体入口流至流体出口的流体，所述转子的轴向剖面从流体入口向流体出口发生改变，并且所述螺纹具有朝向流体出口增大的螺距。

2、根据权利要求1所述的螺杆泵，其中所述转子是渐缩的。

3、一种螺杆泵，所述螺杆泵包括具有流体入口和流体出口的定子，所述定子罩住带有外螺纹的第一锥形转子和第二锥形转子，所述第一锥形转子和第二锥形转子被装配在相应的轴上面且适于在定子内对转从而压缩从流体入口流至流体出口的流体，所述螺纹具有朝向流体出口增大的螺距。

4、根据前述权利要求中任一项所述的螺杆泵，其中每个转子的轴向剖面的径向末端的位点从流体出口向流体入口发生变化，由此使每个转子的接触表面发生改变。

5、根据前述权利要求中任一项所述的螺杆泵，其中所述螺纹的螺距从流体入口向流体出口逐渐增大。

6、根据前述权利要求中任一项所述的螺杆泵，其中所述螺纹的螺距从沿所述转子的中途向流体出口增大。

7、一种螺杆泵，所述螺杆泵包括具有流体入口和流体出口的定子，所述定子罩住带有外螺纹的第一锥形转子和第二锥形转子，所述第一锥形转子和第二锥形转子被装配在相应的轴上面且适于在定子内对转从而压缩从流体入口流至流体出口的流体，每个转子包括接近流体入口的第一部段和接近流体出口的第二部段，其中所述第二部段的螺纹具有朝向流体出口增大的螺距。

8、根据权利要求7所述的螺杆泵，其中第一部段的螺纹的螺距大体上是恒定的。

9、根据权利要求7所述的螺杆泵，其中第一部段的螺纹的螺距朝向流体出口发生变化。

10、根据权利要求9所述的螺杆泵，其中第一部段的螺纹的螺距朝向流体出口减小。

11、根据权利要求9或10所述的螺杆泵，其中所述第一部段包括接近流体入口的第一子部段和接近第二部段的第二子部段，并且其中第一子部段的螺纹的螺距与第二子部段的螺纹的螺距是不同的。

12、根据权利要求11所述的螺杆泵，其中第二子部段的螺纹的螺距朝向流体出口减小。

13、根据权利要求11或12所述的螺杆泵，其中第一子部段的螺纹的螺距朝向流体出口增大。

14、根据前述权利要求中任一项所述的螺杆泵，其中所述螺纹具有矩形剖面。

15、根据权利要求1-13中任一项所述的螺杆泵，其中所述螺纹具有共轭形式。