CN101384821A - 单轴螺旋泵 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种单轴螺旋泵(1)，用于以高泵送效率输送多种粘性流体，其中，当转子(3)旋转时，抑制装置抑制流体围绕轴(6)旋转的趋势。结果，吸入在螺旋状螺纹(5)和内圆柱形壳体(10)的内表面之间的所有流体在轴向上被朝向排出端推动。该螺旋泵(1)结构简单并且外部尺寸小。其也可用作液轮机、热力马达、液力马达、挤压机、成型机等。所述螺旋泵的特征在于，螺纹转子(3)的螺纹(5)垂直于所述轴断开，以形成多个螺纹部分，多个环形抑制装置(7)插入形成在所述断开的螺纹部分(5)之间的环形间隙内，所述环形抑制装置(7)具有抑制元件(9)和用于流体被输送通过的开口(8)，内圆柱形部分(10)轴向布置在所述插入的环形抑制装置(7)之间以包围螺纹转子(3)。

Description

单轴螺旋泵

技术领域

本发明涉及一种以高泵送效率输送具有不同粘度的多种液体的单轴螺旋泵，并且也涉及具有大输出的马达。

背景技术

公元前300年，古希腊科学家阿基米德(Archimedes)发明了使用竹子泵送水的所谓“螺旋泵”，该螺旋泵具有安装到轴上的螺旋叶片，轴在圆柱形空心竹杆内部旋转。

与其他类型的螺旋泵相比，有一种螺旋泵因其简单的结构、机械性能强的转子以及大范围的流动和压缩运行能力而作为很有前途的泵受到人们的关注。

其进口端和排出端由密封管线限定的螺旋泵称为封闭式螺旋泵。而不带有这种密封管线的螺旋泵称为开放式螺旋泵。根据承载螺纹转子的轴的数量，封闭式螺旋泵可被分类成一轴螺旋泵(或单轴螺旋泵)、两轴螺旋泵和三轴螺旋泵。

一轴螺旋泵的例子是Moineau泵，其包括带有外螺纹的转子，该转子安装在带有内螺纹的弹性壳体内，在相反方向上盘绕的各承载螺纹将相互啮合。当螺纹转子相对于外壳旋转时，吸入在形成于每个螺距内的分隔间内的流体在轴向上被连续地输送。因此，Moineau泵能以高泵送效率定量地传送多种粘性的流体。螺纹转子的外螺纹和外壳内螺纹的相互啮合可通过复杂的动力装置的两种移动模式实现；即，偏心旋转和摆动移动，其导致动力装置的复杂性和由于动态载荷的不利振动。此外，外壳应由具有良好的耐用性的弹性非金属材料制成，并且为此目的一般使用耐用的合成橡胶，但其使用寿命为一个月或更短。近来引入的陶瓷外壳显著地提高了使用寿命，但在排出端所获得的压力降低到了合成橡胶螺旋泵的一半。由于其提供偏心旋转和摆动这两种移动模式的动力装置的不平衡的旋转移动，旋转速度受到限制，这使得不可能用Moineau泵进行大量传送。此外，由于能使密封形成的螺纹相互啮合以及用高泵送效率强制流体输送到出口而产生很多机械摩擦损失。

为努力克服这种摩擦损失和对旋转速度的限制，发明了带有两个轴的螺旋泵。两轴螺旋泵包括两个平行隔开的轴，每个轴均承载带有外螺纹的转子，所述轴被安装在泵体内，以使转子的螺纹相互啮合。当转子旋转时，吸入到转子螺纹和壳体内表面之间的每个螺距内的液体体积被朝向泵的出口推动。在旋转过程中螺纹啮合，所以不可避免地在相互啮合的点处形成间隙。通过使两个螺纹转子的外径有精确的差异，理论上可以避免间隙的形成，这使得螺旋泵能在高压中运行。在形成的密封中应保持理想的间隙并且需要使两个转子的旋转速度同步。因此，两轴和三轴螺旋泵必须具有包括一对同步齿轮的中间动力装置。

因此这些螺旋泵的生产在相互啮合的螺桨(propeller)的加工过程中出现多种技术问题。此外，封闭式两轴和三轴螺旋泵仅能输送无异物的润滑性流体。

开发出了开放式两轴螺旋泵以扩大可应用的流体的限制范围，改进螺旋泵的输送条件并且降低生产成本。

对于开放式两轴螺旋泵，理论上甚至不形成密封管线，其使得可以输送较大的流动和输送压缩范围的非润滑性流体。然而，这些开放式螺旋泵的制造过程仍然复杂并且它们的重量更重，这是因为流体的轴向移动必须通过包括一对同步齿轮的动力装置实现。

已进行了许多研究来避免结构中的复杂性和由于中间动力装置导致的制造麻烦，以通过单轴螺旋泵实现流体轴向地强制输送。

当螺纹转子在带有线性中心轴的外圆柱体内旋转时，被吸收在螺纹沟槽内的粘性流体因其粘性而围绕螺纹轴旋转，并且因此当螺纹转子旋转时不会在轴向上移动。在用于输送带有高变形阻力的粉末材料的螺旋泵的结构中，圆柱形壳体的内表面上的线性和格栅形的沟槽抑制了材料在围绕轴的方向上的移动并且强制其在轴向上移动，其中，靠近壳体内表面而不靠近轴的材料在围绕其轴的方向上的移动更加被抑制，由此被迫使在轴向上移动。

为实现流体在带有平滑内表面的圆柱形壳体中在轴向上的强制输送，正如在多轴螺旋泵中实现的一样，需要抑制流体在围绕螺纹转子的轴的方向上移动的趋势。这基于螺栓和螺母的原理；为保证螺母的轴向移动，在螺栓旋转时应抑制螺母围绕轴的移动。

发明内容

本发明的第一个目的是通过发明一种单轴螺旋泵的新结构来提供一种带有高泵送效率的螺旋泵，其中，通过在转子旋转时抑制液体围绕轴旋转的趋势，使吸入在螺旋叶片和圆柱形壳体内表面之间的被输送流体的整个体积在轴向上被朝向排出端推动。

本发明的第二个目的是提供一种单轴螺旋泵，其制造结构简单，外部尺寸小并且能运送具有不同粘度的流体。

本发明的第三个目的是提供一种单轴螺旋泵，其具有连续的运动模式，短输送通道和良好平衡的旋转状态，从而导致高泵送速度。

上述目的可通过本发明实现，本发明公开了一种单轴螺旋泵，其主要包括：带有进口端和排出端的外圆柱形壳体；安装在所述壳体中的螺纹转子，该螺纹转子旋转时将流体从进口端输送到排出端；直接连接到所述转子上以驱动转子的马达，其特征在于，在所述转子轴上延伸的螺纹垂直于所述轴断开，以形成多个螺纹部分，多个环形抑制装置插入形成在所述断开的螺纹部分间的环形间隙内，所述的环形抑制装置具有抑制元件和用于流体输送通过的开口，内圆柱形部分被轴向布置在所述插入的环形抑制装置之间以包围螺纹转子，结果，在所述轴旋转时，由所述的抑制元件抑制流体在围绕轴的方向上的移动，并且流体在轴向上被推动到排出端。

在本发明的优选实施例中，螺纹在螺距间隔处垂直于所述轴断开以形成多个螺纹部分，多个环形空间形成在螺纹部分之间。多个抑制装置插入到所述空间内。在此实施例中，螺纹部分的数量等于螺距的数量。

根据本发明，所述的抑制装置是环形盘，其装配在所述环形间隙内。所述环形盘包括交替的抑制元件和流体可在轴向上通过的开口。通过所述抑制元件，流体被抑制了在围绕轴的方向上的移动，并且由此在轴向上被推动。

在本发明的优选实施例中，所述环形抑制装置以直径半分，以便于制造，并且径向上插入螺纹部分之间的环形空间内以被组装为部件。

根据本发明，所述环形抑制装置的内径小于所述轴的内径，由此，所述装置插入到轴上导致完全密封。

在抑制装置的开口与螺纹交叉的螺纹断开表面的部分是圆形，由此降低对流体的阻力。

如果所述螺旋泵被用作挤压机或成型机，则所述抑制装置的抑制元件为棒形。

所述螺旋泵的轴从进口端到排出端逐渐变细，其朝向排出端的锥度为1/2至1/40。

外圆柱形壳体是套筒的形式，以使所述被半分的抑制装置和内圆柱形部分可方便并且精确地组装。

根据本发明的单轴螺旋泵进一步包括液体缓冲均衡器以均衡螺旋泵的推力，其中，旋转液体缓冲均衡盘固定到所述螺纹转子的轴上，静止的液体缓冲均衡盘安装在片的覆盖件的内部。两个均衡盘通过偏心环接触。

单轴螺旋泵进一步包括轴承结构，其中，纤维质(fibred)的非金属片(non-metallic medal)插入到3至6个径向布置在钢(或铸铁)轴套内的孔内。所述结构使得轴承可以安全地浸入流体内并且也使得轴承可以相互接近地定位。

根据本发明的单轴螺旋泵的外部尺寸小于具有相同排泄能力的开放式两轴螺旋泵外部尺寸的一半。

与带有相同螺纹直径的Moineau泵相比，本发明的螺旋泵的流量增加了十倍，外部尺寸仅为40％，生产成本小于七分之一。由于其简单的动力装置和无摩擦表面，其使用寿命比Moineau泵增加了20倍，并且在运行过程中产生较小的振动和噪音。

如果根据本发明的螺旋泵被用作液轮机，则对于其接近1的反应率(reaction rate)，其效率高于现有液轮机10％至15％。对于相同的输出，其每马力功率的重量降低到现有液轮机的1/8至1/10，而其使用寿命与现有涡轮机相比增加五倍。

由于本发明的上述优点，其可以有效地用于多种目的，例如，用作液轮机、热力马达、液力马达、液力联接器、挤压机、食物处理机。

从下述结合附图的描述中，本发明以上的目的、特征和优点将更清楚，在附图中通过举例示出了本发明的优选实施例。

附图说明

图1是根据本发明优选实施例单轴螺旋泵的剖视图，其中，多个抑制装置插入在断开的螺纹部分之间以抑制流体围绕轴的移动并且在轴向上推动所有的流体。

图2(a)是根据本发明优选实施例的液体缓冲均衡器的剖视图。

图2(b)是所述液体缓冲均衡器的剖视图，其示出了通过偏心环接触的旋转盘和静止盘的接触表面。

图3(a)是根据本发明轴承的非金属片的剖视图。

图3(b)是示出非金属片及其覆盖件的剖视图。

具体实施方式

现在参见图1，示出了根据本发明制成的螺旋泵1，其包括外圆柱形壳体2，壳体2具有进口端1a和排出端1b。

螺纹转子3为模制构件或焊接构件，其直接与马达4连接并且可旋转地安装在所述外壳体2内。

在螺纹转子3上延伸的螺纹5在螺距间隔处断开，以形成和螺距一样多的多个螺纹部分5。螺纹轴6不断开，结果，当转子3旋转时，在所述断开的螺纹部分5之间形成多个环形空间。

装配在所述环形空间内的多个环形抑制装置7插入其内。当螺纹转子3旋转时，所述装置7抑制被输送的流体在围绕轴6的方向上移动，并且迫使流体朝向排出端1b轴向移动。一个环形抑制装置7布置在螺纹的开始处，目的是从开始就抑制被输送的流体，因此环形抑制装置7的数量比螺纹的螺距的数量多一个。

如在图1中示出，环形抑制装置包括交替的抑制元件9和用于流体通过的梯形开口8。

如果所述螺旋泵被用作挤压机和成型机，则抑制元件为棒形。

环形抑制装置7以直径分成两个部分，如在图1中示出，以便于制造。螺纹转子3、内圆柱形部分10和两个分开的螺纹部分7以适合顺序制造。两个分开的螺纹部分7分别在径向上插入环形空间内以组装成一个部件。

环形装置7的内径略微小于轴6的内径，因此，在轴6上的环形装置7与轴6相互交叉处形成沟槽。并且环形装置7嵌入其内。因此，环形装置7插到轴6上导致完全密封的结构，以防止流体泄漏到所述装置7和轴6之间的间隙内。

螺纹转子3的轴6朝排出端1b逐渐变细，以增加每个螺纹部分5内的填充系数，根据被输送的流体的种类其锥度范围从1/2至1/40。

多个内圆柱形部分10布置在所述环形抑制装置7之间以包围螺纹转子3。

在抑制装置7的开口与螺纹被切断的表面交叉处，螺纹5被切断的表面的部分为圆形，以由此减小对流体的阻力。

外圆柱形壳体2是套筒的形式，使得所述被半分的抑制装置7和内圆柱形部分10可以方便并且精确地组装。

如在图2(a)和图2(b)中示出，用于均衡螺纹转子3的推力的装置布置在排出端1b，其包括静止的液体缓冲盘11和旋转的液体缓冲盘12，它们通过偏心环13b接触。

如在图3(a)和图3(b)中示出，在其覆盖件15a和15b内的纤维质非金属片16a和16b插入径向布置在钢(或铸铁)轴套14a和14b上的3至6个孔内，这使得轴承结构可以安全地浸入到流体内并且受到流体润滑。

下面详细描述上述螺旋泵1的运行。

首先解释带有连接螺纹的螺旋泵的运行。当螺纹转子旋转时，螺纹转子周围的流体接收旋转力矩和来自螺纹工作表面及圆柱体内表面的抗旋转力矩。当转子旋转时，具有粘性的流体有围绕轴旋转的趋势，而圆柱体的内表面对流体产生反旋转力矩，并且推动其在轴向上朝向排出端移动。由于当转子旋转时，大部分吸入在螺纹沟槽内的流体趋向于围绕轴移动，所以在螺纹工作表面与流体之间的相对速度的差接近0。因此，不会形成几何流动和压缩，并且旋转流体导致圆柱体内侧变热。

下面描述通过本发明提供的带有断开的螺纹部分5和它们之间的环形抑制装置7的螺旋泵1的运行。当转子3旋转时，吸入在螺纹沟槽内的流体通过抵制其围绕轴6移动的抑制元件来接收能量。当被抵制的表面积增加时，大部分流体被迫使在轴向上朝向排出端1b水平流动。结果，形成几何流动并且获得了压缩能量，该压缩能量与相对速度的平方成比例。环形抑制装置7具有交替的抑制元件9和开口8，它们同时提供了抑制效果和输送效果，机械能和压缩能连续互换。

因此，在排出端1b处获得的压缩能等于在一个螺纹部分5内的压缩能乘以螺纹部分5的数量。

在根据本发明的单轴螺旋泵1内，通过流体的压缩能产生轴向推力。图2(a)和图2(b)示出了在本发明实施例中使用的液体缓冲均衡装置，以均衡本发明的螺旋泵1的轴向推力。下面详细描述所述均衡器11的运行。旋转的缓冲盘12和静止的盘11的前表面受到穿过在排出端1b处的轴套14(b)和轴6之间间隙的压缩流体的影响，所述两个盘被固定到轴6上并且被防止轴向移动。在旋转的缓冲盘12的环形表面上，相应于其总面积给定压力，通过控制所述盘11的直径而使该压力与轴向推力均衡。如在图2(a)和(b)中示出，所述旋转的缓冲盘12和静止的缓冲盘11在它们的侧面通过非金属环13b相互理想接触，该非金属环13b偏心地固定到静止的盘11上。所述非金属环13b包括旋转和摆动移动，结果，其不断被润滑和冷却，以致由此使其使用寿命比积累热量的同心环增加了20倍。如果在进口端处的轴6和片16a的覆盖件15a之间由于不平衡的推力而可能发生另外的接触，则将非金属接触环13b插在所述覆盖件15a的侧面，以致由此降低摩擦。

由于其从进口端1a到排出端1b的轴向平行流动，所以根据本发明的带有抑制装置7的单轴螺旋泵1具有短输送路线，并且不会受径向载荷的影响。所述螺旋泵的轴承安装在轴两端上，其中，纤维质的非金属(木制或胶合板)片插入径向布置在钢(或铸铁)轴套14上的3至6个孔内。所述结构使得轴承可以安全地浸入流体内并且受到流体润滑，也使得轴承相互接近地定位。钢和纤维非金属材料之间的竖直接触具有低磨损系数，导致其使用寿命比金属球轴承增加3至5倍。

本发明不限于上述的实施例。

Claims (11)

1.一种单轴螺旋泵，主要包括：带有进口端和排出端的外圆柱形壳体；安装在所述壳体内的螺纹转子，该螺纹转子在旋转时将流体从进口端输送到排出端；直接连接到所述转子上以驱动转子的马达，其特征在于，在所述转子轴上延伸的螺纹垂直于所述轴断开，以形成多个螺纹部分，多个环形抑制装置插入形成在所述断开的螺纹部分之间的环形间隙内，所述环形抑制装置具有抑制元件和用于流体输送通过的开口，内圆柱形部分轴向布置在所述插入的环形抑制装置之间以包围螺纹转子，结果，当所述轴旋转时，流体由所述抑制元件抑制了在围绕轴方向上的移动，从而在轴向上被推动到排出端。

2.根据权利要求1所述的单轴螺旋泵，其中，螺纹在螺距间隔处垂直于所述轴断开以形成多个螺纹部分，多个环形装置插入形成在所述螺纹部分之间的间隙内。

3.根据权利要求1或2所述的单轴螺旋泵，其中，所述抑制装置是环形盘，该环形盘装配在所述环形空间内。

4.根据权利要求3所述的单轴螺旋泵，其中，所述环形抑制盘以直径对分并且径向插入所述环形空间内。

5.根据权利要求3或4所述的单轴螺旋泵，其中，所述环形抑制盘的内径小于轴的内径，由此，所述装置插入到轴上导致密封结构。

6.根据权利要求1至5之一所述的单轴螺旋泵，其中，在所述抑制装置的开口与所述螺纹交叉处的螺纹断开表面为圆形。

7.根据权利要求1所述的单轴螺旋泵，其中，如果该螺旋泵被用作挤压机或成型机，则所述抑制装置的抑制元件为棒形。

8.根据权利要求1至7之一所述的单轴螺旋泵，其中，所述螺旋泵的轴从所述进口端到所述排出端逐渐变细，其朝向所述排出端的锥度为1/2至1/40。

9.根据权利要求1至8之一所述的单轴螺旋泵，其中，外圆柱形壳体是套筒的形式，使得所述被半分的抑制装置和内圆柱形部分能够方便并且精确地组装。

10.根据权利要求1所述的单轴螺旋泵，进一步包括液体缓冲均衡器以均衡螺旋泵的推力，其中，旋转的液体缓冲均衡盘固定到螺纹转子的轴上，静止的液体缓冲均衡盘安装在片的覆盖件的内部，由此，两个均衡盘通过偏心环接触。

11.所述单轴螺旋泵，进一步包括轴承结构，其中，纤维质非金属片插入径向布置在钢(或铸铁)轴套内的3至6个孔中，以使得轴承安全地浸入流体内并且受到流体润滑。

Images