CN1042259C - 用于旋转压缩泵的输送螺旋副 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于旋转压缩泵的输送螺杆副，压缩泵中作为阳转子和阴转子的输送螺杆在壳腔中以相同的转速并且齿面间无摩擦地转动，在螺杆副之间形成有泄漏间隙，螺杆具有相同的螺纹深度，相同的螺纹头数以及两边对称的齿形。螺杆副的螺齿通过处于齿廓拐点(q)之下的齿根与处于齿廓拐点(q)之上的齿顶形成的导程，相互配合工作。本发明的改进在于，通过移动技术上作为转子导程(H)函数的齿廓拐点(q)，来保证对于一定的转子直径(Dk)，轴面基圆处由齿形产生的泄漏间隙(C)保持恒定。

Description

用于旋转压缩泵的输送螺旋副
本发明涉及一种用于旋转压缩泵的输送螺杆副，在压缩泵中作为阳转子和阴转子的输送螺杆在壳腔内以相同的转速无接触地转动，在螺杆副之间形成泄漏间隙，螺杆副具有相同的螺纹深度，相同的螺纹头数，以及两边对称的齿形。螺杆副的螺齿通过处于齿廓拐点下的齿根与处于拐点以上的齿顶形成的导程，相互配合工作。
在已知的螺杆泵上，被称作转子的转动的输送元件的外廓被制成螺纹形状，该形状虽合乎啮合原理，但主要不是为了传力而是为了在抽吸室与压出室之间形成一个密封的输送室。在所谓的外支承式螺杆泵中，转子在壳体内齿面无相互接触地转动，因而适于输送非润滑的粘性介质，这种介质通常混有污物或固态颗粒。
容量和总效率主要受输送介质的粘性及有害间隙的影响，而压力则受轴承间距、转子长度、转子的导程、直径及轮廓比例系数Nü(齿根圆直径与齿顶圆直径之比)的影响。
一般地，对转子而言，周围间隙(即转子与封闭的转子空腔之间的间隙、基本间隙(即一转子的外径与另一转子的齿根圆直径之间的间隙)以及转子嵌合时形成的转子齿面之间的间隙是有相互差别的。对齿面间隙而言，为满足无接触运动而预置的间隙与根据啮合原理而产生的间隙也是互不相同的。这种以齿廓为条件形成的泄漏间隙即是本发明要解决的问题。
如果被输送的无润滑介质中混有固态颗粒，则在反压下产生的回流在流经各间隙时会产生射流磨损，由此增大了间隙。以致在很短的工作时间内就会降低有效的输送介质。实现上解决这个问题的方法是或用多个串接的封闭腔，也就是通过增加腔室个数，或者通过改变阴转子的转速来解决。第一个解决方案将导致加长转子，从而加大轴承间距并且因增加了弯矩而限制了输送压力。第二个解决方案中，各转子具有不同的螺纹头数因而速度也不相同，这样就缩短了充液时间，在介质粘性较大的情况下，将不利于腔内介质完全充满。另一个缺点是，在一个转子具有多头螺纹的情况下，其最小螺纹导程总是要大于等螺纹头数的情况下的导程，否则齿强度或螺纹强度会减弱。这一缺点，同样会限制抽吸高度。
德国专利申请公开文献DE-3539096 A1公开了一种本说明书开头所说的输送螺杆副。该螺杆副是用于输送液体的。从螺杆副的纵切面看来，每一个螺旋的根部宽度都比分节圆处宽度大，而其顶部宽度都比分节圆处的宽度小，以使得阳、阴转子之间不会产生咬合。每一个螺旋的根部宽度和分节圆处的宽度之比在1.01到1.45之间。
本发明的任务在于，对本文开头提及的那种结构的输送螺杆副进行改进，使其具有尽可能短的转子长度，相应减少的轴承间距，尽可能少的段数，较大的齿顶厚度，较短的转子导程以及较小的周围间隙长度，从而使该螺杆泵能够利用较小的部件提供较多的输送流并承受较大的输送压力。
本发明的任务是通过以下的措施完成的，通过移动技术上作为转子导程函数的齿廓拐点，来保证对于一定的转子直径，在轴面上基圆处由齿形产生的泄漏间隙保持恒定。
其中，合适的方案是，齿廓拐点随着转子直径与转子导程之比而升高，并且齿廓拐点在满足以齿根圆直径与齿顶圆直径之比(Nü)为特征的结构参数条件下，随着转子导程的减小而升高，升高的范围是：从基圆半径起直到最大值r=1。
另一个特点是，齿廓拐点以一个最小值开始升高，该最小值大于基圆半径，而位于轴面基圆处的保持恒定的泄漏间隙高度为转子直径的0.1％至1.5％，以0.1％至0.8％为宜。
在输送含有较高气体成分的流体时，通常在较短的工作时间内会产生较高的局部压缩热，这特别会产生在靠近压力侧的转子齿处。这可能会导致局部的周围间隙的耗尽，结果因材料接触(摩擦锁止)作用而产生咬合现象。本发明通过以下的手段来解决这个问题，在多段转子中，只是对最靠近抽吸端的那段转子采用前述的按本发明给出的泄漏问题的选择。这样，气体也可以在沿着转子轴向逐渐增大的泄漏间隙腔室内压缩，所产生的压缩热可以分配给较大的转子表面，因而有利于散热。这样就避免了局部的齿顶过热。采用这种方法，首次解决了输送含气体95％以上流体的泵的最佳效率工作的问题。采用本发明还可以保证，在多级转子上，齿廓拐点可以在直至最靠近抽吸端的一段的范围内连续地、逐级地或不连续地向其最佳位置方向改变。
最小齿廓拐点可近似选为8/10基圆半径加0.2。精确的计算值则可由公式qmin=0.6258*e0.4886Nü得到。
本发明通过以下方式基本上解决了前面所提及的现有技术中的问题。将由齿形决定的有害间隙分配给具有相同转速的阳转子和阴转子上，其中，用适当的方法使齿根泄漏间隙大于齿顶泄漏间隙，最多可达到24倍。这样，在齿顶处流过的泄漏介质较小因而在齿顶处产生的摩擦也较小。此外，还提高了容量，进而改善了总效率并提高了螺杆泵的使用寿命。
在前述的适于多级转子的本发明的方案中，提供了这样的可能，不可压缩的介质可以通过间隙回流，而可压缩的介质则沿着轴向通过一段较长的距离被压缩。无轮齿廓拐点怎样升高到转子长度以上。齿廓拐点在抽吸端的转子端上总是有一最佳值，而在压出端的转子端上该拐点将沿着转子半径的方向升高。这样，在压出端形成的局部热通过齿形决定的间隙而沿着整个转子长度扩散，因此，在抽吸端，齿形决定的间隙应该减小。这种措施导致了在介质中气体含量较高时，可以移动横向力的作用点，使横向力由压出侧的中心移至设置在抽吸端的轴承上，从而减小了轴的弯矩。这类泵特别适于从井孔中抽吸石油，井孔中通常含有混有气体的介质(多相介质输送)。
以下将借助于附图进一步地说明本发明。在所采用的附图及以下的说明中将引用明细表中给出的标记号。
这些附图中：
图1a表示了在端面上对应于qmin的啮合图；
图1b表示了在端面上对应于qmax的啮合图；
图1c表示了转子长度，转子螺距和齿顶区之间的关系；
图2为轴向面上的齿形图；
图3表示了在同一段内，相同直径的情况下对应于q=1,q=m,q=qmin时轴向间隙的对比情况；
图4表示了对应于qmin与qmax的轴向间隙；
图5表示了齿顶与齿根在端面啮合区内位于齿形死点(齿根园直径与齿顶圆直径比Nü=0.4和Nü=0.65)上的无因次损失面积(RK/RK=1=r)；
图6表示了具有连续变化的齿形加工圆的轴向齿形图；
图7为现有技术的具有外轴承的螺杆泵的纵向剖视图；
图8为图7所示螺杆泵的缩小比例的横剖视图。
图7和图8中所示的螺杆泵中的输送元件是两个相互无接触地嵌合并且转向相反的输送螺杆对，每个螺杆对都包括一个右旋螺杆1和一个左旋螺杆2。通过这种双旋向布置，可以平衡轴向推力。相互嵌合的输送螺杆与将其封闭的壳体3共同构成了一个封闭的输送室。当驱动轴4转动时，输送室将由吸入侧向压出侧连续地并与驱动轴平行的移动。其中，驱动轴的旋转方向即确定了输送室的输送运动方向，沿着输送元件的长度方向上产生的压力几乎是线性的，经由泵的抽吸管5流入或吸入的介质分两路被引到泵体6内的两个抽吸室内。
由驱动轴到被驱动轴的扭距传递是通过设置在壳体6之外的齿轮变速箱7来实现的，该变速箱的设置保证了输送元件的无接触运行。标号8用来表示轴封。
图7中的箭头9表示了驱动轴4的旋转方向。图8中清楚地表示了压出口10。
其他表号的意义均列入明细表中。
根据本发明，输送螺杆的齿面应尽可能地加工成平直的而避免产生凹凸形状，应力求使与齿形有关的损耗尽可能小。在极限值q=m和q=1之间选择最佳值，使得到的齿顶对应于小齿高，大齿顶厚度，并且相互嵌合的齿面的距离较小。这些要求应该在整个转子段区域内同样地被满足。
q=1时，齿顶高为零，齿顶厚最大，为H/2，齿面间距与齿根损失为最大。在要求齿强度稳定，齿形梯度最小的情况下，这种选择是不合适的。由于齿根间隙大，因而在较小的反压下就会有很大的回流损失，从而不能有效地输送介质。
在另一种极限的情况下，即q=m时，齿根高最大，为全齿高的一半，齿顶厚则为最小，此时只存在一个与齿形相关的齿顶间隙。齿面间距直至中部时都为零，从齿中部开始增加，至转子半径时达到最大值。由于反作用力最大，所以应力使q值远离该极限点。
通过按本发明方法分配齿顶间隙与齿根间隙，可以在兼顾输送螺杆齿面间表面摩擦力以及保证等压差，特别是在保证低粘度，高气化的条件下，明显地减少回流损失。由此达到改善效率以及减少射流损失的目的。
在采用气态介质时，本发明的方案是以解决产生的压缩热为目标来分配各参数，由此克服齿顶周围间隙损耗并减少运行噪音。
明细表
L0转子的立式止推轴承之间的距离
F0-1转子的长度       A止推轴承的中心距
H转子的螺距          K转子的段数
G转子的螺纹头数      S齿顶区
Av    在转子周围及密封的壳体之间的泄漏面积
Ak    啮合时齿顶处(在端面内)的泄漏面积
Af    啮合时齿根处(在端面内)的泄漏面积
Av    啮合时齿顶处及齿根处(在端面内)的泄漏面积总和
DK    齿顶圆直径=转子直径(RK=DK/2)
DF    齿根圆直径=(RF=DF/2)
DT    节圆直径=基圆直径(RT=DT/2)
Dq    分度圆直径(Rq=Dq/2)
Nü           齿根圆直径与齿顶圆直径之比(DF/DK)
m       无量纲的节圆半径系数(RT/RK)
q       无量纲的分度圆半径系数(Rq/Rk)
qmin  最小齿廓拐点    qmax最大齿廓拐点
q=1     无齿顶间隙       q=m无齿根间隙
r=1     无因次齿顶半径(RK/RK=1)
C       轴面基圆处由齿形产生的泄漏间隙
αu   转子与转子壳的接触角
Figure C9311689900101
    密封的转子壳的张角
αm   在端面上位于基圆半径处的齿形角
αSK  在端面上位于任一齿顶圆半径处的齿形角
αFL  在轴向平面内位于齿顶圆半径处的齿形角
β            在端面上位于转子半径处的齿形角

Claims (7)

1、一种用于旋转压缩泵的输送螺杆副，压缩泵内作为阳转子和阴转子的输送螺杆在壳腔内以相同的转速并且齿面间无摩擦地转动，在螺杆副之间形成有泄漏间隙，输送螺杆具有相同的螺纹深度，相同的螺纹头数，以及两边对称的齿形，螺杆副的螺齿通过处于齿廓拐点(q)下的齿根与处于齿廓拐点(q)之上的齿顶形成的导程，相互配合工作，其特征在于，通过移动技术上作为转子导程(H)函数的齿廓拐点(q)，用以保证对于一定的转子直径(DK)，轴面基圆处由齿形产生的泄漏间隙(C)保持恒定。
2、如权利要求1所述的输送螺杆副，其特征在于，齿廓拐点(q)随转子直径(DK)与转子导程(H)的比值升高而升高。
3、如权利要求1或2所述的输送螺杆副，其特征在于，齿廓拐点(q)在满足以齿根圆直径(DF)与齿顶圆直径(DK)之比(Nü)为特征的结构参数的条件下，随着转子导程(H)的减小而升高，升高的范围是，从基圆半径(m)起直至最大值r=1。
4、如权利要求1,2或3所述的输送螺杆副，其特征在于，齿廓拐点(q)以一个最小值开始升高，该最小值大于基圆半径(m)。
5、如上述权利要求之一的输送螺杆副，其特征在于，位于轴面基圆处保持恒定的泄漏间隙高度为转子直径的0.1％至1.5％，以0.1％至0.8％为宜。
6、根据权利要求5的输送螺杆副，其特征在于，转子为多段结构只对最靠近抽吸端的那段转子采用上述权利要求中给出的方法选择泄漏间隙。
7、如权利要求6所述的输送螺杆副，其特征在于，在多段转子的情况下，齿廓拐点(q)在直至最靠近抽吸端的转子端的范围内连续地，逐级地或不连续地向着其最佳位置的方向变化。
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