CN106401947A - 一种变螺距变啮合间隙的螺杆转子 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种变螺距变啮合间隙的螺杆转子及双螺杆式气液混输泵，螺杆转子由吸入段(Ⅰ)和压缩排出段(Ⅱ)组成，吸入段(Ⅰ)截面型线保持不变，实现无间隙啮合；压缩排出段(Ⅱ)的截面型线是变化的，实现有间隙啮合，并且啮合间隙逐渐增大；在任意轴向位置处，螺杆转子的轴向截面型线都包括6段曲线和1个点；通过变螺距产生内压缩过程，使气液介质增压过程平稳，螺杆转子采用变化的啮合间隙，工作中形成一条从压缩腔通向排出口方向的卸压通道，在气液混合增压过程中，随着压缩腔容积的减小，从气液介质从压缩腔向排出口产生少量泄漏，实现液相压缩的随机卸荷，解决了因液体不可压缩而易产生的压力骤增和液击问题。

Description

一种变螺距变啮合间隙的螺杆转子

技术领域

本发明涉及双螺杆式气液混输泵，特别涉及适用于双螺杆式气液混输泵的一种变螺距与变啮合间隙的螺杆转子。

背景技术

以多相泵为核心的气液多相混输技术在石油工业中得到广泛应用，特别对边际油田和卫星油田的开发具有显著的经济效益；双螺杆式气液混输泵依靠两个螺杆转子之间的相互啮合，实现工作腔容积的周期性变化来对气液介质进行增压，达到混输气液混合介质的目的。按照螺杆转子所形成的工作腔的变化规律，现有的双螺杆式气液混输泵可分为两种：螺杆转子所形成的压缩腔容积始终不变、螺杆转子所形成的压缩腔容积逐渐减小。前者压缩腔容积恒定，无内压缩过程，这种双螺杆式气液混输泵在排出过程刚开始时，排出管道内的气液介绍倒流到压缩腔内，并与压缩腔内的气液介质进行混合，其增压过程不平稳、各压缩腔内气液介质压力升高不均匀、有压力突变，容易产生较大的冲击振动，其功耗大、工作效率低。后者有内压缩过程，即螺杆转子所形成的压缩腔是逐渐减小的，这种双螺杆式气液混输泵当输送的气液介质含液率较高时，由于液体的不可压缩性，其压缩腔内容易出现压力骤增，甚至液击的现象，影响双螺杆式气液混输泵的安全运行。

发明内容

针对以上问题，当含液率较高时，因液体不可压缩而易产生的压缩腔内压力骤增、甚至液击问题，为了提高双螺杆式气液混输泵工作过程中的稳定性和可靠性，降低压缩功耗，本发明提出一种变螺距变啮合间隙的螺杆转子及双螺杆式气液混输泵，通过变螺距产生内压缩过程，使气液介质增压过程平稳，采用变化的啮合间隙的螺杆转子，工作中形成一条从压缩腔通向排出口方向的卸压通道，在气液混合增压过程中，随着压缩腔容积的减小，从气液介质从压缩腔向排出口产生少量泄漏，实现液相压缩的随机卸荷，解决了压力骤增和液击现象；同时压缩腔在通向吸入口方向不存在泄漏通道，增压过程中气液介质不会产生从压缩腔向吸入口的外泄漏，进而不会降低其容积效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种变螺距变啮合间隙的螺杆转子，由吸入段(Ⅰ)和压缩排出段(Ⅱ)组成，其吸入段(Ⅰ)连接吸入口(3)，压缩排出段(Ⅱ)连接排出口(4)；吸入段(Ⅰ)和压缩排出段(Ⅱ)之间是光滑连接的；螺杆转子是变螺距的，从吸入段(Ⅰ)到压缩排出段(Ⅱ)方向，螺杆转子的螺距是逐渐减小的；螺杆转子的吸入段(Ⅰ)的任意轴向位置处的截面型线是相同的，螺杆转子的压缩排出段(Ⅱ)的任意轴向位置处的截面型线是变化的，螺杆转子的压缩排出段(Ⅱ)呈锥形，越靠近排出口(4)，其外径越小。

在工作过程中，右旋螺杆转子(1)与左旋螺杆转子(2)相互啮合，在两个螺杆转子的吸入段(Ⅰ)为无啮合间隙，在两个螺杆转子的压缩排出段(Ⅱ)为变啮合间隙；在其压缩排出段(Ⅱ)，右旋螺杆转子(1)的齿顶圆弧螺旋面(11)与左旋螺杆转子(2)齿根圆弧螺旋面(22)之间存在啮合间隙δ₁，左旋螺杆转子(2)的齿顶圆弧螺旋面(21)与右旋螺杆转子(1)齿根圆弧螺旋面(12)之间存在啮合间隙δ₂，右旋螺杆转子(1)的齿顶圆弧螺旋面(11)与泵壳(5)之间存在啮合间隙δ₃，左旋螺杆转子(2)的齿顶圆弧螺旋面(12)与泵壳(5)之间存在啮合间隙δ₄；在压缩排出段(Ⅱ)的不同轴向位置处，啮合间隙δ₁、δ₂、δ₃、δ₄是变化的，越靠近排出口(4)，啮合间隙δ₁、δ₂、δ₃、δ₄越大。

在螺杆转子的任意轴向位置处，右旋螺杆转子(1)的右旋截面型线(401)与左旋螺杆转子(2)的左旋截面型线(402)相同，都包括6段曲线和一个点，只是相互错开的角度不同；右旋螺杆转子(1)的右旋截面型线(401)包括：圆渐开线AB、点B、齿顶圆弧BC、齿尖圆弧CD、摆线的等距曲线DE、齿根圆弧EF、摆线FA；在工作中，以上各段曲线分别与左旋螺杆转子(2)的左旋截面型线(402)中的圆渐开线ba、摆线af、齿根圆弧fe、摆线的等距曲线ed、齿尖圆弧dc、齿顶圆弧cb、点b能够实现正确的啮合；各段曲线的方程如下：

圆渐开线AB的方程为：

齿顶圆弧BC的方程为：

齿尖圆弧CD的方程为：

摆线的等距曲线DE的方程为：

齿根圆弧EF的方程为：

摆线FA的方程为：

式中：t—角度参数，rad；R_b—圆渐开线的基圆半径，mm；R₁—齿顶圆弧半径，mm；r—爪尖圆弧半径，mm；R₂—节圆半径，mm；R₃—齿根圆弧半径，mm。

右旋螺杆转子(1)和左旋螺杆转子(2)均为变螺距的；右旋螺杆转子(1)是由右旋截面型线(401)沿右旋的变螺距圆柱螺旋线作螺旋展开而生成的；左旋螺杆转子(2)是左旋截面型线(402)沿左旋的变螺距圆柱螺旋线作螺旋展开而生成的；左旋的变螺距圆柱螺旋线与右旋的变螺距圆柱螺旋线具有相同的螺距变化规律，但旋向不同；左旋的变螺距圆柱螺旋线的方程为：

右旋的变螺距圆柱螺旋线的方程为：

式中：τ—螺旋线展开角；R—螺旋线基圆半径；P—初始螺距；λ—系数；n—螺距数。

在螺杆转子的压缩排出段(Ⅱ)的任意轴向位置处，其截面型线上的齿顶圆弧半径R₁、节圆半径R₂、齿根圆弧半径R₃、圆渐开线的基圆半径R_b都是变化的，都随螺旋线展开角τ的变化而变化，其变化规律符合如下方程：

齿顶圆弧半径R₁的变化规律为：

节圆半径R₂的变化规律为：

齿根圆弧半径R₃的变化规律为：

圆渐开线的基圆半径R_b的变化规律为：

式中：r₁—H—H截面型线中的齿顶圆弧半径；r₁′—L—L截面型线中的齿顶圆弧半径；r₂—H—H截面型线中的节圆半径；r₂′—L—L截面型线中的节圆半径；r₃—H—H截面型线中的齿根圆弧半径；r₃′—L—L截面型线中的齿根圆弧半径；r_b—H—H截面型线中的圆渐开线的基圆半径；r_b′—L—L截面型线中的圆渐开线的基圆半径；m为正整数，0<m<n，当0<τ<2mπ时为螺杆转子的吸入段(Ⅰ)，当2mπ<τ<2nπ时为螺杆转子的压缩排出段(Ⅱ)。

一种双螺杆气液混输泵，使用如权利要求1所述的一种变螺距变啮合间隙的螺杆转子。

本发明的有益效果

①所提出的螺杆转子是变螺距的，越靠近排出口(4)其螺距越小，因而其压缩腔容积是逐渐减小的，使双螺杆式气液混输泵具有内压缩过程，使气液介质增压过程平稳，降低压缩功耗；增加了双螺杆式气液混输泵的安全可靠性，拓宽其气液比适用范围；

②螺杆转子的吸入段(Ⅰ)是无啮合间隙的，保证在增压输送过程中气液介质不会发生从压缩腔向吸入口(3)的外泄漏，提高了容积效率。

③螺杆转子在压缩排出段(Ⅱ)呈锥形，使螺杆转子越靠近排出口(4)其啮合间隙越大，使得气液介质在增压过程中能够向排出口(4)产生内泄漏，实现液相压缩的随机卸荷，又不会降低容积效率，解决了混输泵在增压含液率较高的介质时压力骤增甚至液击的问题；

④在任意轴向位置处，螺杆转子的截面型线均采用6段曲线和1个点，保证螺杆转子在工作过程中截面型线能够正确啮合，同时改善螺杆转子的受力状态，减小其变形。

附图说明

图1为变螺距变啮合间隙的螺杆转子在工作中的啮合图。

图2为变螺距变啮合间隙的螺杆转子图。

图3为变螺距变啮合间隙的螺杆转子的截面型线图。

图4为两个螺杆转子的截面型线之间的啮合图。

图5为在不同轴向位置处的两个螺杆转子的截面型线图。

图中：1—右旋螺杆转子；2—左旋螺杆转子；3—吸入口；4—排出口；5—壳体；Ⅰ—吸入段；Ⅱ—压缩排出段；11—右旋螺杆转子(1)的齿顶圆弧螺旋面；21—左旋螺杆转子(2)的齿顶圆弧螺旋面；12—右旋螺杆转子(1)的齿根圆弧螺旋面；22—左旋螺杆转子(2)的齿根圆弧螺旋面；R₁—齿顶圆弧半径；R₂—节圆半径；R₃—齿根圆弧半径；R_b—圆渐开线的基圆半径；401—右旋螺杆转子(1)的右旋截面型线；402—左旋螺杆转子(2)的左旋截面型线。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，为变螺距变啮合间隙的螺杆转子在工作中的啮合图；工作中相互啮合的右旋螺杆转子(1)和左旋螺杆转子(2)均为为变螺距螺杆转子，在壳体(5)内实现啮合；螺杆转子由吸入段(Ⅰ)和压缩排出段(Ⅱ)组成，两段光滑连接；螺杆转子的吸入段(Ⅰ)连接吸入口(3)，螺杆转子的压缩排出段(Ⅱ)连接排出口(4)；两个螺杆转子的吸入段(Ⅰ)是无啮合间隙的；两个螺杆转子的压缩排出段(Ⅱ)是有啮合间隙的，且呈锥形，越靠近排出口(4)，其螺杆外径越小；在其压缩排出段(Ⅱ)，右旋螺杆转子(1)的齿顶圆弧螺旋面(11)与左旋螺杆转子(2)齿根圆弧螺旋面(22)之间存在啮合间隙δ₁，左旋螺杆转子(2)的齿顶圆弧螺旋面(21)与右旋螺杆转子(1)齿根圆弧螺旋面(12)之间存在啮合间隙δ₂，右旋螺杆转子(1)的齿顶圆弧螺旋面(11)与泵壳(5)之间存在啮合间隙δ₃，左旋螺杆转子(2)的齿顶圆弧螺旋面(12)与泵壳(5)之间存在啮合间隙δ₄；在压缩排出段(Ⅱ)的不同轴向位置处，啮合间隙δ₁、δ₂、δ₃、δ₄是变化的，越靠近排出口(4)，啮合间隙δ₁、δ₂、δ₃、δ₄越大。

在工作过程中，当螺杆的工作腔与吸入口(3)相连通时，吸入过程开始，随着螺杆的转动，吸入腔容积逐渐增大，气液介质不断进入吸入腔，当吸入腔与吸入口(3)隔断时，吸入过程结束，随后进入压缩和排出过程；吸入过程是在螺杆转子的吸入段(Ⅰ)完成的，吸入段(Ⅰ)所形成的工作腔即为吸入腔。当吸入过程结束，工作腔与吸入口(3)之间实现隔断，而进入压缩排出过程，随后工作腔容积逐渐减少，同时形成工作腔的右旋螺杆转子(1)、左旋螺杆转子(2)、壳体(5)之间存在啮合间隙，即啮合间隙δ₁、δ₂、δ₃、δ₄，形成一条从压缩腔通向排出口(4)方向的卸压通道，在实现气液介质被增压的同时，也有少量气液介质通过卸压通道向排出口(4)进行泄漏，而实现自动卸压，解决了因液体不可压缩而易产生的压缩腔内介质压力骤增、甚至液击问题；同时由于吸入段(Ⅰ)的封闭作用，在工作腔内的气液介质不会泄漏至吸入口(3)，不会减小容积效率。

如图2所示，为变螺距变啮合间隙的螺杆转子图；从吸入段(Ⅰ)向压缩排出段(Ⅱ)方向，螺杆转子的螺距逐渐减小，右旋螺杆转子(1)是由截面型线沿右旋的变螺距圆柱螺旋线作螺旋展开，左旋螺杆转子(2)是由截面型线沿左旋的变螺距圆柱螺旋线作螺旋展开，两变螺距圆柱螺旋线具有相同的螺距变化规律，但旋向不同；所谓右旋和左旋，是指从吸入段(Ⅰ)向压缩排出段(Ⅱ)方向，螺旋线的方向分别符合右手法则和左手法则；压缩排出段(Ⅱ)的螺杆转子呈锥形。

如图3所示，为变螺距变啮合间隙的螺杆转子的截面型线图；螺杆转子的轴向截面型线都包括6段曲线和一个点：圆渐开线AB、点B、齿顶圆弧BC、齿尖圆弧CD、摆线的等距曲线DE、齿根圆弧EF以及摆线FA。

如图4所示，为两个螺杆转子的截面型线之间的啮合图；在螺杆转子的任意轴向位置处，右旋螺杆转子(1)的右旋截面型线(401)与左旋螺杆转子(2)的左旋截面型线(402)相同；右旋截面型线(401)的圆渐开线AB、点B、齿顶圆弧BC、齿尖圆弧CD、摆线的等距曲线DE、齿根圆弧EF、摆线FA，分别与左旋螺杆转子(2)的左旋截面型线(402)中的圆渐开线ba、摆线af、齿根圆弧fe、摆线的等距曲线ed、齿尖圆弧dc、齿顶圆弧cb、点b能够实现正确的啮合。

如图5所示，为在不同轴向位置处的两个螺杆转子的截面型线图；图5(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别为图1中的两个螺杆转子在G—G截面、H—H截面、I—I截面、J—J截面、K—K截面、L—L截面处的截面型线啮合图；G—G截面、H—H截面之间的螺旋展开角τ相错4π，这两个截面之间为螺杆转子的吸入段(Ⅰ)；在H—H截面、I—I截面、J—J截面、K—K截面、L—L截面中，两相邻截面之间的螺旋展开角τ相错1.5π，从H—H截面到L—L截面，为螺杆转子的压缩排出段(Ⅱ)。

两个螺杆转子在吸入段(Ⅰ)为无啮合间隙，吸入段(Ⅰ)的任意轴向位置处的截面型线保持不变；在G—G截面、H—H截面上，右旋截面型线(401)和左旋截面型线(402)完全相同，只是相互错开一角度，且右旋截面型线(401)和左旋截面型线(402)上的各段曲线实现无间隙啮合。

两个螺杆转子在压缩排出段(Ⅱ)为变啮合间隙，压缩排出段(Ⅱ)的任意轴向位置处的截面型线都是变化的，在I—I截面、J—J截面、K—K截面、L—L截面上，右旋截面型线(401)和左旋截面型线(402)完全相同，且右旋截面型线(401)和左旋截面型线(402)上的各段曲线实现有间隙啮合，啮合间隙为δ₁、δ₂、δ₃、δ₄。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种变螺距变啮合间隙的螺杆转子，其特征是：螺杆转子由吸入段(Ⅰ)和压缩排出段(Ⅱ)组成，其吸入段(Ⅰ)连接吸入口(3)，压缩排出段(Ⅱ)连接排出口(4)；吸入段(Ⅰ)和压缩排出段(Ⅱ)之间是光滑连接的；螺杆转子是变螺距的，从吸入段(Ⅰ)到压缩排出段(Ⅱ)方向，螺杆转子的螺距是逐渐减小的；螺杆转子的吸入段(Ⅰ)的任意轴向位置处的截面型线是相同的，螺杆转子的压缩排出段(Ⅱ)的任意轴向位置处的截面型线是变化的，螺杆转子的压缩排出段(Ⅱ)呈锥形，越靠近排出口(4)，其外径越小。

2.如权利要求1所述的一种变螺距变啮合间隙的螺杆转子，其特征是：在工作过程中，右旋螺杆转子(1)与左旋螺杆转子(2)相互啮合，在两个螺杆转子的吸入段(Ⅰ)为无啮合间隙，在两个螺杆转子的压缩排出段(Ⅱ)为变啮合间隙；在其压缩排出段(Ⅱ)，右旋螺杆转子(1)的齿顶圆弧螺旋面(11)与左旋螺杆转子(2)齿根圆弧螺旋面(22)之间存在啮合间隙δ₁，左旋螺杆转子(2)的齿顶圆弧螺旋面(21)与右旋螺杆转子(1)齿根圆弧螺旋面(12)之间存在啮合间隙δ₂，右旋螺杆转子(1)的齿顶圆弧螺旋面(11)与泵壳(5)之间存在啮合间隙δ₃，左旋螺杆转子(2)的齿顶圆弧螺旋面(12)与泵壳(5)之间存在啮合间隙δ₄；在压缩排出段(Ⅱ)的不同轴向位置处，啮合间隙δ₁、δ₂、δ₃、δ₄是变化的，越靠近排出口(4)，啮合间隙δ₁、δ₂、δ₃、δ₄越大。

3.如权利要求1所述的一种变螺距变啮合间隙的螺杆转子，其特征是：在螺杆转子的任意轴向位置处，右旋螺杆转子(1)的右旋截面型线(401)与左旋螺杆转子(2)的左旋截面型线(402)相同，都包括6段曲线和一个点，只是相互错开的角度不同；右旋螺杆转子(1)的右旋截面型线(401)包括：圆渐开线AB、点B、齿顶圆弧BC、齿尖圆弧CD、摆线的等距曲线DE、齿根圆弧EF、摆线FA；在工作中，以上各段曲线分别与左旋螺杆转子(2)的左旋截面型线(402)中的圆渐开线ba、摆线af、齿根圆弧fe、摆线的等距曲线ed、齿尖圆弧dc、齿顶圆弧cb、点b能够实现正确的啮合；各段曲线的方程如下：

圆渐开线AB的方程为：

齿顶圆弧BC的方程为：

齿尖圆弧CD的方程为：

摆线的等距曲线DE的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{DE}\left(t\right)=2R_{2}cos\left(t\right)+(R_1-r)cos\left(2t\right)+r\frac{R_{2}cos\left(t\right)+(R_1-r)cos\left(2t\right)}{\sqrt{{R_2}^2+{(R_1-r)}^2+2R_2(R_1-r)cos\left(t\right)}}\\ y_{DE}\left(t\right)=2R_{2}sin\left(t\right)+(R_1-r)sin\left(2t\right)+r\frac{R_2\sin \left(t\right)+(R_1-r)\sin \left(2t\right)}{\sqrt{{R_2}^2+{(R_1-r)}^2+2R_2(R_1-r)\cos \left(t\right)}}\end{array}\right.$

齿根圆弧EF的方程为：

摆线FA的方程为：

式中：t—角度参数，rad；R_b—圆渐开线的基圆半径，mm；R₁—齿顶圆弧半径，mm；r—爪尖圆弧半径，mm；R₂—节圆半径，mm；R₃—齿根圆弧半径，mm。

4.如权利要求1所述的一种变螺距变啮合间隙的螺杆转子，其特征是：右旋螺杆转子(1)和左旋螺杆转子(2)均为变螺的；右旋螺杆转子(1)是由右旋截面型线(401)沿右旋的变螺距圆柱螺旋线作螺旋展开而生成的；左旋螺杆转子(2)是左旋截面型线(402)沿左旋的变螺距圆柱螺旋线作螺旋展开而生成的；左旋的变螺距圆柱螺旋线与右旋的变螺距圆柱螺旋线具有相同的螺距变化规律，但旋向不同；左旋的变螺距圆柱螺旋线的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}x\left(\mathrm{\&tau;}\right)=Rsin\left(\mathrm{\&tau;}\right)\\ y\left(\mathrm{\&tau;}\right)=-R\cos \left(\mathrm{\&tau;}\right)\\ z\left(\mathrm{\&tau;}\right)=P\frac{\mathrm{\&tau;}}{2\mathrm{\&pi;}}+\mathrm{\&lambda;}P\frac{{\mathrm{\&tau;}}^2}{2\mathrm{\&pi;}}\end{array}\right.,0<\mathrm{\&tau;}<2n\mathrm{\&pi;}$

右旋的变螺距圆柱螺旋线的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}x\left(\mathrm{\&tau;}\right)=Rsin\left(\mathrm{\&tau;}\right)\\ y\left(\mathrm{\&tau;}\right)=-R\cos \left(\mathrm{\&tau;}\right)\\ z\left(\mathrm{\&tau;}\right)=P\frac{\mathrm{\&tau;}}{2\mathrm{\&pi;}}+\mathrm{\&lambda;}P\frac{{\mathrm{\&tau;}}^2}{2\mathrm{\&pi;}}\end{array}\right.,0<\mathrm{\&tau;}<2n\mathrm{\&pi;}$

式中：τ—螺旋线展开角；R—螺旋线基圆半径；P—初始螺距；λ—系数；n—螺距数。

5.如权利要求1所述的一种变螺距变啮合间隙的螺杆转子，其特征是：在螺杆转子的压缩排出段(Ⅱ)的任意轴向位置处，其截面型线上的齿顶圆弧半径R₁、节圆半径R₂、齿根圆弧半径R₃、圆渐开线的基圆半径R_b都是变化的，都随螺旋线展开角τ的变化而变化，其变化规律符合如下方程：

齿顶圆弧半径R₁的变化规律为：

节圆半径R₂的变化规律为：

齿根圆弧半径R₃的变化规律为：

圆渐开线的基圆半径R_b的变化规律为：

式中：r₁—H—H截面型线中的齿顶圆弧半径；r₁′—L—L截面型线中的齿顶圆弧半径；r₂—H—H截面型线中的节圆半径；r₂′—L—L截面型线中的节圆半径；r₃—H—H截面型线中的齿根圆弧半径；r₃′—L—L截面型线中的齿根圆弧半径；r_b—H—H截面型线中的圆渐开线的基圆半径；r_b′—L—L截面型线中的圆渐开线的基圆半径；m为正整数，0<m<n，当0<τ<2mπ时为螺杆转子的吸入段(Ⅰ)，当2mπ<τ<2nπ时为螺杆转子的压缩排出段(Ⅱ)。

6.一种双螺杆气液混输泵，其特征是：使用如权利要求1所述的一种变螺距变啮合间隙的螺杆转子。