CN108916038B - 一种大功率低脉动凸轮转子泵 - Google Patents

一种大功率低脉动凸轮转子泵 Download PDF

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Abstract

本发明涉及大流量及大功率凸轮泵技术领域，尤其是涉及一种大功率低脉动凸轮转子泵。其特点是包括设置在腔体内的两个相同的转子，转子通过键槽周向固定安装在转轴上，转子通过锁紧螺母和锁紧块轴向固定转轴上，腔体侧面对应转子设置有泵盖；所述的转子与腔体之间设置有0～0.2mm的间隙，转轴通过双列圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承固定在齿轮箱体上，两个转轴通过两个同步齿轮的啮合以相同转速转动，两个转子间设置有0.4mm的间隙，齿轮箱体侧面设置齿轮箱盖，转轴与腔体相接处设置机械密封机构，转轴与齿轮箱盖相接处设置橡胶油封。其设备的运行稳定；腔壁型线采用渐变线主要是优化泵体内部的流体的流动，很大程度上减轻流体的脉动现象，降低振动噪声。

Description

一种大功率低脉动凸轮转子泵
技术领域
本发明涉及大流量及大功率凸轮泵技术领域，尤其是涉及一种大功率低脉动凸轮转子泵。
背景技术
凸轮泵目前广泛应用于市政排污、石油化工、抗洪救灾等领域，具有正反转、高效、强自吸和耐磨损性能。现阶段，凸轮泵转子一般均采用实心结构，随着对凸轮泵性能要求的提高，凸轮泵的尺寸及转子尺寸也增大，转子的自重随之增重，从而致使转子泵在运转的过程中传动轴所受到的径向激励力幅值很大，同时转子自重的增加也对轴承及轴向密封产生影响，降低轴、轴承及密封的使用寿命。凸轮泵转子与泵腔间隙一般常见的是固定间隙，在工作过程中，吸排水腔的容积随传动轴的旋转产生周期性变化，凸轮泵的工作特性决定了其在工作过程中产生流量和压力脉动，当转子脉动频率与泵机组固有频率接近时，诱发机组共振，可能导致机组内部零件受损，同时造成大噪声与振动，影响机组性能，降低机组使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的缺陷而提供一种大功率低脉动凸轮转子泵，有效解决了现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：所述的一种大功率低脉动凸轮转子泵，其特点是包括设置在腔体内的两个相同的转子，转子通过键槽周向固定安装在转轴上，转子通过锁紧螺母和锁紧块轴向固定转轴上，腔体侧面对应转子设置有泵盖；所述的转子与腔体之间设置有0～0.2mm的间隙，转轴通过双列圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承固定在齿轮箱体上，两个转轴通过两个同步齿轮的啮合以相同转速转动，两个转子间设置有0.4mm的间隙，齿轮箱体侧面设置齿轮箱盖，转轴与腔体相接处设置机械密封机构，转轴与齿轮箱盖相接处设置橡胶油封。
所述的转子为由第一转子体第二转子体两部分对称连接并将两转子按扭叶扭转方向相反放置连接形成的“人字型”组合转子体；第一转子体第二转子体线采用内外摆线形式，两转子体的空心结构内部型线与外部型线相同，所述的第一转子体第二转子体型线的圆柱坐标系方程如下：
内摆线方程：
其中：
外摆线方程：
其中：
r:渐变间隙，Rm：叶顶圆半径；θ：基圆和滚圆的连心线与x轴的夹角；Z：叶片数。
所述的第一转子体右端面设置一个锁紧孔，第二转子体的左端对应第一转子体右端面的孔设置空心圆环，两转子体通过胀套轴向挤压将第一转子体第二转子体连接成一个空心对称转子；胀套传递轴向力又能传递周向力，转轴的转动通过键传动。
所述的腔体与转子之间的间隙在未转至渐变点前为固定间隙腔壁段，腔体型线满足圆的方程，当转子转自渐变点起，转子与腔体间隙为渐变间隙腔壁段；r(δ)为渐变段δ的函数，渐变段开启角度δ＝60°；渐变间隙的数学关系式为：
其中：0≤δ≤π/3，R:实际半径；δ：角度变量；t：控制系数
该腔体型线根据具体转子和设备的具体尺寸和工况做出适当调整，通过改变渐变间隙r和控制系数t的值对整个型线进行微调；具体实际半径R满足:
R＝Rm+r·t
其中：0≤t≤1，Rm：叶顶圆半径；r：渐变间隙；本发明取r值分别为0～0.2mm。
本发明的有益效果是：所述的一种大功率低脉动凸轮转子泵，其空心结构可有效降低转子自重对轴产生的静载荷，同时减轻设备质量；对称结构可在运行中抵消转子产生的轴向力，保证设备的稳定运行；腔壁型线采用渐变线主要是优化泵体内部的流体的流动，很大程度上减轻流体的脉动现象，降低振动噪声。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明的组合转子结构示意图；
图3为本发明的组合对称空心转子结构示意图；
图4为本发明的渐变结构示意图；
图5为本发明的不同渐变间隙的流量模拟示意图。
图中所示：1. 泵盖；2. 转子；3. 转轴；4. 锁紧块；5. 锁紧螺母；6. 键槽；7. 腔体；8. 机械密封机构；9. 齿轮箱体；10. 双列圆锥滚子轴承；11.同步齿轮；12.橡胶油封；13. 圆柱滚子轴承；14. 齿轮箱盖；15.锁紧孔；16.第一转子体；17.胀套；18.第二转子体；19. 渐变间隙腔壁段；20. 固定间隙腔壁段。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1至3所示，所述的一种大功率低脉动凸轮转子泵，其特点是包括设置在腔体内的两个相同的转子2，转子通过键槽6周向固定安装在转轴3上，转子通过锁紧螺母5和锁紧块4轴向固定转轴上，腔体7侧面对应转子设置有泵盖1；所述的转子与腔体之间设置有0～0.2mm的间隙，转轴通过双列圆锥滚子轴承10和圆柱滚子轴承13固定在齿轮箱体9上，两个转轴通过两个同步齿轮11的啮合以相同转速转动，两个转子间设置有0.4mm的间隙，齿轮箱体9侧面设置齿轮箱盖14，转轴与腔体相接处设置机械密封机构8，转轴与齿轮箱盖相接处设置橡胶油封12。
所述的转子2为由第一转子体16第二转子体18两部分对称连接并将两转子按扭叶扭转方向相反放置连接形成的“人字型”组合转子体；第一转子体16第二转子体18线采用内外摆线形式，两转子体的空心结构内部型线与外部型线相同，所述的第一转子体16第二转子体18型线的圆柱坐标系方程如下：
内摆线方程：
其中：
外摆线方程：
其中：
r:渐变间隙，Rm：叶顶圆半径；θ：基圆和滚圆的连心线与x轴的夹角；Z：叶片数。
所述的第一转子体16右端面设置一个锁紧孔15，第二转子体18的左端对应第一转子体16右端面的孔设置空心圆环，两转子体通过胀套17轴向挤压将第一转子体16第二转子体18连接成一个空心对称转子；胀套17传递轴向力又能传递周向力，转轴3的转动通过键传动。
所述的腔体7与转子2之间的间隙在未转至渐变点前为固定间隙腔壁段20，腔体7型线满足圆的方程，当转子转自渐变点起，转子2与腔体7间隙为渐变间隙腔壁段19；r(δ)为渐变段δ的函数，渐变段开启角度δ＝60°；渐变间隙的数学关系式为：
其中：0 ≤δ≤ π/3，R:实际半径；δ：角度变量；t：控制系数
该腔体7型线根据具体转子和设备的具体尺寸和工况做出适当调整，通过改变渐变间隙r和控制系数t的值对整个型线进行微调；具体实际半径R满足:
R＝Rm+r·t
其中：0≤ t ≤ 1，R m ：叶顶圆半径；r：渐变间隙；本发明取r值分别为0~0.2mm。
所述的一种大功率低脉动凸轮转子泵，组合转子体中的第一转子体16和第二转子体18分别加工成型，组装时将两个转子扭叶扭转方向相反放置，轴向受力形成组合体转子，该类型转子在工作时利用结构特征可以平衡两转子相互产生的轴向力，改善设备运行稳定性。同时空心结构，可以显著减小自重对轴产生的静载荷影响，同时截面积相同的空心结构转子在强度及刚度性能方面表现更优。转子与腔壁在渐变点前为固定间隙，转过渐变点为渐变间隙。如图4所示，腔体内流动特征为当转子的某一叶转过渐变点时，高压腔已有部分流体由间隙流至过渡腔，过渡腔升压，但升压有限。经渐变点转动30°时，由于渐开间隙的开启高压泄流，过渡腔体压力基本达到高压腔压力，此时高压侧继续回流均压。当转动到45°时，由于高压泄流和基元容积的封闭积压作用和转子的旋转做功影响，过渡腔压力达到甚至超过高压腔压力。因此可知随着渐变间隙的逐步开启和高压侧流体持续的回流均压，左侧过渡腔体内的压强和高压侧压强基本接近并达到一个周期内的动稳态平衡,减小对转子的回流冲击。
本发明不同渐变间隙的流量模拟如图5所示：在渐变间隙r=0时，流量脉动在峰值存在一个次级流量脉动，严重影响设备安全和性能，当r=0.1mm时，峰值处的次级流量脉动显著衰减，当r=0.2mm时次级流量脉动再次衰减。所以认为在本发明规定的0至0.2mm间隙范围内，随着渐变间隙的增加流量变化趋势趋稳，流量成规律性变化有效抑制流量脉动的产生。当最大间隙为0.2mm时设备内流动状态最好。
工作时由于转子的同步反向转动，在进口处腔体体积由于转子结束啮合导致进口处体积增大，腔内压力减小使介质由进口被吸入转子腔内，在转子的转动下，两转子同时将介质运送至出口腔体处，转子继续转动，两转子啮合使出口腔体处体积减小，出口处腔体体积减小压力增大，将介质从出口推出，如此循环达到运输介质的目的。
具体实施例：根据一种1200立方的大排量转子泵实例，该转子基圆直径为450mm，软件分析得到该泵的实心转子体质量约为306.426kg，若采用空心结构转子体质量为208.773kg。由软件分析可知：将转子作为空心后比原来实心转子质量减轻：306.426kg-208.773kg=97.653kg，质量减轻约32%；当r=0.1mm时，渐变间隙转子腔高压端对y方向转子径向力，比等间隙转子所受径向力脉动幅值显著降低，最大径向力为6.7kN，比等间隙转子径向力减小12％，渐变间隙转子腔x方向径向力为4.4kN，比等间隙转子径向力减小19％。
以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种大功率低脉动凸轮转子泵，其特征是包括设置在腔体内的两个相同的转子，转子通过键槽周向固定安装在转轴上，转子通过锁紧螺母和锁紧块轴向固定转轴上，腔体侧面对应转子设置有泵盖；所述的转子与腔体之间设置有0～0.2mm的间隙，转轴通过双列圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承固定在齿轮箱体上，两个转轴通过两个同步齿轮的啮合以相同转速转动，两个转子间设置有0.4mm的间隙，齿轮箱体侧面设置齿轮箱盖，转轴与腔体相接处设置机械密封机构，转轴与齿轮箱盖相接处设置橡胶油封；
所述的转子为由第一转子体第二转子体两部分对称连接并将两转子按扭叶扭转方向相反放置连接形成的“人字型”组合转子体；第一转子体第二转子体线采用内外摆线形式，两转子体的空心结构内部型线与外部型线相同，所述的第一转子体第二转子体型线的圆柱坐标系方程如下：
内摆线方程：
其中：
外摆线方程：
其中：
r:渐变间隙，Rm：叶顶圆半径；θ：基圆和滚圆的连心线与x轴的夹角；Z：叶片数。
2.如权利要求1所述的一种大功率低脉动凸轮转子泵，其特征在于：所述的第一转子体右端面设置一个锁紧孔，第二转子体的左端对应第一转子体右端面的孔设置空心圆环，两转子体通过胀套轴向挤压将第一转子体第二转子体连接成一个空心对称转子；胀套传递轴向力又能传递周向力，转轴的转动通过键传动。
3.如权利要求1所述的一种大功率低脉动凸轮转子泵，其特征在于：所述的腔体与转子之间的间隙在未转至渐变点前为固定间隙腔壁段，腔体型线满足圆的方程，当转子转自渐变点起，转子与腔体间隙为渐变间隙腔壁段；r(δ)为渐变段δ的函数，渐变段开启角度δ＝60°；渐变间隙的数学关系式为：
其中：0≤δ≤π/3，R:实际半径；δ：角度变量；t：控制系数；该腔体型线根据具体转子和设备的具体尺寸和工况做出适当调整，通过改变渐变间隙r和控制系数t的值对整个型线进行微调；具体实际半径R满足:
R＝Rm+r·t
其中：0≤t≤1，Rm：叶顶圆半径；r：渐变间隙。
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