CN110725796A - 一种具有多段转子结构的螺杆泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有多段转子结构的螺杆泵，属于螺杆泵技术领域，用于解决下述技术问题：本发明的目的是提供了一种具有多段转子结构的螺杆泵，以使小型干式螺杆真空泵或压缩机设计上实现微型化，并能够经济的制造；能够得以通过降低内压缩过程中的温升而减少螺杆转子径向尺寸的热膨胀，使更为大型的≥3000m3/h流量的干式螺杆真空泵或压缩机实现设计和经济的制造。一种具有多段转子结构的螺杆泵，泵腔内啮合中的每根转子从轴向上看，轴向分布为多段转子，且各段转子之间具有间隔，同轴、同心，相啮合的转子之间中心距在轴向两端上相同。本具有多段转子结构的螺杆泵，实现更为经济的带有内压缩特性的螺杆转子制造。

Description

一种具有多段转子结构的螺杆泵

技术领域

本发明属于螺杆泵技术领域，具体涉及了一种具有多段转子结构的螺杆泵。

背景技术

在现有已知技术的干式螺杆真空泵或压缩机设计中，如需要获的更大抽气速率，就需要通过让吸入端处的螺距变的更大和增大转子的直径来实现。但转子的螺距并不能无限制的扩大，受几何形状和返流特性的限制，螺距有最佳值，超过这个最佳值后，其吸气效能降低。而增加转子的直径同样受此特性影响，并且，已知的，在公开的技术资料中已有充分的实验数据证明螺杆真空泵或压缩机设备总返流量的约70％～80％是由螺杆转子齿顶圆和泵体之间的间隙返流造成的，因此，众所周知的，尽可能的减小齿顶圆和泵体之间的间隙是减少返流的最为有效的技术方法之一。

在现有已知技术中，干式螺杆真空泵或压缩机的转子螺距数一般均大于或等于4个螺距，尤其对于具有内压缩特性的转子设计而言，在螺杆真空泵或压缩机运转的过程中，其做功所消耗的能量全部转化为热量被压缩气体吸收，然后再由气体热传递至转子和泵体，流经每一螺距的气体经过压缩导致气体温升后的温度成为后续螺距进入的气体的初始温度，当进入最后一个末端螺距进行压缩时，其温度已经升高到非常高的程度，在这一过程中，螺杆转子受温度的影响产生径向膨胀，尤其是在转子末端体现更为明显。

如上所述，众所周知的，转子直径越大其受热膨胀后的膨胀量就越多——这就意味着抽气速率越大的螺杆真空泵或压缩机产品设计就陷入这样一个境况：在最佳螺距范围内，增大抽气速率就必须通过增大转子直径实现，然而，转子直径增大就意味着需要在泵腔和转子之间留出更大的间隙，以便具有足够的径向空间容纳吸收压缩热后膨胀的转子，而不至于在径向上和泵腔内壁产生摩擦，直至卡死，但正如前述所言，更大的间隙则大幅降低了螺杆真空泵压缩机的效能，甚至无法满足其功用性，且无法经济的进行制造。

显而易见的，相对上述，更小的干式螺杆真空泵或压缩机其转子的直径要更小，但螺杆转子直径并不能无限制的减小，按照已知的公开技术，过小的直径会导致无法满足极限真空的要求且容积效率降低，但即使在能满足极限真空的最小螺杆转子直径的基础上，因为通过逐步收缩螺距而实现内压缩的设计方法会导致排气末端转子的螺距非常小，致使难以制造或无法制造，在这个情况下就需要进一步增大转子直径以保证逐步收缩后的螺距在排气末端能够经济的制造出来。

同时，在现有已知技术中，螺杆转子所表现出的另一个特性是齿顶圆与齿底圆之比越小，其返流量越少，按照此特性，一个理想的螺杆转子特征应该是，在螺杆转子压缩的中后端，应通过减小转子齿顶圆与齿底圆之比来改变压缩比，同时减少返流量，实现抽气性能的高效性，然而，这意味着转子在轴向上呈现的是一种锥形结构，将导致转子制造异常复杂，且难以经济的制造，甚至无法制造更为大型的此种类型转子的干式螺杆真空泵或压缩机。

如上所述，本领域专业技术人员应能充分理解到现有技术的干式螺杆真空泵或压缩机存在下列问题：

1、抽气速率越大的干式螺杆泵或压缩机其转子直径就必须更大，然而，增大转子直径后就必须保留出和泵腔之间更大的间隙，以防止径向热膨胀导致转子齿顶圆径向上和泵腔内壁摩擦卡死，但过大的间隙则又导致干式螺杆真空泵或压缩机无法满足初始运转的真空和效率要求，这就导致现有技术中≥3000m³/h流量的干式螺杆真空泵或压缩机无法设计制造，至少，是无法经济的进行设计制造，而且在目前能够获得的公开的技术资料中是无法查询到已有≥3000m³/h流量的干式螺杆真空泵或压缩机产品；

2、如前述，抽气速率更小的干式真空泵或压缩机因为通过逐步收缩螺距来实现内压缩而导致在排气末端的螺距难以制造或是不能经济的进行制造，这导致干式螺杆真空泵或压缩机产品设计不能微型化。

3、现有已知技术中，按照最佳的、理想的螺杆转子实现内压缩设计而言，在螺距不变的情况下，可以通过齿底圆的锥形来实现内压缩，但显而易见的，这种转子的加工制造将变得非常不经济，并对制造设备有更严格的要求。

4、现有已知技术中，任何的带有带压缩特性的螺杆转子其制造成本都远高于等螺距的转子。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述问题，公开了一种具有多段转子的螺杆泵，用于解决下列技术问题：

本发明的目的是提供了一种具有多段转子结构的螺杆泵，以使小型干式螺杆真空泵或压缩机设计上实现微型化，并能够经济的制造；

本发明的另一个目的是提供了一种具有多段转子结构的螺杆泵，能够得以通过降低内压缩过程中的温升而减少螺杆转子径向尺寸的热膨胀，使更为大型的≥3000m³/h流量的干式螺杆真空泵或压缩机实现设计和经济的制造。同时，本技术发明通过一种具有多段转子结构的螺杆泵，实现更为经济的带有内压缩特性的螺杆转子制造。

为实现上述目的，本发明通过了如下技术方案来实现：

在螺杆泵转子设计的过程中，当中心距为一定值的条件下，通过将螺杆按照一定的螺距数轴向分段，每个分段之间留有一定的空间，空间的大小取决于设计应用领域和功能性，然后对每段螺杆进行递减减小齿顶圆直径和同步递增增大齿底圆直径来降低两者的比值，以能保证两根啮合的转子中心距相同，同时实现压缩比变更，用于真空泵或压缩机设计时，从吸入口方向至排出方向看，构成一根转子的各段转子之间径向尺寸是逐段递减的或是逐段递增的或是每段等径的。

泵腔内啮合中的每根转子从轴向上看，轴向分布为多段转子，且各段转子之间具有间隔，同轴、同心，相啮合的转子之间中心距在轴向两端上相同。在轴向剖面图上看，每根转子的各段转子之间径向尺寸关系，是一个阶梯式的尺寸变化结构或是每段等径结构，各段转子之间留有间隔。

每个分段可以是变螺距的，也可以是等螺距的，也并不限于是单头螺杆或是多头螺杆，包括级间压缩比的选择，都是由设计应用领域的条件决定的。

优选的，这种转子每段为1～3个螺距，优选的，每根轴上的转子由2～4段不同直径的转子组成，优选的，每个分段转子均为等螺距结构，且轴向上每一个分段的转子和另一根相啮合的分段转子在起始螺距通过啮合旋转产生体积扩大前，应和轴向上前一分段转子及其另一根轴上相啮合的分段转子螺距末端啮合旋转进行体积压缩前同步，即前级啮合的分段转子末端开始体积压缩时，后一段啮合的分段转子起始螺距开始体积扩大。同时，还应当认识到，每段转子的螺距数及其组合除了满足上述条件外，还需要满足能够实现动平衡的技术要求。

应当认识到，就相互啮合的其中一根转子而言，这种转子结构可以是从整根转子上进行分段设计和加工，也可以是每个分段转子加工完成后再串联在整根轴上，即构成一根转子的各段转子可以是分别制造后串联在整根轴上的，也可以是整根一体制造的。

通过对各分段转子不同的齿顶圆和齿底圆之比来改变压缩比，或和通过逐步减小螺距的方式结合来改变压缩比，当和另一根同样设计方法实现的啮合的转子在泵腔内旋转，就能实现带有内压缩的吸排气过程。

对于作为压缩机而言，显然的，本技术发明将大幅提高压缩效率、压力以及降低气体压缩后的处理成本和减少辅助设备。

通过在泵腔内部每段转子的压缩末端和轴向相邻转子螺距起始吸入端之间保留一定的空间，用以增加换热装置(这并非是必须的，取决于设计的应用领域)，就能实现每段转子压缩前进入的气体温度是等同的，而不是通常的螺杆转子结构中，每一级压缩前的气体温度都是来自于前级压缩后的温升——这意味着本技术发明的螺杆泵可以用非常理想的方式保证了泵腔内气体输送的过程温升尽可能的控制在一个较小的程度上，从而增加了其在运转过程中的可靠性，以及吸排气效率的高效性。

优选的，作为干式螺杆真空泵或压缩机设计，按照压缩消耗的功率所选择的换热器尺寸和分段转子级间的气体流速来确定阶梯式分段之间的间隔大小，安装于泵腔内的多段转子构成的整根转子按照设计目的和用途，在各转子分段间隔中安置有热交换装置或安置有充入蒸汽的结构，且安装于各转子分段间隔中的热交换装置可以采用带有喷嘴的直接接触式热交换装置。

在本发明技术上下文中，啮合用以来表达两根轴上的转子之间非常紧密的关系，其中一根轴上进行分段的转子分段间隔、形状由另一根轴上的分段的转子间隔和形状决定，从而导致所述的两根转子之间具有良好的密封特性。

与现有技术相比，本发明优点如下：

1、各分段转子通过采用多段等螺距径向尺寸收缩来代替目前的逐渐收缩螺距方式实现内压缩，作为干式真空泵设计时，通过多段分级压缩和级间换热系统，可以经济的实现远超过现有技术的干式螺杆真空泵吸气能力产品设计和制造。而在作为干式压缩机设计时，通过多段分级压缩和级间换热系统，可以经济的实现远超过现有技术的干式螺杆压缩机的排气能力和排气压力的产品设计和制造。

2、在不改变螺距的条件下实现干式螺杆真空泵或压缩机的内压缩特性，并在不降低性能的情况下，让微型化干式螺杆真空泵或压缩机产品设计和制造得以经济的实现。

3、各分段转子通过采用多段等螺距径向尺寸收缩来代替目前的逐渐收缩螺距方式实现内压缩，而让依据本发明技术设计的干式螺杆真空泵或压缩机转子采用普通加工设备即可进行制造，这大幅降低了生产成本、设计和制造难度。

4、得益于上述的本技术发明的一种具有多段转子的螺杆泵设计和制造方法，更为经济的设计和制造螺杆式蒸汽再压缩设备、螺杆膨胀机等节能产品得以能够实现。

附图说明

图1示出了本发明实施例1的一种具有多段转子结构的螺杆泵泵腔轴向剖视图。

图2示出了图1的泵腔轴向剖视图。

图3示出了图1的具有间隔和阶梯式尺寸变化的右侧整根转子轴向剖视图。

图4示出了图1的泵腔径向剖视图。

图5示出了本发明实施例2的一种具有多段转子结构的螺杆泵在啮合的每段转子间隔内安置有换热器的轴向剖视图。

图6示出了图5的在啮合的每段转子间隔内安置有换热器的俯视的局部剖视图。

图7示出了图5的具有间隔和阶梯式尺寸变化的单根转子轴向剖视图。

具体实施方式

下文将通过实例的方式并结合附图对本技术发明的优选特征进行详细描述，需要认识到，显而易见的，下文描述中的附图仅仅是本技术发明的一些实施例，对于本领域专业技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以依据上下文的原理描述和这些实施例附图引申获得其他的实施例。

图1示出了一种具有多段转子结构的螺杆泵泵腔轴向剖视图，左侧啮合的整根转子由转子111段、转子121段、转子131段三个分段组成，右侧啮合的整根转子由转子112段、转子122段、转子132段三个分段组成，在啮合的转子中，左侧转子分段111和右侧转子分段112段啮合，左侧转子分段121段和右侧转子122段啮合，左侧转子分段131段和右侧转子132段啮合，其中，处于啮合状态的转子分段111、112段和转子分段121、122段之间留有间隔101，处于啮合状态的转子分段121、122段转子和转子分段131、132段转子之间留有间隔102。

上述的由这些转子分段构成的完整的两根啮合的转子安置于按照转子分段径向尺寸和间隔距离决定的的泵体1中，并按照啮合的转子分段111、112段构成的径向尺寸和间隔101构成泵腔110段的径向尺寸和深度；按照啮合的转子分段121、122段构成的径向尺寸和间隔102构成泵腔120段的径向尺寸和深度；按照啮合的转子分段131、132段构成的径向尺寸构成泵腔130段的径向尺寸。

从图1上可以看出，泵体1的泵腔显示出阶梯式的结构，该结构阶梯式的大小取决于泵腔内各转子分段之间压缩比的取值，当把一种具有多段转子结构的螺杆泵作为一种螺杆真空泵或压缩机设计时，排气压力必然要高于吸气压力，在不考虑换热凝结的条件下，吸入的气体质量必然等同于排出的气体质量，由理想气体状态方程这一基本原理可以得知，在这个条件下，其吸入的气体体积要远大于排出的气体体积，此时，就决定了左侧转子分段111和右侧转子分段112啮合后每旋转一周所包含的气体容积要大于后面啮合分段转子121、122段啮合后每旋转一周所包含的气体容积，此时，在左右两侧转子中心距固定的情况下，就可以通过增大111段和112段转子的齿顶圆并减小齿底圆来实现每旋转一周可以吸入更多的气体，在啮合的转子旋转的过程中，无论转子是等螺距的或转子螺距是渐渐收缩的，其啮合部位以及圆周上和泵体之间的间隙在输送的气体动压特性的作用下，其啮合中每段转子内的每一个螺距内都存在一个压力梯度，由吸入端压力递增至排出端，这就导致每一啮合段排出的气体压力都将必然高于吸入端的压力，这就产生了压差。由上述可知，在这个压差的作用下，转子内输送的气体进入到分段转子前后间隔101时，其体积就必然减小，此时，按照螺杆真空泵或压缩机设计的工业用途，选取合适的压缩比，对转子分段121和122段通过减小齿顶圆径向尺寸和同步增加齿底圆径向尺寸，实现其每旋转一周所包含的容积至少等同或大于前级啮合分段转子111段和112段所输送过来的气体体积，同样的，按照上述，对转子分段131和132段减小齿顶圆径向尺寸和同步增加齿底圆径向尺寸，实现气体压缩的输送过程。

显而易见的，相比较于现有技术中，因为转子螺距需要满足气体压缩的特性，从吸入端至末端这个过程中，其螺距将会是一个逐渐收缩的过程，在对更小抽气速率的螺杆真空泵或压缩机转子设计时，至末端时，因为螺距的收缩，其每个螺距之间的间隔会因为非常小而变得难以加工或无法加工。

而在上述的本技术发明中，通过递减减小齿顶圆和同步递增增大齿底圆径向尺寸来保持螺距不变的条件下实现输送气体压缩的特性将得以使设计、制造变得更为经济和容易。

图2示出了图1的泵腔轴向剖视图，通过按照一种具有多段转子结构的螺杆泵设计的螺杆真空泵或压缩机具有阶梯式结构的泵腔轴向剖视图可以清晰的显示出在上述多段转子设计方法下形成的泵腔形状，在径向尺寸上，由110段开始，到120段，到130段，呈现出阶梯式的逐段等径递减，以符合容纳的转子构成的径向尺寸关系。

图3示出了图1的具有间隔和阶梯式尺寸变化的右侧整根转子轴向剖视图，可以清晰的看到转子的各分段结构和间隔，整根转子由分段112、间隔101、分段122、间隔102、分段132以及安放轴的轴腔1232组成，每段转子都是等径的，从径向尺寸上来看，在齿顶圆径向尺寸上由于转子分段122和132等径递减，就让转子齿顶圆构成的外形整体呈现出一种递减型阶梯式的结构。同时，由于其齿底圆径向尺寸上转子分段122和132等径递增，就让整根转子的齿底圆呈现出一种递增的梯形结构。

显而易见的，各个分段转子可以是单独加工完成，然后通过轴腔1232内的轴串联在一起。

图4示出了图1的泵腔径向剖视图，在泵体1中构成的泵腔内，依次由110段泵腔形状、120段泵腔形状、130段泵腔形状构成的完整的泵腔从轴向上看，泵腔内依据转子径向尺寸构成的形状是递减式缩小的，且是同心的。

图5示出了本技术发明实施例2的一种具有多段转子结构的螺杆泵在啮合的每段转子间隔内安置有换热器的轴向剖视图；

依据前述，从吸入端气体进入到排气端的过程中，气体是一个压缩的过程，依据于绝热压缩和热力学三大定律这一基本原理，我们可以得知，其压缩的过程是一个做功的过程，并将热量传递至气体，从而导致前一段转子压缩后的气体在温升后又进入后一段的转子进行压缩，依次的，这势必会导致到排气末端时，其排气温度会升高到一定的高温，在这个状况下，通过在分段转子112和分段转子122之间保留有足够的间隔101尺寸，并通过泵体1对称位置开口410和420，分别用以安置热交换装置411和421，就能将啮合段转子112所输送的气体压缩热减小的一定的程度，然后进入啮合的转子分段122内，依次的，在压缩后的气体通过泵体1对称位置开口510和520，分别用以安置热交换装置511和521，就能将啮合段转子122所输送的气体压缩热减小的一定的程度直至通过啮合转子分段132排出。

位于泵体1上410开口内的1011接口是用于从上部安置的热交换装置411外接冷却流体进口的，位于泵体1上420开口内的下部的1021接口是用于从下部安置的热交换装置421外接冷却流体进口的，依次的，位于510开口的1021接口是用于泵体1上510开口内安置的热交换装置511外接冷却流体进口的，位于520开口的1031接口是用于泵体1上520开口内安置的热交换装置521外接冷却流体进口的。

显而易见的，换热装置的型式有多种型式、多种原理的可以选择，包括直接接触式喷淋换热。

依据前述，在现有技术中，整根转子无论是等距的或是螺距渐缩的，其从吸入端开始的至末端的气体压缩过程中，每一点压缩导致的气体温升都将传递到下一个螺距，末端转子温度的急剧温升导致的膨胀量过大，造成了更大型的螺杆真空泵或压缩机设计上的难度，甚至是无法完成满足一个通常的螺杆真空泵或压缩机性能指标设计。

显而易见的，依据本技术发明实例采用一种具有多段转子的螺杆泵技术所设计的螺杆真空泵或压缩机可以解决这些问题。

图6示出了图5的在啮合的每段转子间隔内安置有换热器的俯视的局部剖视图；图中1011、1012分别是热交换装置411的冷却流体的进口和出口，1021、1022分别是热交换装置511的冷却流体的进口和出口，且取决于设计，这两种接口的冷却流体进、出位置是可以互换的。

通过在泵体1上加工出一个平面90，并对每个用于安置热交换装置411和511的开口边缘，加工密封槽901和902，然后通过分布的螺栓孔911进行密封，就能实现级间转子气体压缩的热交换过程。

图7示出了图5的具有间隔和阶梯式尺寸变化的单根转子轴向剖视图；显而易见的，由于需要安装热交换装置，各分段转子间隔101和102要比图3中轴向尺寸更大。

Claims (6)

1.一种具有多段转子结构的螺杆泵，其特征在于，泵腔内啮合中的每根转子从轴向上看，轴向分布为多段转子，且各段转子之间具有间隔，同轴、同心，相啮合的转子之间中心距在轴向两端上相同。

2.依据权利要求1所述的具有多段转子结构的螺杆泵，其特征在于，从轴向剖面图上看，每根转子的各段转子之间径向尺寸关系，是一个阶梯式的尺寸变化结构或是每段等径结构，各段转子之间留有间隔。

3.依据权利要求2中所述的具有多段转子结构的螺杆泵，其特征在于，用于真空泵或压缩机设计时，从吸入口方向至排出方向看，构成一根转子的各段转子之间径向尺寸是逐段递减的或是逐段递增的或是每段等径的。

4.依据权利要求1或2或3中所述的具有多段转子结构的螺杆泵，其特征在于，构成一根转子的各段转子可以是分别制造后串联在整根轴上的，也可以是整根一体制造的。

5.依据权利要求1或2或3中所述的具有多段转子结构的螺杆泵，其特征在于，在用于螺杆真空泵或压缩机设计时，安装于泵腔内的多段转子构成的整根转子按照设计目的和用途，在各转子分段间隔中安置有热交换装置或安置有充入蒸汽的结构。

6.依据权利要求5中所述的具有多段转子结构的螺杆泵，其特征在于，安装于各转子分段间隔中的热交换装置采用了带有喷嘴的直接接触式热交换装置。

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