CN1143051C - 带有经改进的螺旋转子结构的流体排放装置 - Google Patents

Abstract

一种流体排放装置包括一壳体，此壳体限定了一其上有一第一孔口和一第二孔口的内腔。带有相对齿节的第一螺旋转子(300A)和第二螺旋转子(300B)在所述内腔中啮合并流体地与第一和第二孔口沟通。所述第一和第二螺旋转子中的每一个，各自都包括一其上有一螺旋槽(312)的圆柱体部分(310)和一从邻近螺旋槽的圆柱体部分径向地延伸的螺旋齿部分(320)。设置所述第一和第二螺旋转子使得第一和第二螺旋转子各自的纵轴(301A和301B)相互平行，第一和第二螺旋转子之一的螺旋齿部分与第一和第二螺旋转子中另一个螺旋转子的一螺旋槽相啮合，因而第一和第二螺旋转子可以在内腔操作，并在平行于纵轴的第一和第二孔口之间提供流体输送。第一和第二螺旋转子中的每一个，各自都有一位于螺旋槽内、并延伸到螺旋齿部分的第一齿表面(330)和一从圆柱体部分延伸到相对于第一齿表面的螺旋齿部分的第二齿表面(340)。所述第一齿表面最好包括一长短幅圆外旋轮线衍生的表面，也就是，一在径向截面限定一长短幅圆外旋轮线的表面。所述第二齿表面最好包括一圆外旋轮线衍生的表面，也就是，一在径向截面限定一圆外旋轮线的表面。

Description

带有经改进的螺旋转子结构的流体排放装置

                         技术领域

本发明涉及流体排放装置，特别是涉及采用螺旋转子的流体排放装置。

                         背景技术

诸如螺旋泵和螺旋转子容积流量计之类的螺旋转子流体排放装置已经使用多年了。一般来说，此类装置包括一个或多个螺旋转子，它或它们被安置在带有一个进口和一个出口、其形状又与转子外形相配的转子内腔。此转子或这些转子和转子内腔的内表面典型地限定了一排放容积，当转子旋转时，流体沿转子轴的方向流动，从而使流体从转子腔的一孔口部分流到另一孔口。

至今已提出了许多基于这种基本设计方案的各种装置。例如，Holdawa的美国专利No.1,191,423、Nuebling的美国专利No.1,233,599、Montelius的美国专利No.1,821,523、Montelius的美国专利No.2,079,083、Rathman的美国专利No.2,511,878、Suter的美国专利No.4,078,653、Studer的美国专利No.4,405,286、Kopl及其合作者的美国专利No.5,447,062和德国专利No.DE 29 31 679 A1都介绍了各种采用一个或多个螺旋转子的正排量流量计和抽吸装置。另一个螺旋转子容积流量计的例子是由本发明的受让人Brooks仪表公司生产的正排量流量计的Birotor^TM产品。

在流量计或泵之类的螺旋转子流体排放装置中，转子的动力特性对这些装置性能的影响很大。例如，一般都希望用于石油流量测量的螺旋转子流量计具有牢固的结构、较小的振动、较小的压力损失、宽广的工作流量范围和高可靠性。这些特性中的每一项都会受到装置中螺旋转子的机械配置的影响。某些转子配置，包括那些用于上面提及的常规装置的转子的配置，可能会限制装置的性能，或降低装置的可靠性。因此，总是不断需要经改进的螺旋转子流体排放装置。

                         发明内容

鉴于上述，本发明的一个目的是提供经改进的螺旋转子流体排放装置。

本发明的另一个目的是提供具有更大工作流量范围、更小振动和更高可靠性的正排量流量计装置。

本发明另一个目的是提供经改进的、用于诸如容积流量计和泵之类的正排量装置的螺旋转子。

按照本发明，通过下述正排量装置可以提供这些及其他目的、特点和优点：此排放装置有一壳体，此壳体则限定一其中有相互平行、并相互啮合的第一和第二螺旋转子的内腔。这些转子的每一个都有一其上带有一螺旋槽的圆柱体部分和一从圆柱体部分径向延伸、并在邻近螺旋槽处运转的螺旋齿部分。最好，在第一齿表面在径向截面限定一长短幅圆外旋轮线和第二齿表面在径向截面限定一圆外旋轮线的条件下，第一齿表面(例如前缘表面)位于螺旋槽中，并延伸到螺旋齿部分，而第二齿表面(例如后缘表面)则从圆柱体部分延伸到相对于第一齿表面的螺旋齿部分。壳体最好有一与由啮合的两转子限定的工作容积的边界相配的内表面，从而在转子的第三齿表面和壳体的内表面之间的部分形成一毛细管密封。此毛细管密封和转子的带齿部分的啮合部分之间形成的毛细管密封一起限定了一当转子旋转时在平行于转子轴的方向流动的排放容积。转子之间的间隙最好由同轴地安装在各自第一和第二转子的端部、并相互啮合的第一和第二定时齿轮来保持。

采用按照本发明的转子形式可以改进装置的动力性能，随之，这又会使采用这种转子的装置的工作特性更好。例如，与常规的设计相比，按照本发明的一种转子形式可以提供更高的最大转速、振动更小、每转一圈的工作容积更大。这些有利特点表明，在诸如流量计这类装置中，流量将更大、压力损失更小、工作流量范围更宽广。

特别地，按照本发明的一实施例，一流体排放装置包括一限定一其上带有一第一孔口和一第二孔口的内腔的壳体。具有相反齿节的第一和第二螺旋转子在内腔中啮合，流体地与第一和第二孔口沟通。第一和第二螺旋转子中的每一个，各自都包括一其有一螺旋槽的圆柱体部分和一从邻近螺旋槽的圆柱体部分径向地延伸的螺旋齿部分。第一和第二螺旋转子设置得使第一和第二螺旋转子各自的纵轴相互平行，并使第一和第二螺旋转子之一的螺旋齿部分与第一和第二螺旋转子中另一个螺旋转子的一螺旋槽相啮合，因而第一和第二螺旋转子在内腔中工作时是旋转的，从而在平行于纵轴的第一和第二孔口之间提供流体输送。

按照本发明的另一实施例，第一和第二螺旋转予中的每一个，各自都有一位于螺旋槽内、并延伸到螺旋齿部分的第一齿表面，和一从圆柱体部分延伸到相对于第一齿表面的螺旋齿部分的第二齿表面。第一齿表面最好包括一长短幅圆外旋轮线衍生的表面，也就是，一在径向截面限定一长短幅圆外旋轮线的表面。第二齿表面最好包括一圆外旋轮线表面，也就是，一在径向截面限定一圆外旋轮线的表面。

按照本发明的另一实施例，圆柱体部分在径向截面限定了一节圆。第一齿表面在径向截面限定了一复合曲线，此曲线包括两从圆柱体部分的衬套部分延伸到节圆的、相对的圆内旋轮线段，和从节圆径向地延伸的第一圆外旋轮线段。第二齿表面在径向截面限定了从节圆径向地延伸、并相对于第一圆外旋轮线段的第二圆外旋轮线段。

在本发明的还有一个实施例中，第一和第二转子的旋转限定了一工作容积，而壳体则有一与限定的工作容积边界相配的内表面。第一和第二螺旋转子的相对部分和其形状与壳体内表面相配的第三齿表面部分可以限定一当第一和第二螺旋转子在内腔中旋转时在平行于第一和第二转子的纵轴移动的排放容积。第一和第二螺旋转子中的每一个都可包括一位于第一和第二齿表面之间的第三齿表面。最好设置第一和第二螺旋转子，使得第三齿表面部分间隔开内腔的内表面部分的一支撑在第三齿表面和内腔的内表面部分之间的毛细管密封的距离。第一和第二转子最好还设置得在第一和第二螺旋转子的相对部分之间支撑一毛细管密封。相应的第一和第二啮合的定时齿轮可以分别安装在第一和第二转子的端部，并在第三齿表面和内腔的内表面之间维持第一间隙，在第一和第二螺旋转子的相对部分之间维持一第二间隙，这些间隙则支撑毛细管密封。

本发明的另一方面涉及一流体排放装置，此排放装置包括一壳体，此壳体限定了一其有一第一孔口和一第二孔口的内腔，此装置还包括一安装在内腔中、可操作地绕一纵轴线旋转的螺旋转子，从而提供平行于螺旋转子的纵轴线的第一和第二孔口间的流体输送。螺旋转子包括一绕该纵轴线设置、其上带有一螺旋槽的圆柱体部分，和一邻近螺旋槽设置并从圆柱体部分径向地延伸的螺旋齿部分。第一齿表面位于螺旋槽内，并延伸到螺旋齿部分，而第二齿表面则从圆柱体部分延伸到相对于第一齿表面的螺旋齿部分。第一齿表面在径向截面限定了一长短幅圆外旋轮线，而第二齿表面则在径向截面限定了一圆外旋轮线。

按照本发明的另一个方面，用于流体排放装置的一转子包括一其上有一螺旋槽的圆柱体部分，和一邻近螺旋槽设置并从圆柱体部分径向地延伸的螺旋齿部分。最好，第一齿表面位于螺旋槽内并延伸到螺旋齿部分，而第二齿表面则从圆柱体部分延伸到相对于第一齿表面的螺旋齿部分，第一齿表面在径向截面限定了一长短幅圆外旋轮线，而第二齿表面则在径向截面限定了一圆外旋轮线。此圆柱体部分最好在径向截面限定一节圆。第一齿表面最好在径向截面限定一复合曲线，此曲线包括两从圆柱体部分的一衬套延伸到节圆的、相对的圆内旋轮线段，和一从节圆径向地延伸的第一圆外旋轮线段。第二齿表面最好在径向截面限定一从节圆向外地延伸、并相对于第一圆外旋轮线段的第二圆外旋轮线段。从而提供经改进的流体排放装置。

                         附图说明

图1为按照本发明实施例的正排量流量计装置的局部剖视图。

图2为图1流量计装置的排放内腔的局部剖视图。

图3A和3B为说明按照本发明实施例的典型转子结构的剖视图。

图4和图5分别为说明圆外旋轮线和长短幅圆外旋轮线的图示。

图6为按照本发明实施例的一对啮合的螺旋转子的径向剖面图。

图7为按照本发明实施例的一对啮合的螺旋转子的轴向剖面图。

图8为按照本发明实施例的一对啮合的螺旋转子的径向剖面图。

                       具体实施方式

下文结合附图详述本发明，其中示出本发明的优选实施例。然而，本发明可以以各种不同的形式来实施，因而不应该把本发明仅限于下文所述的实施例；相反，提供这些实施例只是为了使本发明更详尽而完整，并更充分地向本领域的技术人员说明本发明的技术范围。全文中，相同的数字表示相同的部件。

现在介绍本发明的实施例，特别是那些可以在石油计量和类似应用中使用的正排量流量计装置。然而，本发明的熟练技术人员可理解，按照本发明的装置不局限于文中详细介绍的实施例。按照本发明的装置也可以用于诸如正排量泵之类的其他各种流体排放装置。

图1至图3和图7示出了按照本发明的实施例的正排量流量计装置100。带有两端板113的壳体110限定了内腔112。内腔112带有可操作以分别接收进入内腔112的流体和将流体排出内腔112的第一孔口114和第二孔口116。将孔口114和116配置成从流体输送管路或类似的流体输送结构接收流体和输送流体。一对具有相反齿节的平行螺旋转子300A和300B在与孔口114和116流体地沟通的内腔112中啮合。

转子300A和300B中的每一个都由安装在端板113上的端部轴承118支撑，并且把转子300A和300B设置得使转子300A和300B的纵轴301A和301B相互平行。转子300A和300B中的每一个，各自都有一圆柱体部分310由其径向地延伸的螺旋齿部分320。圆柱体部分310上有一螺旋槽312，邻近螺旋齿部分320运转。设置转子300A和300B使得一个转子的螺旋齿部分320与另一个转子的螺旋槽312相啮合。定时齿轮120可以同轴地安装在转子300A和300B上以保持转子300A与300B之间的间隙和转子300A和300B与壳体110的内表面111之间的间隙。还应理解到，定时齿轮120可以防止转子300A与300B相互接触，因而防止引起磨损，但是，在某些应用场合，可以不需要定时齿轮120。

施加在孔口114和116之间的流体压差会引起转子300A和300B绕轴301A和301B旋转，从而在平行于轴301A和301B的方向在孔口114和116之间输送流体。因此，最好在转子300A和300B转动时，使转子300A与300B的相对部分之间的间隙(如图7中302所示)和转子300A和300B与内表面111的相对部分之间的间隙(如图7中303所示)尽可能小。这些间隙最好是这样，即在转子300A与300B之间和转子300A和300B与内表面111之间形成移动毛细管密封，限定一系列平行于轴301A和301B移动的排放容积190，并将孔口114和116之间的流动分离成不连续的容积单元。已知排放容积，计算单位时间流过流量计的各排放容积，便可确定孔口114和116之间的流量。

准确地说，因为转子300A，300A每转一圈排放预定容积的流体，所以测量当流体在孔口114和116之间流过时转子300A和300B之一的旋转，便可确定容积流量。代表流过流量计100的流量信号可以由定位于同轴地安装在转子300A和300B之一上的齿式轮子122附近的磁性传感器124，例如霍尔效应传感器，来产生。当齿式轮子122旋转时，传感器124产生一经由信号处理回路126处理以产生流量信号的脉冲信号。

图3A和3B及图6和7示出了典型转子300A和300B的结构详图。转子300A和300B中的每一个都有一螺旋齿部分320由其径向地延伸的圆柱体部分310。圆柱体部分310上有一螺旋槽312，邻近螺旋齿部分320运转。第一齿(例如前缘齿)表面330位于螺旋槽312内，并延伸到螺旋齿部分320。第二齿(例如后缘齿)表面340则从圆柱体部分310延伸到相对于第一齿表面330的螺旋齿部分320。第一齿表面330最好是一长短幅圆外旋轮线衍生表面，也就是，第一齿表面330最好在径向截面限定一长短幅圆外旋轮线350。第二齿表面340最好是一圆外旋轮线衍生表面，也就是，第二齿表面340最好在径向截面限定一圆外旋轮线360。第三齿表面380位于第一齿表面330和第二齿表面340之间，并配置成面对图1和2所示的壳体110的内表面111。

图4和5概念性地分别示出圆外旋轮线和长短幅圆外旋轮线的性质。圆外旋轮线是在某固定圆的外侧滚动而没有滑动的圆的圆周上的一个点的轨迹所形成的曲线。现参阅图4，点M是半径为a的该固定圆的圆心，也是X和Y坐标轴系的原点。点F是半径为b的滚动圆的圆心，点P是圆M和圆F之间的接触点。如允许圆F滚动到位置F’，那时该接触将位于点P’，而在圆F圆周上的点P将位于点P″。接触点在固定圆上行过了角α，在滚动圆上行过了角β，此时在圆外旋轮线上点P″的坐标可由x和y确定。

现将下列几何关系式用于图4：

    AP″＝MB’-EB’，和

    EP″＝B’F’  -BF’。再应用下列三角关系式：

    x＝(a+b)sin(α)-b sin(α+β)，和(1a)

    y＝(a+b)cos(α)-b cos(α+β).  (1b)假如此圆滚动时没有滑动，则弧PP’等于弧P″P’，或

    aα＝bβ.                            (2)设固定圆的半径与滚动圆的半径之比为k，因此

    k＝a/b，                             (3)由方程式(2)可得

β＝kα.                                    (4)将上式代入方程式(1a)和(1b)，并注意到圆心的距离C为

C＝a+b                                      (5)则可以得到以下形式的圆外旋轮线的两个通用方程式：

x＝C[sin(α)-1/(1+k)sin(1+k)α]，和

(6a)

y＝C[cos(o)-1/(1+k)cos(1+k)α].(6b)

在两个圆的半径比k＝1及圆心距离C＝1.000英寸时，1+k＝2，的特殊情况下，由方程式(6a)和(6b)可得

x＝sin(α)-(1/2)sin(2)α，和     (7a)

y＝cos(α)-(1/2)cos(2)α。       (7b)

长短幅圆外旋轮线是在外滚动圆半径上、离其圆心给定距离的一个点的轨迹所形成的曲线。现参阅图5，点F是半径为b的固定圆的圆心，也是X和Y坐标轴系的原点。点M是半径为a的滚动圆的圆心，而生成长短幅圆外旋轮线的某点则位于固定距离R。处。现允许圆M在圆F上从点A滚动到点B，则在半径R。处的点的轨迹将在PP’间形成一条长短幅圆外旋轮线。

由图5可得，

x＝P’E-FE’，和                    (8a)

y＝M’E’-M’E。                    (8b)再应用三角关系式

x＝R。sin(α+β)-(a+b)sin(β)，和(9a)

y＝(a+b)cos(β)-R。cos(α+β)，(9b)

x＝C[(R。/C)sin(α +β)-sin(β)]，和(10a)

y＝C[cos(α)-(R。/C)cos(α+β)]，(10b)C为两个圆的圆心间的距离，等于a+b，由两个圆相互滚动而没有滑动的条件便可以得到α和β之间的关系。

图6中示出了螺旋转子300A和300B的径向剖面图，下文将参照图6说明按本发明的转子形式的另一种概念。现参阅图6，并参阅图1至图3和图7，转子300A和300B的圆柱体部分310在径向截面限定了一节圆。在径向截面，第一齿表面330限定了一复合曲线，此曲线包括从圆柱体部分310的一衬套309延伸到节圆311的、相反的圆内旋轮线段351和352，和一从节圆311径向地延伸的圆外旋轮线段353。在径向截面，第二齿表面340限定了一从节圆311径向地延伸的圆外旋轮线360。

由图6可见，转子300A和300B使其大部分质量位于节圆311内，使得转子300A和300B的质量中心比许多常规转子的质量中心更靠近衬套309。因而，与许多常规转子的设计相比，转子300A和300B的角动量较小，转动所需的能量较小。这种平衡设计还可以减小振动，增长轴承的寿命。此外，与许多常规转子的设计相比，转子300A和300B的横截面积较小，因此所占体积较小。转子体积较小意味着转子每转一圈扫过的流体容积较大，因而转子每转一圈的容积流量较大。

图7示出了转子300A和300B的轴向剖面图，特别是沿图6中线7-7的轴向剖面图。现参阅图7，并参阅图1至图3，将壳体110的内表面111的配置成与由转子300A和300B旋转所限定的工作容积308的边界相配。最好，保持第三齿表面380和内表面111之间的间隙使得可在它们之间支撑一毛细管密封。此外，对准转子300A和300B使得毛细管密封支撑于转子300A和300B相对部分之间。毛细管密封限定一当转子300A和300B旋转时平行于转子300A和300B的轴线移动的排放容积190。

图8示出了按照本发明的一实施例的典型密封位置。就此典型实施例而言，可以在第一转子300A的长短幅圆外旋轮线衍生的齿表面330的第一部分330a(示于图3和图7中)相对于一第二转子300B的表面380处形成一毛细管密封。在第二转子300B的圆外旋轮线衍生的齿表面340相对于第一转子300A的第一部分820处和在长短幅圆外旋轮线衍生的齿表面330的第二部分300b相对于第一转子300A的第二部分810处形成其他毛细管密封。最好，在这些部位保持间隙以防止转子300A和300B的磨损并支撑上述毛细管密封，。还应该理解到，当转子300A和300B旋转时，上述毛细管密封通常是动态的，在转子旋转时它们在平行于转子的轴线方向移动。

本领域的熟练技术人员可以理解，本发明并不局限于图1、2、、3A、3B、6和7所示的实施例，因为这些配置的各种变化均属于本发明的范围。例如，即使图1、2、3A、3B、和7所示的转子300A和300B延伸两圈(或螺旋线旋转720°)，但是就本发明而言，仍然可以采用其他的长度和转数，并且转子300A和300B的部分可以与图示的几何形状不同。例如，使转子300A和300B的齿表面380的尺寸减小使得这些表面接近消失或完全消失(也就是，使得图7中的段353和段360交会在一个点)。

本领域的熟练技术人员还可以理解，此处限定的壳体110和内腔112可以有许多各种不同的配置。例如，可以以不同于图1所示的两片结构方式来构作壳体110，还可以采用不同设置的进出孔口、不同的端板结构和诸如此类的不同构造。本领域的熟练技术人员还可以理解，可以不采用以上介绍的产生流量信号的方法，而采用许多其他的方法来产生流量信号。例如，可以不采用磁性传感器来检测齿式表面的运动，而采用像同步或光学编码器之类的其他机械耦合和旋转的变频器。

在附图和技术说明中，公开了本发明的典型实施例，此外，虽然使用了一些专用术语，但是它们只是用于普通和叙述意义上的，并不用于限制目的，本发明的范围将在下述权利要求中列出。

Claims (13)

1.一种用于流体排放装置的转子(300A)，此转子包括一其上有一螺旋槽(312)的圆柱体部分(310)和一邻近所述螺旋槽设置并从所述圆柱体部分径向地延伸的螺旋齿部分(320)，其中，一第一齿表面(330)位于所述螺旋槽内并延伸到所述螺旋齿部分，和一第二齿表面(340)从所述圆柱体部分延伸到相对于所述第一齿表面的所述螺旋齿部分，其特征在于：

所述第一齿表面在径向截面限定一长短幅圆外旋轮线，而所述第二齿表面在径向截面限定一圆外旋轮线。

2.按照权利要求1的转子，其特征在于，一第三齿表面(380)位于所述第一和第二齿表面之间。

3.按照权利要求1的转子，其特征在于，将所述螺旋齿部分配置成与具有一相反齿节的转子的一螺旋齿部分相啮合。

4.一种具有一壳体(110)和两个如权利要求1的转子(300A和300B)的流体排放装置，其特征在于，所述壳体(110)限定一其上有一第一孔口(114)和一第二孔口(116)的内腔(112)，其特征还在于，所述两个转子安装在所述内腔中并可操作以绕相应的平行纵轴(301A和301B)旋转，从而在平行于所述纵轴的所述第一和第二孔口之间提供流体输送。

5.按照权利要求4的装置，其特征在于，所述两转子的相应的螺旋齿部分包括所述第一和第二齿表面之间的相应的第三齿表面。

6.按照权利要求5的装置，其特征在于，设置所述两个转子使得所述第三齿表面的部分间隔离开所述内腔的一内表面(112)一支撑所述第三齿表面部分和所述内腔的所述内表面之间的一毛细管密封的距离。

7.按照权利要求5的装置，其特征在于，设置所述两个转子使得一毛细管密封支撑于所述两个转子的相对部分之间。

8.按照权利要求5的装置，其特征在于，所述两个转子的相对部分和与所述壳体的所述内表面面对的所述第三齿表面部分限定一当所述两个转子在所述内腔中旋转时、平行于所述两个转子的所述轴的移动的排放容积(190)。

9.按照权利要求5的装置，还包括：

一安装在所述两个转子中的第一转子上的第一定时齿轮(120)；和

一安装在所述两个转子中的第二转子上、并与所述第一定时齿轮啮合的第二定时齿轮(120)

10.按照权利要求9的装置，其特征在于，所述第一和第二定时齿轮可操作以将所述两个转子对准、并在所述第三齿表面和所述内腔的所述内表面之间保持一毛细管密封及在所述两转子的相对部分之间保持一毛细管密封。

11.按照权利要求9的装置，其特征在于，所述第一和第二定时齿轮可操作以在所述第三齿表面和所述内腔的所述内表面之间保持一第一间隙，并在所述两个转子的相对部分之间保持一第二间隙。

12.按照权利要求4的装置，还包括一流量测定器(122、124和126)，其可操作地与所述两个旋转子的至少一个相关，并可操作以确定与所述两个转子的至少一个旋转、在所述第一和第二孔口之间流过的流体的流量。

13.按照权利要求12的装置，其特征在于，所述流量测定器包括：

一安装在所述两个转子之一的一端的齿式轮子(122)；

一磁性传感器(124)，其邻近所述齿轮的一齿表面并可操作以当所述齿式轮子旋转时产生脉冲信号，和

一信号处理回路(126)，其与所述磁性传感器相应并可操作以产生所述脉冲信号的流量指示信号。

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