CN117120726A - 用于三螺杆泵的螺杆组件以及包括所述组件的螺杆泵 - Google Patents

Abstract

一种用于三螺杆泵(10)的螺杆组件(1)，包括：中心螺杆(2)和配置成与所述中心螺杆(2)啮合的至少一个侧向螺杆(3)，侧向螺杆(3)具有平行于中心螺杆轴线(z_c)的侧向螺杆轴线(z_l)，其中，中心螺杆外径大于侧向螺杆外径并且中心螺杆内径小于所述侧向螺杆外径

Description

用于三螺杆泵的螺杆组件以及包括所述组件的螺杆泵

技术领域

本发明涉及一种用于容积式齿轮泵、特别是用于三螺杆泵的螺杆组件。本发明还涉及一种包括上述螺杆组件的三螺杆泵。

本发明在传统上使用齿轮泵、特别是三螺杆泵的各种工业领域中得到了有用的应用。

三螺杆泵的一个典型的应用领域是升降系统，但它们也广泛用于各种应用的其他领域：动力液压、润滑、冷却、过滤、传输。作为非限制性示例，除了升降系统的领域之外，应用三螺杆泵的其他工业领域还包括石油和天然气、化工、船舶、移动、农产品、发电和可替代能源、造纸工业、制药工业。

背景技术

由瑞典工程师卡尔·蒙特留斯(Carl Montelius)于1923年设计的三螺杆泵是目前广泛应用于各种工业领域的容积泵。事实上，它具有显著的整体效率、良好的可靠性、合理的价格、低水平的声发射和流传递中的低振动。

三螺杆泵具有成组的三个螺杆，包括一个中心引导螺杆和两个侧向从动螺杆。优选地具有两个螺旋螺杆的螺杆平行安装在壳体中并且彼此啮合，从而在它们的主体和壳体之间产生闭合容积。由此形成的闭合腔室的数量与螺杆(也称为转子)的长度成正比，并且与螺旋螺杆的螺距成反比。闭合腔室由工作流体占据，在螺杆旋转期间，工作流体从吸入口连续地向前移动至排出口。

成组的三个螺杆的轮廓设计成使得只有传动螺杆传递压力。在给定泵的配置的情况下，该螺杆不会遇到径向力，从而使机器具有前面提到的良好的整体效率。如前所述，两个从动螺杆处于空转状态，并且由加压流体来引导。它们旋转的唯一障碍是与工作流体的粘性摩擦，以及与中心螺杆和容纳它们的壳体的滑动摩擦。因此，即使经过长时间的工作，螺杆齿腹(flank)的磨损也几乎为零。

在其诞生近一个世纪后，三螺杆泵仍然显示出其创造者所设想的特征性外观，其特征在于中心引导螺杆和侧向从动螺杆的前轮廓的直径之间的典型比例。和/>分别表示侧向螺杆内径和外径，/>和/>分别表示中心螺杆内径和外径，事实上，尺寸遵循比例1：3：3：5，这被认为是最佳的，因为它将呈现由流体占据的区域与由螺杆的材料限定的固体区域之间的最佳可能的比例。

在这个比例中，需要注意的是，侧向螺杆外径和中心螺杆内径/>始终严格相同。在现有技术中，这些直径之间的相等被认为是绝对公理，任何三螺杆泵的设计都是基于这一公理的。

由上述直径标识的圆表示用于创建构成理想轮廓的曲线的节径(pitchdiameter)，即通常用于消除尖锐边缘的改变之前的轮廓。这种设计选择背后的考虑因素为：具有相等切向速度和以相反的角速度旋转的两个直径相等的基础柱体在不滑动的情况下相互滚动，从而减少热量或能量分散。

此外，除了导致的滚动和滑动以及随之而来的磨损和效率损失之外，侧向螺杆外径相对于侧向螺杆内径/>的减少不会带来任何好处，因为将工作流体截留在内的空的剖面区域会减小，即泵容量会减小。相反，在现有技术的研究中，侧向螺杆外径/>相对于侧向螺杆内径/>的增加似乎是不可能的，因为这会导致在螺杆旋转期间产生的螺旋轮廓相互贯穿。

因此，在选择了上述相等直径后，在现有技术中，通过应用长短辐圆外旋轮线(epitrochoid)方程来获得中心螺杆和侧向螺杆的齿腹，长短辐圆外旋轮线为旋轮曲线，该旋轮曲线是这样得到的：将空间中描述的点从与半径r的圆的中心的距离p处的固定点通过将所述圆滚动至另一半径r_b的圆外而连接起来。长短辐圆外旋轮线限定了各个螺杆的齿腹的剖面轮廓；通过沿螺杆的旋转轴线向前移动，轮廓连续旋转，从而限定螺旋线。

长短辐圆外旋轮线的已知参数方程如下：

极坐标方程如下：

在图5中，与现有技术相关，R₁和d₁表示与中心螺杆齿腹的构造相关的参数，而R₂和d₂表示与侧向螺杆齿腹的构造相关的参数。出于先前的考虑，两种构造的基圆半径(baseradius)r是相同的。可以看出，具体地，对于两种构造来说，旋转圆的半径R₁和R₂也等于r。此外，在中心螺杆齿腹的构造中，追迹点(tracing point)位于旋转圆的半径r₁的末端，由此产生的曲线称为圆外旋轮线(epicycloid)。

因此，唯一待设置的设计参数仍然是距离点d₂的中心的距离，该距离绘制侧向螺杆齿腹，并且分别确定中心螺杆外径和侧向螺杆内径。该参数的选择旨在优化容量，即流体占据的螺杆容积，而不影响螺杆的机械强度。

具体而言，通过选择等于5/3d₁的d₂值可以获得螺杆直径之间的典型比例1：3：3：5，例如，通过选择以下参数：

R₁＝R₂＝1.5

r＝1.5

d₂＝2.5(生成从动螺杆齿腹)

d₁＝1.5(生成引导螺杆或传动螺杆齿腹)

由于这些轮廓是类似的，一旦用简单的尺度效应创建了这种基本关系，就有可能获得任何尺寸的轮廓。

应当注意的是，用长短辐圆外旋轮线方程生成的理想轮廓具有尖锐边缘。该边缘易于变形。在泵运行期间，边缘的可能变形有提高噪音和异常振动的风险，甚至对泵本身造成不可挽回的损坏。此外，边缘很难以工具精度来制作，并且由此产生的局部形状误差会导致螺杆啮合出现不必要的困难。

由于上述原因，在现有技术中，理想轮廓通常通过对上述尖锐边缘进行斜切来修改，特别是在具有更尖锐且可能更关键的边缘的从动螺杆上。斜边可以通过用直线切割边缘的简单方式来进行，也可以通过用圆弧或椭圆弧形的连接轮廓的更精细的方式来进行。后一种解决方案可以使泄漏或容积损失最小化。

显然，通过引入上述几何校正，失去了螺杆齿腹的线上的完美接合，因此有必要完全重新计算从动螺杆和传动螺杆的轮廓。

根据现有技术的三螺杆泵被例如文献US 3,814,557 A和US 2012/258000A1公开。

应当再次注意的是，如本章中与现有技术相关的描述，三螺杆泵诞生于20世纪初，并且迄今为止，螺杆的轮廓基本保持不变。迄今为止的改进总是涉及结构或材料的改变。

另一方面，总是需要对这种广泛使用的机器进行改进，特别是在增加容量以及减小径向和轴向尺寸的方面。

因此，本发明的技术问题在于提供一种螺杆组件和一种相应的三螺杆泵，相较于现有技术中类似尺寸的泵，该三螺杆泵具有显著更大的流率。

发明内容

本发明的解决方案思想是通过放宽侧向螺杆外径和侧向螺杆内径之间相等的条件来提供螺杆组件和相应的三螺杆泵。

如果从纯粹的理论角度来看，上述条件是必要的，因为它确保了由侧向螺杆内径和侧向螺杆外径组成的两个柱体之间没有滑动，它已经验证了直径在实践中并没有真正接触。一方面，必须考虑为允许泵的运行而不可避免地存在的间隙；另一方面，已经验证的是，根据例如图14中所示的合力F_ris，在运动传递期间，螺杆之间交换的力会引起反作用，使理论上接触的两个表面彼此远离。

另一方面，在现有技术中，上述直径保持彼此相等还有第二个原因。如前一章所述，就总容量而言，直径的唯一有利的变化是侧向螺杆外径相对于侧向螺杆内径/>的增加：然而，这种变化被认为是不可能的，因为它会导致螺杆的轮廓之间的相互贯穿。

然而，据观察，这种理论观点没有适当考虑到加工时实际引入的轮廓变化、特别是在轮廓的尖锐边缘形成的斜边。这些在会发生相互贯穿的地方精确进行的几何校正位于生成的边缘的节径内。为此，通过利用边缘斜切的技术需求，可以在实践中避免理论上的相互贯穿。

相等条件的放宽导致了一种全新的设计视角，这允许重新考虑现有技术中的固结的轮廓，从而获得更大的流体截留区域，并且最终在螺杆的外径相同的情况下提高流率。

在本发明中，考虑到影响轮廓的定义的不同参数，直径之间的相等条件的放宽已经实现。首先，考虑了成组的三个螺杆的正确滚动所需的间隙。因此，验证了可以对理论公式进行校正的最大程度，以免在轮廓上产生不平衡，从而导致流体泄漏。最后，考虑了机床对工件的可加工性和工件本身的机械强度，从技术角度评估了侧向螺杆可实现的最小内径。

因此，通过根据权利要求1的螺杆组件和根据权利要求16的相应的三螺杆泵解决了以上暴露的技术问题。

因此，提供了一种用于三螺杆泵的螺杆组件，包括：中心螺杆和至少一个侧向螺杆，该侧向螺杆布置成与所述中心螺杆啮合，并且侧向螺杆轴线平行于中心螺杆轴线，其中，中心螺杆内径大于侧向螺杆外径，其特征在于，侧向螺杆内径小于侧向螺杆外径。两个螺杆都包括一个或多个具有恒定螺距的螺旋螺纹。

侧向螺杆内径优选地包括于侧向螺杆外径的60％和99％之间，更优选地在68％和98％之间，甚至更优选地在85％和92％之间。

优选地，侧向螺杆内径小于相应节圆的直径，并且侧向螺杆外径大于相应节圆的直径。

优选地，侧向螺杆外径包括于相应节圆的直径的1倍和1.3倍之间，更优选地，其包括于1倍和1.2倍之间，甚至更优选地，侧向螺杆外径等于相应节圆的直径的1.1倍。

优选地，中心螺杆的轴线和侧向螺杆的轴线之间的距离大于中心螺杆外径的一半并且小于中心螺杆外径的3/5。

中心螺杆的轴线和侧向螺杆的轴线之间的距离优选地包括于中心螺杆外径的52％和56％之间，并且更优选地等于54％。

本发明的齿轮和设备的特征和优点将通过以下参照附图以非限制性示例的方式给出的实施例的描述而变得明显。

附图说明

在附图中：

图1示意性地示出了三螺杆泵，其可以以根据本发明的螺杆组件为特征；

图2以侧视图示意性地示出了根据本发明的螺杆组件的中心螺杆的一部分；

图3以侧视图示意性地示出了根据本发明的螺杆组件的中心螺杆的一部分；

图4示出了根据本发明的螺杆组件在运行配置中的剖面，其中流体截留区域由网格部分标识；

图5示出了与现有技术的三螺杆泵中的螺杆轮廓的产生相关的图；

图6示出了根据本发明的用于在螺杆组件中生成齿腹轮廓的概念过程的第一步骤；

图7示出了根据本发明的用于在螺杆组件中生成齿腹轮廓的概念过程的第二步骤；

图8示出了根据本发明的用于在螺杆组件中生成齿腹轮廓的概念过程的第三步骤；

图9示出了根据本发明的用于在螺杆组件中生成齿腹轮廓的概念过程的第四步骤；

图10将根据本发明的中心螺杆的轮廓与根据现有技术的中心螺杆的轮廓进行了比较；

图11将根据本发明的侧向螺杆的轮廓与根据现有技术的侧向螺杆的轮廓进行了比较；

图12将根据本发明的中心螺杆的轮廓与根据现有技术的中心螺杆的轮廓进行了比较，其中补充的流体截留区域由阴影部分标识；

图13将根据本发明的侧向螺杆的轮廓与根据现有技术的侧向螺杆的轮廓进行了比较，其中补充的流体截留区域由阴影部分标识；

图14示出了作用在普通三螺杆泵中驱动的转子上的力。

具体实施方式

参考上图1，三螺杆泵总体上用附图标记10来表示，而附图标记1表示组装在其上的螺杆组件2、3。如前所述，本发明具体涉及所述螺杆2、3的轮廓20、30，在图10-13中，这些轮廓20、30面对现有技术的相应轮廓20’、30’。新轮廓20、30在剖面上限定了补充容积V，待泵送的流体相对于现有技术的相应轮廓20’和30’被截留于该补充容积V中。

值得注意的是，附图代表示意图，并且附图不是按比例绘制的，而是为了增强本发明的重要特征而绘制的。此外，在图中，示意性地示出了不同的元件，因为它们的形状可以根据期望的应用而变化。还值得注意的是，在附图中，相同的附图标记指的是在形状或功能上相同的元件。

以已知的方式，三螺杆泵10包括具有吸入口S和排出口D的泵体5。在泵体内，螺杆组件1装配有与驱动轴线4成一体的引导中心螺杆2和两个从动侧向螺杆3。侧向螺杆3的轴线z_l和中心螺杆2的轴线z_c彼此平行，并且螺杆彼此啮合。因此，中心螺杆2的旋转运动会移动两个侧向螺杆3，并且在相对螺纹之间封闭的空间中将流体F从吸入口S输送到排出口D，如图4所示。

中心螺杆2具有两个螺纹21、22，其具有固定螺距p_c；侧向螺杆3也具有两个螺纹，其具有与中心螺杆2的螺距相等的螺距p_l。

因此，中心螺杆2的轮廓20在剖面中具有两个圆形的顶部部分，其通过明显凸起的齿腹连接至柱形底部。

侧向螺杆3的轮廓30在剖面中也具有两个圆形的顶部部分，其通过明显凹陷的齿腹连接至柱形底部。

需要注意的是，以已知的方式，两个侧向螺杆3彼此相等或者具有相同的轮廓30。

如上所述，本发明涉及螺杆2、3的齿腹的轮廓20、30的特定形状。

本文描述的优选实施例示出了所述轮廓的优选形状，其示出了这是如何从现有技术的轮廓中获得的。

如本公开的相应段落中所述，现有技术的轮廓是由侧向螺杆内径和侧向螺杆外径之间的对等条件制成的。因此，如图5所示，轴线s’之间的距离等于侧向螺杆2的内径，即侧向螺杆3的外径。此外，在现有技术中，侧向螺杆内径等于相应外径的1/3，并且中心螺杆外径等于内径的5/3。因此，直径之间的典型比例为1：3：3：5。

为了获得新的轮廓，首先修改上述比例，确定一个新的参数设定，该参数设定允许在不影响螺杆的机械阻力的情况下增加泵的容量。如图6所示，直径之间的这种新的比例可以方便地选择为0.4：2.7：2.7：5，并且允许将吸入截面增加约7％。根据所提出的关于直径的参数设定，相对于现有技术，轴线S之间的新的距离因此从值3减小到值2.7。

从新的参数开始，通过使用现有技术分析中描述的长短辐圆外旋轮线方程来生成两个螺杆的理想轮廓。如前所述，长短辐圆外旋轮线是以这样的方式得到的曲线：将空间中描述的点从距离半径圆的中心一定距离的固定点通过将所述圆滚动至另一个圆外而连接起来：在这种情况下，与圆的距离和圆的半径由为两个螺杆选择的内径和外径决定。长短辐圆外旋轮线从外部和内部连接至由为两个螺杆选择的内径和外径所限定的圆，从而确定图7中可见的理想轮廓。

待确定的另一个参数是长短辐圆外旋轮线生成的起点p、p’、p”。实际上，使螺杆特征化的参数是连接长短辐圆外旋轮线的两个连续起点p’、p”的弦所对的角度α，长短辐圆外旋轮线在中心螺杆2上产生轮廓：所述值与另一个螺杆3上的相应角度β唯一相关。在下文中定义为齿张开角度α和齿腹张开角度β的所述角度限定了连接中心螺杆2的外轮廓上的齿腹的圆弧长度和侧向螺杆3的两个连续的齿之间的圆弧长度。一方面，它们确定与螺杆的壳体滑动接触的柱形表面，另一方面，还确定螺杆上限定的螺旋的机械强度。申请人通过几何分析确定，用于截留工作流体的有用容积相对于齿和齿腹的张开角度α、β的选择是不变的。为此，可以仅基于摩擦和机械的考虑随意选择角度，而不会影响泵的容量。

然后，在从动侧向螺杆3的理想轮廓上应用额外的几何结构g。如图8所示，所述额外的几何结构g在节径之外形成，并且将由长短辐圆外旋轮线方程定义的齿腹f连接至截圆C_t，该截圆的直径大于先前设置的侧向螺杆外径即该截圆的直径大于节圆直径C_pl。因此，额外的几何结构g限定了螺杆轮廓的面c，该面c在先前识别的点p中连接至齿腹。在由长短辐圆外旋轮线限定的面c和由额外的几何结构限定的齿腹f之间的连接点p将优选地是拐点而非角点(其中用角点来表示第一种类的不可微分点)。额外的几何结构g可以根据设计选择而被适当地选择，例如，它可以是椭圆曲线或样条函数。

一旦获得侧向螺杆3的最终轮廓，就通过插值法来获得中心螺杆2的轮廓。两个最终轮廓如图9所示。可以注意到的是，在由长短辐圆外旋轮线限定的中心螺杆2的面c’的基部处，形成了相对于节圆C_pc到新的内圆的连接齿腹f’。因此，轮廓的重新限定导致两个螺杆的内径和外径变化。特别地，侧向螺杆内径现在小于侧向螺杆外径/>通过使用之前的参数设定，最终直径/>之间的比例为0.4：2.97：2.43：5。

对图7中所示的理想轮廓所做的修改导致相同直径的螺杆的泵容量进一步增加约10％。因此，与现有技术相比，总容量的增加约等于17％。此外，由于螺杆的轴线之间的距离减小，泵的径向尺寸减小。

上述改进可以在图12、13中清楚地看到；事实上，阴影区域表示可被泵送流体占据的自由前部容积的增加，并且在螺杆的外径相同的情况下，容量随之增加。

根据本发明的泵的优点在于特别紧凑的尺寸，特别是在径向方向上，而且也在轴向方向上，因为在相同的流率下，螺杆的螺距将更短。

另一个优点来自泵的构造所需的材料量较低，这导致了有限的生产成本。

根据本发明的泵的其它优点涉及其性能特征。特别地，该泵具有相同的容积效率，但压力脉动更好，噪音降低，并且净正吸入压头(NPSH，net positive suction head)更低。

显然，技术人员可以对上述齿轮和设备进行多种改变和变型，以满足偶然和特定的需要，所有这些都包含在由以下权利要求所限定的本发明的保护范围内。

Claims (16)

1.一种用于三螺杆泵(10)的螺杆组件(1)，包括：具有一个或多个具有恒定螺距的螺纹的中心螺杆(2)，以及配置成与所述中心螺杆(2)啮合的两个侧向螺杆(3)，每个侧向螺杆(3)具有平行于中心螺杆轴线(z_c)的侧向螺杆轴线(z_l)，其中，中心螺杆外径大于侧向螺杆外径/>其特征在于，中心螺杆内径/>小于所述侧向螺杆外径/>

2.根据权利要求1所述的螺杆组件(1)，其中，所述中心螺杆内径在所述侧向螺杆外径/>的60％和99％之间。

3.根据权利要求2所述的螺杆组件(1)，其中，所述中心螺杆内径在所述侧向螺杆外径/>的85％和92％之间。

4.根据前述权利要求中任一项所述的螺杆组件(1)，其中，所述中心螺杆内径小于相应节圆的直径(C_pi)，并且所述侧向螺杆外径/>大于相应节圆的直径(C_pl)。

5.根据权利要求4所述的螺杆组件(1)，其中，所述侧向螺杆外径在相应节圆的直径(C_pl)的1倍和1.3倍之间。

6.根据权利要求5所述的螺杆组件(1)，其中，所述侧向螺杆外径等于相应节圆的直径(C_pl)的1.1倍。

7.根据前述权利要求中任一项所述的螺杆组件(1)，其中，所述侧向螺杆(3)的剖面轮廓具有遵循长短辐圆外旋轮线的齿腹(f)，所述齿腹(f)通过面(c)连接至截圆(C_t)。

8.根据权利要求7所述的螺杆组件(1)，其中，齿腹(f)和面(c)在所述侧向螺杆(3)的所述剖面轮廓上的拐点处连接。

9.根据权利要求7或8所述的螺杆组件(1)，其中，所述侧向螺杆(3)的所述面(c)是曲线的，并且在没有角点(第一种类的不可微分点)的情况下连接至所述齿腹(f)和所述截圆(C_t)。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的螺杆组件(1)，其中，所述中心螺杆(2)的剖面轮廓具有遵循长短辐圆外旋轮线的面(c’)，所述面(c’)通过齿腹(f’)连接至基圆(C_b)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的螺杆组件(1)，其中，所述中心螺杆(2)和所述侧向螺杆(3)的轴线(S)之间的距离大于所述中心螺杆外径的一半，并且小于所述中心螺杆外径/>的3/5。

12.根据权利要求11所述的螺杆组件(1)，其中，所述中心螺杆(2)和所述侧向螺杆(3)的所述轴线(S)之间的距离在所述中心螺杆外径的52％和56％之间。

13.根据权利要求12所述的螺杆组件(1)，其中，所述中心螺杆(2)和所述侧向螺杆(3)的所述轴线(S)之间的距离等于所述中心螺杆外径的54％。

14.根据前述权利要求中任一项所述的螺杆组件(1)，其中，所述侧向螺杆(3)彼此相等，并且被配置成在所述中心螺杆的两侧啮合，其侧向螺杆轴线(z_l)平行于所述中心螺杆轴线(z_c)。

15.根据权利要求14所述的螺杆组件(1)，其中，所述中心螺杆(2)包括具有相等螺距(p_c)的第一螺纹(21)和第二螺纹(22)，并且两个侧向螺杆(3)包括具有相等螺距(p_l)的第一螺纹(31)和第二螺纹(32)，所述中心螺杆(2)的螺纹的所述螺距(p_c)等于所述侧向螺杆(3)的螺纹的所述螺距(p_l)。

16.一种三螺杆泵(10)，包括泵体(5)、吸入口(S)、排出口(D)和根据权利要求14或15所述的螺杆组件(1)，其中，主螺杆(2)和所述侧向螺杆(3)以旋转的方式布置，并且在所述泵体(5)内相互啮合，所述主螺杆(2)和所述侧向螺杆(3)的旋转将流体(F)从所述吸入口(S)移动至所述排出口(D)。