（机械电子工程专业论文）双螺杆泵螺杆型线理论研究及性能模拟.pdf

叶1 文摘要 论文题目： 专业： 硕士牛： 指导教师： 双螺杆泵螺杆型线理论研究及性能模拟 机械电子工程 冯英龙( 签名) 徐建宁( 签名) 摘要 双螺杆泵的核心部件是一对相互啮合的转子，转子型线在整体系统中占有十分重要 的地位，是关系到双螺杆泵性能的关键因素，直接影响着双螺杆泵的啮合性能、效率、 压力和流量特性。基于此，本文对双螺杆泵转子型线进行了深入的理论研究和地面试验 研究。 奉史首先介绍了双螺杆泵的结构及工作过程，明确了转子型线的具体应用范围。之 后在双螺杆泵的四类密封条件和型线啮合特性的基础上，模拟转子工作过程，通过解析 法设计出了单头双边不对称型线。它是由圆弧、点、内摆线、外摆线共同组成，以保汪 转子型线加工简单、接触线尽量短、泄漏三角形面积小、齿问密封容积大、抽液效率高 等优点。具体来说，型线设计包括数学建模、相应的坐标变换、型线各段参数方程的确 定、型线共轭曲线的推导、几何特性的计算、齿形密封性能的判定等。 新型线双螺杆泵设计的是古合理最终通过试验来验证，为此本文针对性地设计了试 验台。试验结果和特性曲线表明双螺杆泵的结构是合理的，符合油田开发的使用要求， 具有良好的性能。同时通过试验可以看出，应用此型线可以提高系统的增压能力，系统 效率也有一定的提高，这说明该型线性能优良，设计足合理的，可以作为一个新的型线 类型来使用。 关j 艮溺：双螺杆泵，型线，密封，建模，性能模拟 论文粪壁 应用研究 i i 英文摘要 s u b j e c t ：t h e o r e t i c a lr 船e a r e ha n dp e r f o r m a n c es i m u l a t i o no fs c r e wp r o f i l eo fa t w i n s c r e wp u m p s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g a b s i r a c t t h ek e yp a r to fat w i n s c r e wp u m pi sac o u p l eo fr o t o r st h a tc l e n c he a c ho t h e r , a n dt h e r o t o rp r o f i l e ，w h i c hg e t si n v o l v e di nt h ep e r f o r m a n c e ，e f f i c i e n c y , p r e s s u r ea n df l o wr a t eo fa t w i n s c r e wp u m p ，i sv e r yi m p o r t a n ti nt h ew h o l es y s t e m b a s e do nt h ea b o v e ，d e e pt h e o r e t i c a l r e s e a r c ha n di n d o o re x p e r i m e n to nt h er o t o rp r o f i l eo ft h et w i n s c r e wp u m pa r ec a r r i e do u ti n t h i sp a p e r a tf i r s t ，t h es t r u c t u r ea n d w o r k i n gc o u r s eo ft h et w i n s c r e wp u m pa r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e r a n g eo fa p p l i c a t i o no f t h er o t o rp r o f i l ei sd e f i n e d t h e n ，o nt h eb a s eo ff o u rs e a l e dc o n d i t i o n s o ft h et w i n - s c r e wp u m pa n dm e s h i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h es c r e wp r o f i l e ，t h eb i l a t e r a l a s y m m e t r i cp r o f i l eo fs i n g l eh e a di sd e s i g n e dt h o u g ht h es i m u l a t i o no fw o r k i n gc o u r s eo ft h e r o t o rt og u a r a n t e es i m p l ym a c h i n i n go ft h ep r o f i l e ，r e d u c et h el e n g t ho ft h et a n g e n tl i n e ， m i n i s ht h ea r e ao ft h el e a kt r i a n g u l a r i t y , i n c r e a s et h es e a l e dv o l u m eb e t w e e nt h et e e t h ，i m p r o v e t h ee f f i c i e n c yo fp u m p i n gl i q u i d ，e l c i ti sc o m p o s e do fd o t , a r ca n dc y c l o i d t ob ee x a c t , m a t h e m a t i cm o d e l ，c o r r e s p o n d i n gt r a n s f e rb e t w e e nd i f f e r e n tc o o r d i n a t e s ，t h ed e f i n i t i o no f p a r a m e t r i ce q u a t i o n so fe v e r ys e c t i o n ，t h ed e d u c t i o no fc o n j u g a t e dc u r v e so ft h es c r e wp r o f i l e ， t h ec a l c u l a t i o no fg e o m e t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ej u d g m e n to fs e a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h et o o t h t y p ea n ds oo n , s h o u l db ei n c l u d e di nt h ed e v e l o p m e n to ft h ep r o f i l e t h ed e s i g n i n gr e a s o n a b i l i t yo ft h en e w p r o f i l eo fat w i n s c r e wp u m ps h o u l db ev e r i f i e d t h r o u g ht h et e s ti nt h ee n d s o ，at e s t - b e di sd e s i g n e dp o i n t e d l yi nt h i sp a p e r t h et e s tr e s u l t a n dc h a r a c t e r i s t i cc u r v e si n d i c a t et h a tt h es t r u c t u r eo ft h et w i n s c r e wp u m p ，w h i c hm e e t st h e a c t u a lr e q u i r e m e n t so fo i l e x p l o i t a t i o na n dg e t sg o o dp e r f o r m a n c e ，i sr a t i o n a l m e a n w h i l e ，t h e i m p r o v e m e n to fb o o s t i n ga b i l i t ya n ds y s t e me f f i c i e n c yo ft h et w i n - s c r e wp u m pw h i l ea p p l y i n g t h ep r o f i l ei ss h o w no u t t h o s em e a nt h a tt h ed e s i g no nt h es c r e wp r o f i l ew i t hg o o d p e r f o r m a n c e i sr a t i o n a la n di tc o u l db eu s e da san e w t y p eo fs c r e wp r o f i l e k e y w o r d s ：t w i n - s c r e wp u m p ，p r o f i l e ，s e a l ，m o d e l i n g ，s i m u l a t i o no fp e r f o r m a n c e t h 怖i st y p e ：a p p l i e ds t u d y i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名竭墓塾 日期 沙司、s f 6 学位论文使用授权的说明 ”，。零天毙釜掌蘩藤安嚣油大学宥关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 孥砬期廊论文工作的知识产权单位属匿安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名： 荔逝 艘乡 日期：盟鱼5 日期：乏盟：堑 第一章绪论 第一章绪论 近年来螺杆机械发展迅猛，种类繁多，发挥的作用也越来越大。螺杆压缩机、螺杆 挤出机、螺杆式空压机、螺杆输送机、双头螺杆充填机、自动螺杆充填包装机、振动螺 旋上料机、螺杆泵等都是螺杆机械的典型代表，其具体应用在不同行业和工况中。螺杆 机械的核心部件一螺杆的选用各不相同，则转子型线种类的选用和设计方法就有所不 同。本文设计的新型线具体应用于双螺杆泵中，旨在提高双螺杆泵的流量、压力、效率 等性能。基于此，本文首先介绍螺杆泵的应用、基本结构和工作过程。 1 1 螺杆泵的应用及分类 1 1 1 螺杆泵的应用 常见的泵可以分为容积式泵和动力式泵两大类。容积式泵包括往复泵、转子泵和齿 轮泵等，离心泵和轴流泵等则属于动力式泵。本文所研究的双螺杆泵属于容积式泵。 螺杆泵的适用范围很广，被广泛应用于石油、化工、航运、电力、机械液压系统、 食品、冶金、轻工、造纸、军工、医药、船舶、机床、采矿、环保和污水处理等各种工 业部门当中，发挥了巨大作用，具有很高的使用价值。螺杆泵特点是：流量平稳，压力脉 动小，自吸能力强即很小的n p s h r 值，噪声低，效率高，使用寿命长，工作可靠，运行 成本低。此外螺杆泵还具有结构简单，零件少，易损件少、体积紧凑，重量轻等一系 列特点。而螺杆泵在工作时一最为突出的优点是输送介质时不会形成涡流、无剪切、 无乳化作用、可输送粘度范围宽广的各种介质，对输送介质不敏感，既可以输送各种粘 度的润滑性或腐蚀性介质，也可以输送各种粘度的非牛顿液体，特别是有的双螺杆泵还 可以输送气液混合物，这对油田输送成分复杂的原油具有重要意义。一般来说，螺杆泵 可以输送多种混合介质，正是由于螺杆泵具有以上特点，各个行业纷纷投入到此研究当 中啪。 无论是什么类型的螺杆泵，其工作原理都是利用螺杆泵的转子与转子之间以及转子 与定子之间形成的密封腔，在泵运转时使密封腔连续不断地由入口向出口移动，从而排 出流体。如果螺杆泵内两个相邻密封腔之间没有理论泄漏通道，则被称为严格密封型螺 杆泵。反之，则为非严格密封型螺杆泵。 1 1 2 螺杆泵的分类 螺杆泵的种类繁多，通常有三种分类方法： 1 、按螺杆泵转子的数目进行分类 这种类型的螺杆泵有单螺杆泵、双螺杆泵、三螺杆泵和五螺杆泵。 西安罩i 油大学硕十学位论文 单螺杆泵是1 9 3 2 年由法国工程师m o i n e a u 发明，并由德国p c m 泵公司制成产品4 1 。 它是一种内啮合偏心回转的容积泵，泵的主要构件是一根单头螺旋的转子和一个通常用 弹性材料制造的定子，当转予在定子型腔内绕定子的轴线作行星回转时，转定予之间形 成的密闭腔就沿转子螺线产生位移，因此就将介质连续地，均速地、而且容积恒定地从 吸入口送到压出端。基于这种特性，单螺杆泵特另适合于输送高粘度介质。 1 8 9 0 年，美国麻省的w a r r e n 公司发明了全球第一台双螺杆泵，荷兰的h o u t t u i n 公 司于1 9 2 9 年发明了欧洲第一台双螺杆泵“1 。双螺杆泵分为密封型和非密封型两种。非密 封型螺杆泵能输送污液和非润滑性液体，甚至液气比为1 ：4 的液体以及输送粘度高或粘 度有变化的情况。它具有很好的吸入性能，运转中如发生吸入大量空气而产生短时间脱 流，仍能迅速恢复正常。密封型双螺杆泵虽然起步较晚，在效率方面略逊于i m o 泵，但 由于在可靠性方面超过它，故在舰船上得到广泛应用，主要用于输送油类和燃料“1 。 三螺杆泵属于回转渐进式容积泵，是1 9 3 1 年由瑞典i m o 公司发明并制造的。它通 常是指摆线啮合的i m o 泵，即密封型螺杆泵。理论上由于螺杆螺旋和螺杆衬套形成的密 封容积能把吸入腔和压出腔完全隔开，因此在各类螺杆泵中它的容积效率最高”1 。该泵 适于输送高压、清洁、润滑性的液体，可输送的介质粘度范围大，吸上能力高，结构紧 凑，它大量用于液压系统。由于它输送液体脉动小，噪声低，以及压力建立慢等重要特 性，使得人们在今天常优先于其它容积泵而选用它。其噪声低，可靠性好及结构紧凑， 使它在潜艇中得到广泛的应用。但其缺点是对液体中的污染物极为敏感，不能输送含污 及磨料的液体，也不适于输送非润滑性的介质。三螺杆泵主要是由固定在泵体中的衬套 以及安插在衬套中的主动螺杆和与其啮合的两根从动螺杆所组成。三根互相啮合的螺杆， 在衬套内按每个导程形成为一个密封腔，造成吸排口之间的密封。泵工作时，由于两从 动螺杆与主动螺杆左右对称啮合，故作用在主动螺杆上的径向力完全平衡，主动螺杆不 承受弯曲负荷。从动螺杆所受径向力沿其整个长度都由衬套来支承，因此，不需要在外 端另设轴承，基本上也不承受弯曲负荷。在运行中，螺杆外圆表面和衬套内壁之自j 形成 的一层油膜，可防止金属之间的直接接触，使螺杆齿面的磨损大大减少。 五螺杆泵的整体结构类似于三螺杆泵，在同样流量的情况下，吸入能力比双螺杆泵 高。但比双螺杆泵制造工艺复杂，成本也高。 2 、按螺杆和衬套形成的容积腔密封程度分类 这种类型的螺杆泵有密封型螺杆泵和非密封型螺杆泵。实际上即使是密封型螺杆泵 在理论上也不是完全密封的，因为需要考虑到正常运行所必须的| 日j 隙，流体通过这些间 隙从压出腔漏回到吸入腔。理论上完全密封的条件为。“： 1 ) 相瓦啮合的螺杆，其形成齿轮的齿剖面服从齿轮啮合的规则( 把螺杆看成是无穷 多个无限薄的形状相同的形成齿轮的集合体，这些形成齿轮一个对另一个扭转无限小的 角度并固连在起) 。形成齿轮的啮合线应是封闭的，并和螺杆的相互接触线在横截面上 的投影相重合； 2 第一章绪论 2 ) 螺杆头数应使啮合螺杆所沟通的凹槽形成密闭的容积； 3 ) 螺杆衬套的长度应大于凹槽密闭容积的长度； 4 ) 螺杆以最小的允许间隙安装在螺杆衬套内。 螺旋凹槽的封闭容积的密封完善程度主要取决于相互啮合的螺杆沿着螺杆和圆柱表 面所具有的共同的连续接触线。密封较好的是螺杆横截面的型线采用摆线。摆线一渐开 线组成的螺杆横截面型线的泵通常也列入密封型螺杆泵，但实际上由于其啮合线的某些 部分没有密封，所以仍有泄露存在。尽管它的容积效率比摆线啮合螺杆泵要低些，但由 于能使加工简化，成本降低，因此被广泛使用。非密封型螺杆泵由于吸入腔与压出腔相 互沟通，没有严格分开，在相同条件下特别是在高压的情况下容积效率低于密封型螺杆 泵。 3 、根据螺杆泵相应轴的情况进行分类 这种类型的螺杆泵包括内轴式螺杆泵和外轴式螺杆泵两类。 内轴式螺杆泵对于内轴式双螺杆泵和五螺杆泵而言，轴承按压力差额上油，接近无 磨损滑动轴承，转轴液压传动给驱动轴侧面，独特的驱动部件线接触设计，即无滑动速 度。可用于腐蚀性介质如重热油，承受压力至最大1 6 m p a 。对于内轴式三螺杆泵，为 产生流体力学油膜，需要联通转腔的狭窄间隙。可用于腐蚀性介质如重热油，可承受压 力至最大1 6 m p a ，有时会更高。 外轴式螺杆泵典型的是外轴式四螺杆泵，其双流路要求两个传动轴的4 轴卷设计。 能量传递从驱动轴经外部油腔中转动的齿轮至传动轴。尽管轴侧面无接触运转，但结构 上要求4 个轴封。 1 2 双螺杆泵介绍 1 2 1 基本结构 双螺杆泵按其结构和使用特点分两大类：一是由主杆直接带动从杆，其工作原理、 型线结构及适用范围类似三螺杆泵；二是外支承型，从动螺杆由主动螺杆借助同步齿轮 传动达到工作型面间无接触运行n - ，。 按照轴承的位置，双螺杆泵又可分为内置轴承和外置轴承两种形式。在内置轴承的 结构型式中轴承由输送物进行润滑。外置轴承结构的双螺杆泵工作腔同轴承是分开的。 由于这种泵的结构和螺杆间存在的侧间隙，它可以输送非润滑性介质。此外，调整同步 齿轮使得螺杆不接触，同时将输出扭矩的一半传给从动螺杆。其典型的结构如图1 1 所示“，正如所有螺杆泵一样，外置轴承式双螺杆泵也有自吸能力，而且多数泵输送元 件本身都是双吸对称布置，可消除轴向力，也有很大的吸高。泵的这些特性使它在油田 化工和船舶工业中得到了广泛的应用。外置轴承式双螺杆泵可根据各种使用情况分别采 用普通铸铁、不锈钢等不同材料制造，输送温度可达2 5 0 0 c 。采用独立润滑的外置轴承， 3 西安石油大学硕士学位论文 允许输送各种非润滑性介质。卧式、立式、带加热套等各种结构型式齐全，可以输送各 种清洁的不含固体颗粒的低粘度或高粘度介质，选用正确的材质，甚至可以输送许多腐 蚀性介质。 卜一齿轮箱2 一同步齿轮3 一左填料箱4 轴承5 一安全阀6 一主螺秆 7 一副螺杆8 一右填料箱9 一压盖1 0 泵套1 1 一泵体 图卜一1 双螺杆泵典型结构图 电动潜油全金属双螺杆泵属于采油螺杆泵，因具有较高的系统效率而日益受到重视。 1 2 2 工作工程 双螺杆泵是外啮合的螺杆泵，它利用相互啮合，互不接触的两根螺杆来抽送液体。 在泵的工作过程中，主动螺杆与从动螺杆及与泵体之间形成密封腔，随着主动螺杆的旋 转，末端的同步齿轮带动从动齿轮作回转运动，液体随着密封腔一起作轴向运动，平稳 而又连续地输送到泵的出口处。由于泵工作过程中密封腔容积不变，所以泵供给液体时 不会产生脉动。采用单独润滑的同步齿轮结构，传递主动螺杆到从动螺杆的扭矩，以保 证输送元件无金属接触，无动力传递，从而达到输送元件的高可靠性，所以泵在一定时 间范围内干转没有伤害。进出口采用特殊设计，工作时介质轴向速度相对减小，因此泵 的n p s h r 值很小，泵的吸上能力很强。双螺杆泵作为一种容积式泵，泵内吸入室应与排 出室严密地隔开。因此，泵体与螺杆外圆表面及螺杆与螺杆间隙应尽可能小些。同时螺 杆与泵体、螺杆与螺杆间又相互形成密封腔，保证密闭，否则就可能有液体从间隙中倒 流回去。 由双螺杆泵的原理知道，对于外置轴承的双螺杆泵，通过轴承定位，两根螺杆在泵 体内互不接触，齿侧之问保持恒定的间隙，螺杆外圆与衬套内圆面也保持恒定的间隙不 变。两根螺杆的传动由同步齿轮完成。齿轮箱中有独立的润滑，与泵工作腔隔开。这种 结构的优点大大拓宽了双螺杆泵的使用范围，即除了输送润滑性良好的介质外，还可输 4 第一章绪论 送大量的非润滑性介质，各种粘度的介质以及具有腐蚀性( 酸、碱等性质) ，磨蚀性的 液体。还可输送气体和液体的混合物，即气液混输，这也是双螺杆泵非常独特的优点之 一o 1 2 3 双螺杆泵的四类密封条件 双螺杆泵是一种容积泵，容积效率是评判泵类特性的主要指标，而螺杆泵密封性能 的优劣又是评判其容积效率的依据。在螺杆泵行业中，分析螺杆泵密封性能的依据是螺 杆泵的四类密封条件“”： 1 ) 相互啮合的螺杆齿形应遵循密封意义上的啮合规律； 2 ) 螺杆螺纹的头数和螺杆的根数应该使螺杆在工作区范围内形成互不相通的密封 腔； 3 ) 村套的长度应该大于密封腔的长度； 4 ) 螺杆与螺杆，螺杆与泵体应具有允许的最小间隙。 符合上述条件的为严格密封型螺杆泵。其中密封的完善程度取决于第一、二类密封 条件。螺杆泵的核心技术是螺杆齿形，不同的齿形不仅直接决定着螺杆泵的工作压力、 额定流量、容积效率、振动、噪声和自吸高度等技术性能指标的差异，还决定着螺杆加 工工艺直至产品成本。对于各种类型的螺杆泵而言，其螺杆齿形能否达到严格密封是判 断该螺杆泵性能指标的一个非常重要的前提因素，这也是第一类密封条件的重要性。 满足了第一类密封条件后，判断螺杆泵密封性能的又一个前提依据是螺杆泵的第二 类密封性。在螺杆泵行业传统理论中，经常引用俗称为孟氏定律的公式来评判螺杆泵的 第二类密封性能“”： 主螺杆为凸杆时： z 。k ( z ，一1 )( 1 一1 ) 主螺杆为凹杆时： z ，。k ( z 。一1 ) ( 1 2 ) 式中z ，z ，分别为螺杆泵凸、凹螺杆的头数，k 为螺杆泵从动螺杆的杆数。单头或 双头的双螺杆泵一直以来都被认为是非严格密封的双螺杆泵，故原有的国内外资料中都 未见有严格密封的双螺杆泵，这就是传统双螺杆泵工作压力普遍不高的原因。 由于孟氏定律的缘故，现有双螺杆泵的应用将受到限制。因此如何解决双螺杆泵的 严格密封问题，就成为螺杆泵发展的重要研究课题。华南理工大学工控系螺杆机械研究 室的杨凯等经研究发现孟氏定律是以摆线齿形为基础推导的，具有适用范围的局限性。 也就是说，孟氏定律可以评判传统摆线齿形螺杆泵的第二类密封性，但是对于其他的螺 杆齿形，孟氏定律不一定适用。不同齿形的第二类密封性状况是不同的，对于都能满足 第二类密封性的不同齿形来说，它们的头数、杆数的关系式也会不同，也就是说，不同 齿形螺杆泵的第二类密封性可以有不同表达式的定律。研究发现，一些不同的齿形已经 突破了孟氏定律的限制，能够形成严格密封特性而又具有实际的应用能力。 5 西安石油大学硕七学位论文 工作时的冷却要求与第四类密封性密切相关。由于双螺杆泵需要在密封条件下才能 正常工作，因此在工作时对螺杆泵的工作温度有一定的要求，以保证螺杆与螺杆之间以 及螺杆和泵体之问有合适的间隙值。假如温度过高，由于热胀冷缩的原理将会使螺杆泵 中螺杆和泵套之日j 的配合变为过盈配合，从而加居i 摩擦，增大工作噪音，减少螺杆泵的 使用寿命，并大大降低工作效率。这些后果是我们不愿意看到的，因此需要在关键部位 进行冷却，以保证螺杆泵有良好的工作状态及较高的工作效率。为了解决这个问题，我 们研究了多种机械结构及实际应用情况，认为其中较好的一种方法是在泵体内采用润滑 螺杆做动力源对润滑油进行循环以达到冷却的目的。 1 3 课题的来源及意义 井下原油开采由于受原油物性、井下压力、温度、井筒尺寸、下泵深度、检泵周期 以及原油中含有的砂粒和或多或少的伴生气等诸多因素的影响，对泵的结构型式、安装 方式、动力传递、举升压力、寿命等都提出了较高要求。耐磨性的要求限制了与被输流 体滑动接触泵，而齿轮泵和凸轮泵的流量、压力有限，所以也不能应用到石油开采这个 具体问题中来。带有同步齿轮的全金属双螺杆泵其输送能力和压差都能满足井下采油和 地面混输的要求，因而具有广阔的应用和市场| j i 景，它将会对石油开采方式的改进产生 重要影响。 双螺杆泵在国内尚属较新型的产品，尤其是井下采油用金属双螺杆泵还属于空白， 对其独特特性的认识正日渐深化，经螺杆泵开发机构、生产厂和使用部门的密切合作， 新的应用领域不断开拓，在替代原来的传统技术方面已取得良好的使用效果和节能节材 收益。 双螺杆泵的核心部件是一对相互啮合的转子，转子齿面与转子轴线垂直面的截交线 成为转子型线( 由于转子型线作螺旋运动就形成转子的齿面，故又把转子型线称为端面 型线或转子齿形) 。转子型线的设计直接影响到泵的性能，因此转子型线的研究是优化型 线设计、提高整机性能的重点。一方面，型线的合理设计，可以保证转子之间的正确啮 合，保证转子的轴向和径向密封，从而形成工作容积的周期性变化。另一方面，对转子 几何特性的研究是双螺杆泵系统性能和转子成形刀具设计的必要条件。双螺杆泵的型线 也直接影响到了泵的加工工艺、运行性能，其型线设计的合理与否至关重要。同时型线 研究也是实现知识产权自主化的关键步骤。以前我国主要从德国的l e i s t r i z ，b o m e m m a n ， a i l w e i l l e r 等公司引进技术并加以消化吸收，产品也基本停留在仿制的阶段，近年来才开 始了自己型线的研究和新产品的研制。因此，有必要对型线进行较详细的研究，这也是 本课题研究的重要内容。 本课题来源于中海石油基地有限责任公司采油技术服务分公司委托所进行的“电动 潜油全金属双螺杆泵研发”项目( 项目编号：b h c j f z c 一0 4 0 8 9 ) 。 6 第一章绪论 1 4 国内外的研究现状 目前，德国的b o r e m a n n 公司、l c i s t r i t z 公司、英国s h o t h e r & p i t t 公司、美国i m 0 工 业公司、荷兰h o u t t u i n 公司等均生产各种型式的双螺杆泵。以德国l e i s t r i t z 公司为例， 该公司生产的也系列( 内轴承) 和l 4 系列( 外轴承) 双螺杆泵，最大流量1 0 0 0 m3 h ， 最大压力4 m p a ，介质粘度达0 5 r a i n 2 s ，最高温度3 2 0 。可提供的转子直径 9 6 3 6 5 m m 、含气率最高可达1 0 0 “”。 美国科尔法泵业集团公司是世界最大的螺杆泵制造商，旗下拥有a l l w e i l e r 、i m o 等 5 家子公司均为世界知名品牌，销售服务网络遍及全球8 0 多个国家。a l l w e i l e r 公司三螺 杆泵市场的占有率是世界上第一，双螺杆泵基本上是世界排名第二，单螺杆是第四。在 螺杆泵方面，德国的耐驰主要是做单螺杆泵产品，且规模很大。 国外油气混输多相泵的研制是从上世纪7 0 年代开始起步，并且首先从海上石油生产 入手。目前，国外阿吉普( a g i p ) 、英国石油、壳牌、德士古、道达尔等石油公司均看好 双螺杆混输泵，都积极参与开发和油田实验工作。对于多相混输泵问题进行研究的主要 有法国、挪威、英国、美国、加拿大等国家，其混输泵主要有p o s e i d o n 海底混输泵、w e i r 混输泵、m s p 混输泵和w s t 混输泵等“”。 在成功研制并应用于海上平台或陆地的多相流混输泵基础上，国外多家公司还考虑 水下的特殊使用环境，开发了水下多相流混输泵，1 9 8 5 年，阿吉普( a g i p ) 、s n a m p r o g e t t i 和新比隆三方在欧共体资助下，开始开发采用双螺杆多相流混输泵的水下增压系统 侣b s ) 。开发目标是最大水深1 0 0 0 m ，距陆地l o o k m ，混输扬程为8 8 m p a ，高峰产量为 4 8 0 0 m ，h “。第一代s b s 已在意大利阿吉普公司所属的海上油田通过了试验。德国鲍 曼公司生产的水下双螺杆多相流混输泵，从1 9 9 7 年8 月起，开始在瑞典的海上油田进行 了现场试验“”。德国雷斯特利兹( l e i s t f i t z ) 公司在1 9 9 8 年，提供了系列化、商品化的水 下用双螺杆多相混输泵“。加拿大c a n 【公司于1 9 9 9 2 0 0 0 年问在新产品研究开发 方面花费了将近4 0 的预算资金，成功地推出了“井下双螺杆泵采油系统”“”。 螺杆泵的发展在我国起步较晚，但通过引进国外技术也取得较快发展。1 9 9 3 年，天 津工业泵厂从德国b o m c m a n n 公司引进w 、v 系列双螺杆泵，从德国a l l w e i l e r 公司引 进系列三螺杆泵。中国渤海油田从i m o 公司引进4 台双螺杆泵用于海洋平台。1 9 9 6 年 胜利油田从德国b o m e m a n n 公司引进m w 7 3 l ( _ - 5 7 双螺杆泵，该泵在东营采油厂1 1 站 做过集输试验。原油粘度5 5 4 x 1 0 5 m 2i s ，含气量8 2 ，应用情况良好。 经过1 9 8 4 年以来二十多年的发展，我国目前已有螺杆泵专业厂近3 0 家。单、双、 三、五螺杆泵的年产量总计约1 0 0 0 0 余台，以三螺杆泵产量最大，约占半数以上，其次 为单、双螺杆泵，五螺杆泵产量很少。其中单螺杆泵制造厂近2 0 家，主要生产厂家有天 津工业泵厂和重庆明珠机电研究所。其他单螺杆泵厂有杭州水泵总厂、兰州水泵厂、浙 江东阳螺杆泵厂、上海轻工机械技术研究所、靖江化工机械厂、无锡梁中螺杆泵厂、北 7 西安石油大学硕士学位论文 京石油机械厂、嘉兴石油机械厂、中成机械制造有限公司等。双螺杆泵结构复杂，螺杆 转子制造困难，只有天津市工业泵厂、上海7 l l 研究所、沈阳市工业泵厂、江苏淮阴通 用机械厂和广州造船厂机械分厂等生产双螺杆泵。三螺杆泵厂除天泵、沈泵、兰泵外， 还有南京工业泵厂、上海水工机械厂。后两家年产量较少。五螺杆泵厂唯一的生产厂 沈泵厂将转让生产权给天泵厂。 天津市工业泵厂1 9 8 4 年引进a l l w c i l e r 公司制造技术、英h o l r o y d 公司2 a c 螺杆铣 床一台及其配套设备，1 9 9 3 年引进德国b o m c m a n n 公司技术、奥地利l i n s i n g e r 公司数 控螺杆旋风铣床台、和2 a g _ i ，5 a c 螺杆铣床各一台，1 9 9 8 年引进德国k l i n g e l n b c r g 公司h n c 3 5 s l 全部数控高精度螺杆磨床一台。年产单、双、三螺杆泵约6 0 0 0 台。石首水 泵厂1 9 8 9 年引进捷克s i g m a 公司技术和空心管压制单螺杆泵转子设备。 目前，在国内开展双螺杆多相混输泵的研究并不多。中国石油天然气集团公司已将 开发此项产品列入“石油装备科技进步规划”，并作为其中的重点项目。1 9 9 5 年，大庆 油f 开和胜利油田从b o m e m a n n 公司引进3 台多相混输泵，目的是开发我国自己的混输泵， 以满足大规模开发海上和沙漠油田的需要。西安交通大学、石油大学和大港油田中成机 械制造有限公司都开展了相应的研究工作。1 9 9 7 年，双螺杆多相混输泵项目列入大港油 田集团公司科研攻关计划，1 9 9 9 年列入国家重大技术装备国产化创新项目。目前大港油 田中成机械制造有限公司研制开发了轴承外置式双吸双螺杆多相混输泵，在大港等油田 推广应用，取得了较好的效果。与此同时，中海石油渤海石油基地采油技术服务公司正 在进行采油双螺杆泵研究，且已取得了一定进展。华南理工大学螺杆机械研究所正在进 行双螺杆泵新齿形的产业化开发，& 一a b 齿形单头双螺杼泵已成功地通过了中试，各 项技术指标均达到或超过b o r n e m a n n 公司和a l l w c i l e r 公司的水平。西安交通大学曹锋博 士在混输泵理论分析方面进行了研究。西安交通大学刘代中硕士对双螺杆泵的流体流动 性进行了研究，天津大学韩永辉硕士在螺杆泵流量计算及实验方面进行了研究。 在螺杆泵以及其它螺杆机械发展的过程中，转子型线的种类也是层出不穷，对泵的 发展和性能的提高起到了关键性的作用。七十年代瑞典a t l a sc o p c o 公司推出的a t l a s 齿 形，是一种性能比较突出的螺杆转子齿形。这种齿形属于齿数比4 6 的单边非对称摆线 一圆弧齿形。德国k a e s e r 压缩机公司于1 9 7 6 年推出了s i g m a 齿形，它是在x 齿形的基 础上，迸一步改进了s r m 标准非对称齿形。它的出现，使齿形研究进入了个更加新 颖多变的阶段。德国g h h 公司在引进s r m 专利和吸取x ，s i g m a 齿形优点的基础上， 于1 9 7 9 年研制成功了g h h 齿形。日本神户制钢所在引进s r m 专利后，于1 9 8 3 年研制 成功s u p e r r o t o r 齿形，又称超级转子新齿形，它是一种性能优良，齿数比为4 6 的非对 称齿形。 我国自行研究成功了一种高效x b y 新齿形，并于1 9 8 6 年被批准为中国专利。这种 齿形型线段数少，由四段圆弧组成，型线之1 b j 在两曲线的衔接点上具有公切线，接触线 短，泄漏三角形面积小，齿形与刀具的设计制造较简单。它属于综合性能较高的一种单 8 第一章绪论 边非对称圆弧齿形i 总体来说国内关于双螺杆泵及其型线的研究还在起步阶段，尤其在井下金属双螺杆 泵研究方面还属于空白。 1 5 本文主要研究内容及创新点 通过上述对螺杆泵的介绍和分析可知，螺杆是螺杆泵的的主要部件，螺杆型线对整 个系统起着关键性的作用。因此，本文以井下双螺杆泵的螺杆为主要研究对象，对其型 线作具体的研究，其主要工作包括： l 、在型线啮合特性、双螺杆泵的四类密封条件研究的基础上，创造新的高效型线， 以保证型线加工简单，齿间密封容积大，接触线尽量短、泄漏三角形小，抽速大，抽气 效率高等优良特性； 2 、建立正确的数学模型，通过坐标变换等手段，利用空问几何知识，采用解析法进 行型线设计，包括型线各段参数方程的确定、共轭型线的求解、几何特性的计算、密封 性能的判定等； 3 、用相关软件模拟螺杆型线的几何特性； 4 、通过试验验证型线设计的可行性及双螺杆泵的优良特性，并与其它泵性能曲线进 行比较分析，进一步论证结论； 5 、通过对电动潜油全金属双螺杆泵的理论研究，指导转子型线设计，为双螺杆泵在 各种运行工况下的工作特性提供有用资料。 本文的创新点： 1 、推导出双螺杆泵转子新型线方程； 2 、研究新型线的几何特性，通过试验进行验证，得出其性能优劣。 9 西安石油大学硕士学位论文 第二章双螺杆泵转子型线理论研究 在对螺杆泵的具体应用工况、基本结构、工作过程进行研究之后，我们知道影响其 性能的关键因素是核心部件螺杆的型线类型。优良的型线可以提高整机性能，提高生产 率，因此如何设计新型线己成为研究的重中之重。鉴于此，本章将对转子型线的设计原 则、设计基本要求进行深入研究。 2 1 转子型线发展过程及设计原则 双螺杆泵的核心部件是一对螺杆转子，而转子型线的设计加- r n 是直接影响双螺杆 泵工作性能和制造成本的最关键因素。双螺杆泵的阴阳转子可以看作是一对相互啮合的 斜齿轮，因此啮合的转子型线也要满足啮合定律。即不论在任何位置，经过型线接触点 的公法线必须通过节点，但是双螺杆泵的转子型线又不必象普通齿轮那样无条件的对称 于其齿顶中心线。对双螺杆泵转予型线的要求，主要是在齿问容积之间有优越的密封性 能，因为这些齿间容积是实现介质排出的工作腔。对双螺杆泵性能有重大影响的转子型 线要素有接触线、泄漏三角形、封闭容积和齿闯面积。型线性能通常以啮合线闭合与否、 接触线长度、泄漏三角形面积的大小及型线能否达到严格密封等为指标。此外，型面的 型线与制造工艺是影响双螺杆泵质量的重要因素。因此，转子端面型线在设计时要尽量 保证密封性能佳、传动性能优、工艺性能好等特点。 2 1 1 型线发展过程n ” 螺杆转子的设计中，最重要的是设计型线，因为转子型线基本决定了螺杆机械的性 能好坏。螺杆机械性能的不断提高及其市场份额的不断扩大，是与转子型线的发展密不 可分的。国际上著名的螺杆机械生产厂家，都是伴随着新型线的开发成功而不断壮大的。 性能优越的新型线一旦开发成功，往往会使其产品的销售量猛增、市场占有率迅速扩大。 为了便于区别起见，可将螺杆机械中型线分为对称型线和不对称型线，以及单边型 线和双边型线。齿顶中心线两边的型线完全相同时，称为对称型线。反之，齿顶中心线 两边的型线不同时，称为不对称型线。只在转子节圆的内部或外部一边具有型线，称单 边型线。节圆的内、外均具有型线，称双边型线。 随着对螺杆机械转子型线设计原则的逐步认识和转子加工方法的不断改进，以及计 算机在转子型线设计中的应用，螺抒机械的转子型线大致经历三代变迁。 l 、对称圆弧型线 第一代转子型线是对称圆弧型线，如图2 一l 和2 2 所示，应用于初期的螺杆机械 中，虽然在随后的年代中，不对称转子型线有了许多显著的进展，但这些进展主要是针 对喷油螺杆压缩机的。由于对称型线易于设计、制造和测量，这类型线现在还被很多干 1 0 第二章双螺杆泵转子型线理论研究 式螺杆压缩机制造商广泛采用。螺杆压缩机齿间容积的泄漏主要通过四个通道进行：1 ) 通过接触线的泄漏；2 ) 通过泄漏三角形的泄漏；3 ) 通过齿顶间隙的泄漏；4 ) 通过排气端 面的泄漏。不对称型线的最大优点之一，就是泄漏三角形的面积明显减少。但对无油压 缩机，泄漏三角形只是四个主要泄漏通道中的一个，其面积的减少对压缩机的整体效率 只能产生有限的影响。另外，与喷油嫘杆压缩机相比，无油螺杆压缩机工作在较低的压 差工况下，压比和压差对泄漏也有重大影响。 图2 - 1 原始单边对称圆弧型线 图2 2 双边对称圆弧型线 2 、不对称型线 第二代转子型线是以点、直线和摆线等组成齿曲线为代表的不对称型线，如图2 3 所示。6 0 年代后，随着喷油技术的发展，发展了以s r a m 型线为代表的第二代转子型线。 这种型线为螺杆机械市场份额的扩大，起到了巨大的推动作用，目前仍被多家公司所采 用。 螺杆压缩机内共有四个主要的泄漏通道，在喷油螺杆压缩机中，由于油的存在而使 这四个通道中的三个被有效的密封起来。通过齿顶、排气端面及接触线这三个狭长问隙 大大减少。由于泄漏三角形不象其它三个泄漏通道那样是狭长的问隙，而是近似于三角 形的开口孔，因而成为唯一无法被油有效的密封的泄漏通道。 对称型线与不对称型线的主要区别，在于采用不对称型线时，泄漏三角形的面积大 为减少。一般不对称型线的泄漏三角形面积仅是对称型线的十分之一左右。 3 、新的不对称型线 图2 3 原始不对称型线 珏安石油大学硕士学位论文 8 0 年代后，随着计算机在螺杆压缩机领域的应用，精确解析螺杆压缩机转子的几何 特性成为可能，在压缩机工作过程数学模拟的基础上，出现了各具特色的多种第三代转 子型线。性能优越的主要有g h h 型线、s r m - d 型线和日立型线，如图2 4 所示。9 0 年代后，转子型线更加多样化，已经能够根据螺杆压缩机的具体应用场合，专门设计出 新颖的高效型线。 第二代和第三代转子型线都是不对称型线，两者之间的主要区别在于：第三代转子 型线的组成齿曲线中不再有点、直线和摆线，均采用圆弧、椭圆、抛物线等曲线。这种 改变可使转子齿面由“线”密封改进为“带”密封，能明显提高密封效果，还有利于形 成润滑油膜和减少齿面磨损。 2 1 2 转子型线的设计原则” 图2 4 日立型线 经过多年的理论分析和试验研究，总结出双螺杆泵转子型线的设计原则如下： 1 ) 转子型线应满足啮合要求。双螺杆泵的阴阳转子型线，必须是满足啮合定律的共 轭型线，即不论在任何位置，经过型线接触点的公法线必须通过节点： 2 ) 转子型线应形成长度较短的连续接触线。转子型线的设计应保证形成连续的接触 线。另外，在实际中，为保证转子问的相对运动，齿面间总保持有一定| b j 隙。因此，理 论上的接触线就转化成实际中的间隙带。为了尽可能的减少泄漏，要求设法缩短转子间 的接触线长度： 3 ) 转子型线应形成较小面积的泄漏三角形。为减少液体通过泄漏三角形的泄漏，型 线的设计应使转予的泄漏三角形面积尽可能的小： 4 ) 转子型线应使封闭容积较小。大多数转子型线会形成吸气封闭容积，导致压缩机 功耗增加、效率降低、噪声增大。所以，转予型线应使封闭容积尽可能地小； 5 ) 转子型线应使齿问面积尽量大。较大的齿问面积使泄漏量占的份额相对减少，效 率得到提高。 另外，从制造、运转角度考虑，还要求转子型线便于加工制造，具有良好的啮合特 性，较小的气体动力损失，以及在高温和受力的情况下，具有小的热变形和弯曲变形等。 以上因素是相互制约的。 第二章双螺杆泵转予型线理论研究 2 2 型线设计的基本要求“”嘲 通过研究总结，型线设计的基本要求如下： 1 ) 为了保证转子运转不干涉，螺杆转子型线应满足般啮合运动的要求。即相应齿 间曲线必须满足齿廓啮合的基本规律，并按啮合条件求取己知曲线的共轭曲线； 2 ) 为使基元容积具有良好的密封性，要求转子型线有轴向和横向气密性； 3 ) 要求型线有较大的面积利用系数，这样不仅能使机器的尺寸小一些，而且单位容 量的泄漏损失也小一些，可使容积效率提高； 4 ) 孟氏定律作为第二类密封条件通常用来作为判断螺杆泵能否密封的先决理论依 据，但通过我们的研究发现孟氏定律的表达式是有局限性的，它仅适用于标准的i m o 齿 形( 即对称摆线齿形) 且螺杆有凸、凹杆区别的螺杆泵密封判断。有些齿形虽然不能满 足孟氏定律但仍然是严格密封的。因此具体型线需要具体分析，只要满足螺旋槽内能形 成一个个互不连通的密封腔即可达到严格密封。 无论是在新型线的设计过程中，还是在分析比较不同的型线时，都应着重考虑如下几 方面的基本要求：首先是对密封的要求，即要求型线能使双螺杆