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CN111622944A - 一种锥形单螺杆气液混输泵的转子与定子 - Google Patents

一种锥形单螺杆气液混输泵的转子与定子 Download PDF

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CN111622944A
CN111622944A CN202010616814.3A CN202010616814A CN111622944A CN 111622944 A CN111622944 A CN 111622944A CN 202010616814 A CN202010616814 A CN 202010616814A CN 111622944 A CN111622944 A CN 111622944A
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China
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CN202010616814.3A
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王君
董丽宁
刘译阳
武萌
谈庆朋
奚周瑾
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China University of Petroleum East China
Original Assignee
China University of Petroleum East China
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Abstract

本发明公开了一种锥形单螺杆气液混输泵的转子与定子，包括锥形转子(1)和锥形定子(2)；锥形转子(1)和锥形定子(2)从入口端面(Ⅰ‑Ⅰ)到出口端面(Ⅲ‑Ⅲ)，各截面型线半径和偏心距均以截面几何中心为基点呈线性锥形减小，各截面均能够实现完全正确啮合；所公开的气液混输泵不但增大了单螺杆气液混输泵的入口流量，而且提高了内容积比，使得出口压力更大，适用范围和应用领域更广；同时，在气液比升高的情况下，仍然能够有效避免形成气塞、在相同的出、入口参数下，随着螺杆长度的减小，摩擦磨损、泄漏也相应减小，螺杆寿命更长。

Description

一种锥形单螺杆气液混输泵的转子与定子
技术领域
本发明涉及单螺杆泵，尤其涉及锥形单螺杆泵，特别是一种锥形单螺杆气液混输泵的转子与定子。
背景技术
单螺杆泵是一种容积式转子泵，具有工质适应能力强、流量平稳、维修方便特点，被广泛应用于农业、石油、化学工业及食品领域。单螺杆泵的主要工作部件是一对啮合的螺杆转子和定子。螺杆转子的特性决定了单螺杆泵的性能。在外界动力源的驱动下，两者螺旋状的过盈配合形成连续的密封腔体，实现对介质的传输过程。单螺杆泵截面和螺距的变化形式直接决定了螺杆转子的特性。
中国专利，公告号CN2037782U提出了一种锥形单螺杆泵；其特点是：提出了三种锥形单螺杆泵的成形方式，分别是转子形成圆的直径变化、转子形成圆的偏心距变化和两者同时变化。通过调整锥形螺杆转子和衬套定子的工作间隙，可以实现转子和定子之间不同的啮合方式，扩大了单螺杆的使用范围和使用寿命，但是没有给出具体的齿形曲线方程，螺杆成形及加工制造困难。
发明内容
本发明为了最大限度地提高单螺杆泵的内容积比，进而提高单螺杆泵的出口压力，并提高单螺杆泵的入口流量，本发明提出了一种锥形单螺杆气液混输泵的转子与定子。本发明锥形转子(1)和锥形定子(2)从入口端面(Ⅰ-Ⅰ)到出口端面(Ⅲ-Ⅲ)，各截面型线半径和偏心距均以截面几何中心为基点呈线性锥形减小，各截面均能够实现完全正确啮合；在气液比升高的情况下，仍然能够有效避免形成气塞，运输效率更高。在相同的当量尺寸下，在吸入端有较大的容积，在排出端有较大的压力，适用范围和应用领域更广；在相同的出、入口参数下，螺杆的轴向长度大大减小，摩擦磨损、泄漏也相应减小，螺杆寿命更长，对提高单螺杆泵的综合性能具有重要意义。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种锥形单螺杆气液混输泵的转子与定子，包括：锥形转子(1)和锥形定子(2)，锥形转子(1)入口端面(Ⅰ-Ⅰ)处的截面型线是半径为R，偏心距为E的圆，锥形转子(1)出口端面(Ⅲ-Ⅲ)处的截面型线是半径为r，偏心距为e的圆；
锥形定子(2)入口端面(Ⅰ-Ⅰ)处的截面型线由4段曲线顺次连接而成，依次为，第一圆弧ABC、第一直线段CD、第二圆弧DEF和第二直线段FA，两圆弧半径均为R，直线段长度均为4E，锥形定子(2)出口端面(Ⅲ-Ⅲ)处的截面型线由4段曲线顺次连接而成，依次为，第三圆弧abc、第三直线段cd、第四圆弧def和第四直线段fa，两圆弧半径均为r，直线段长度均为4e；
锥形转子(1)和锥形定子(2)从入口端面(Ⅰ-Ⅰ)到出口端面(Ⅲ-Ⅲ)，截面型线半径与偏心距均以截面几何中心为基点呈线性锥形减小，满足R＝αr，E＝αe，α＜1为截面缩放系数；
锥形转子(1)和锥形定子(2)之间做变运动规律的动点行星回转运动，各个截面上转子的公转和自转角速度相等，公转和自转半径从入口端面(Ⅰ-Ⅰ)到出口端面(Ⅲ-Ⅲ)依次线性减小，不同截面位置处，转子和定子之间均能够实现完全正确啮合，从入口端面(Ⅰ-Ⅰ)到出口端面(Ⅲ-Ⅲ)形成容积连续变化的封闭工作腔，所形成的封闭工作腔容积逐渐减小。
一种锥形单螺杆气液混输泵的转子与定子，从入口端面(Ⅰ-Ⅰ)到出口端面(Ⅲ-Ⅲ)，锥形转子(1)的螺旋展开角τ1由0至3π连续变化：在入口端面(Ⅰ-Ⅰ)处，螺旋展开角τ1＝0，在中间轴向截面(Ⅱ-Ⅱ)处，螺旋展开角τ1＝1.5π，在出口端面(Ⅲ-Ⅲ)处，螺旋展开角τ1＝3π，随着螺旋展开角τ1由0至3π，锥心转子(1)的齿形曲线方程为：
Figure BDA0002564059700000021
式中，P1(τ1)和H分别为锥形转子(1)的螺距和高度，τ0为角度参数，0≤τ0≤2π；
从入口端面(Ⅰ-Ⅰ)到出口端面(Ⅲ-Ⅲ)，锥形定子(2)的螺旋展开角τ2由0至1.5π连续变化：在入口端面(Ⅰ-Ⅰ)处，螺旋展开角τ2＝0，在中间轴向截面(Ⅱ-Ⅱ)处，螺旋展开角τ2＝0.75π，在出口端面(Ⅲ-Ⅲ)处，螺旋展开角τ2＝1.5π，随着螺旋展开角τ2由0至1.5π，锥形定子(2)圆弧段的齿形曲线方程为：
Figure BDA0002564059700000031
式中，τ3为角度参数，
Figure BDA0002564059700000032
P2(τ2)为锥形定子(2)的螺距，且满足P2(τ2)＝2P1(τ1)；
锥形定子(2)直线段的齿形曲线方程为：
Figure BDA0002564059700000033
式中，τ4为角度参数，0≤τ4≤π；
一种锥形单螺杆气液混输泵的转子与定子，锥形转子(1)的螺旋线L1由半径发生变化的发生圆O1逆时针螺旋展开生成，螺旋线L1的方程为：
Figure BDA0002564059700000034
锥形定子(2)的螺旋线L2由半径发生变化的发生圆O2逆时针螺旋展开生成，螺旋线L2的方程为：
Figure BDA0002564059700000041
本发明的有益效果为：
①所提出的一种锥形单螺杆气液混输泵的转子与定子，锥形转子(1)和锥形定子(2)从入口端面(Ⅰ-Ⅰ)到出口端面(Ⅲ-Ⅲ)截面尺寸和偏心距均呈线性减小，与现有锥形单螺杆气液混输泵相比，在相同的结构参数下，内容积比明显增加，出口压力更高，拓宽了锥形单螺杆气液混输泵的应用范围；
②变运动规律的锥形单螺杆气液混输泵，在气液比升高的情况下，仍然能够有效避免形成气塞，从而保证了气液混输泵的正常工作；
③螺杆转子和定子的长度决定了螺距的变化方式，有利于螺杆转子的设计和加工；
④在相同的出、入口参数下，螺杆的轴向尺寸大大减小，结构更加紧凑，转子和定子之间的摩擦及泄漏通道也因此减小，螺杆泵寿命更长；
⑤通过调整锥形螺杆转子和衬套定子的工作间隙，可以实现转子和定子之间不同的啮合方式，适用领域更加广泛。
附图说明
图1为锥形转子(1)的二维图。
图2为锥形转子(1)入口端面(Ⅰ-Ⅰ)处的截面型线图。
图3为锥形转子(1)出口端面(Ⅲ-Ⅲ)处的截面型线图。
图4为锥形定子(2)的二维剖面图。
图5为锥形定子(2)入口端面(Ⅰ-Ⅰ)处的截面型线图。
图6为锥形定子(2)出口端面(Ⅲ-Ⅲ)处的截面型线图。
图7为入口端面(Ⅰ-Ⅰ)处转子截面型线和定子截面型线啮合图。
图8为中间轴向截面(Ⅱ-Ⅱ)处转子截面型线和定子截面型线啮合图。
图9为出口端面(Ⅲ-Ⅲ)处转子截面型线和定子截面型线啮合图。
图10为锥形转子(1)在锥形定子(2)内的装配图。
图中：1—锥形转子；2—锥形定子；L1—锥形转子(1)的螺旋线；L2—锥形定子(2)的螺旋线；R—锥形转子(1)和锥形定子(2)入口端面(Ⅰ-Ⅰ)处的截面型线圆弧半径；E—锥形转子(1)入口端面(Ⅰ-Ⅰ)处截面型线的偏心距；r—锥形转子(1)和锥形定子(2)出口端面(Ⅲ-Ⅲ)处的截面型线圆弧半径；e—锥形转子(1)出口端面(Ⅲ-Ⅲ)处截面型线的偏心距；H—锥形转子(1)的高度；点O1、O2—分别为锥形转子(1)的截面型线的几何中心点和回转中心点；O—锥形定子(2)的截面型线的回转中心点，两回转中心点所在的轴线分别为螺杆转子和定子的回转中心线。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，为锥形转子(1)的二维图，锥形转子(1)从入口端面(Ⅰ-Ⅰ)到出口端面(Ⅲ-Ⅲ)，截面型线半径与偏心距均以截面几何中心为基点呈线性锥形减小，满足R＝αr，E＝αe，α＜1为截面缩放系数。锥形转子(1)的外凸表面为锥形螺旋面，从入口端面(Ⅰ-Ⅰ)到出口端面(Ⅲ-Ⅲ)，由连续线性减小的截面型线边绕其中心线旋转，边按螺距向前移动生成。
随着螺旋展开角τ1由0至3π连续变化，锥形转子(1)的齿形曲线方程为：
Figure BDA0002564059700000051
式中，P1(τ1)和H分别为锥形转子(1)的螺距和高度，τ0为角度参数，0≤τ0≤2π；
锥形转子(1)的螺旋线L1由半径发生变化的发生圆O1逆时针螺旋展开生成，螺旋线L1的方程为：
Figure BDA0002564059700000061
如图2所示，为锥形转子(1)入口端面(Ⅰ-Ⅰ)处的截面型线图，锥形转子(1)入口端面(Ⅰ-Ⅰ)处的截面型线是半径为R，偏心距为E的圆；
如图3所示，为锥形转子(1)出口端面(Ⅲ-Ⅲ)处的截面型线图，锥形转子(1)出口端面(Ⅲ-Ⅲ)处的截面型线是半径为r，偏心距为e的圆；
如图4所示，为锥形定子(2)的二维剖面图，锥形定子(2)从入口端面(Ⅰ-Ⅰ)到出口端面(Ⅲ-Ⅲ)，截面型线半径与偏心距均以截面几何中心为基点呈线性锥形减小，满足R＝αr，E＝αe，α＜1为截面缩放系数；
随着螺旋展开角τ2由0至1.5π连续变化，锥形定子(2)圆弧段的齿形曲线方程为：
Figure BDA0002564059700000062
式中，τ3为角度参数，
Figure BDA0002564059700000063
P2(τ2)为锥形定子(2)的螺距，且满足P2(τ2)＝2P1(τ1)；
锥形定子(2)直线段的齿形曲线方程为：
Figure BDA0002564059700000064
式中，τ4为角度参数，0≤τ4≤π；
锥形定子(2)的螺旋线L2由半径发生变化的发生圆O2逆时针螺旋展开生成，螺旋线L2的方程为：
Figure BDA0002564059700000071
如图5所示，为锥形定子(2)入口端面(Ⅰ-Ⅰ)处的截面型线图，锥形定子(2)入口端面(Ⅰ-Ⅰ)处的截面型线由4段曲线顺次连接而成，依次为，第一圆弧ABC、第一直线段CD、第二圆弧DEF和第二直线段FA，两圆弧半径均为R，直线段长度均为4E；
如图6所示，为锥形定子(2)出口端面(Ⅲ-Ⅲ)处的截面型线图，锥形定子(2)出口端面(Ⅲ-Ⅲ)处的截面型线由4段曲线顺次连接而成，依次为，第三圆弧abc、第三直线段cd、第四圆弧def和第四直线段fa，两圆弧半径均为r，直线段长度均为4e；
如图7、图8和图9所示，分别为入口端面(Ⅰ-Ⅰ)处转子截面型线和定子截面型线啮合图、中间轴向截面(Ⅱ-Ⅱ)处转子截面型线和定子截面型线啮合图和出口端面(Ⅲ-Ⅲ)处转子截面型线和定子截面型线啮合图，从入口端面(Ⅰ-Ⅰ)到出口端面(Ⅲ-Ⅲ)，锥形转子(1)的螺旋展开角τ1由0至3π连续变化，在入口端面(Ⅰ-Ⅰ)处，螺旋展开角τ1＝0，在中间轴向截面(Ⅱ-Ⅱ)处，螺旋展开角τ1＝1.5π，在出口端面(Ⅲ-Ⅲ)处，螺旋展开角τ1＝3π；从入口端面(Ⅰ-Ⅰ)到出口端面(Ⅲ-Ⅲ)，锥形定子(2)的螺旋展开角τ2由0至1.5π连续变化，在入口端面(Ⅰ-Ⅰ)处，螺旋展开角τ2＝0，在中间轴向截面(Ⅱ-Ⅱ)处，螺旋展开角τ2＝0.75π，在出口端面(Ⅲ-Ⅲ)处，螺旋展开角τ2＝1.5π，随着锥形转子(1)的螺旋展开角τ1由0至4π、锥形定子(2)的螺旋展开角τ2由0至2π连续变化，截面型线半径和偏心距均以自身几何中心为基点呈线性锥形减小，锥形转子(1)和锥形定子(2)彼此之间能够实现正确啮合。
如图10所示，为锥形转子(1)在锥形定子(2)内的装配图，包括锥形转子(1)和锥形定子(2)，在定点行星回转运动下，锥形转子(1)和锥形定子(2)之间形成容积连续变化的封闭工作腔，封闭工作腔容积从入口端面(Ⅰ-Ⅰ)到出口端面(Ⅲ-Ⅲ)逐渐减小。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种锥形单螺杆气液混输泵的转子与定子，包括：锥形转子(1)和锥形定子(2)，其特征是：锥形转子(1)入口端面(Ⅰ-Ⅰ)处的截面型线是半径为R，偏心距为E的圆，锥形转子(1)出口端面(Ⅲ-Ⅲ)处的截面型线是半径为r，偏心距为e的圆；
锥形定子(2)入口端面(Ⅰ-Ⅰ)处的截面型线由4段曲线顺次连接而成，依次为，第一圆弧ABC、第一直线段CD、第二圆弧DEF和第二直线段FA，两圆弧半径均为R，直线段长度均为4E，锥形定子(2)出口端面(Ⅲ-Ⅲ)处的截面型线由4段曲线顺次连接而成，依次为，第三圆弧abc、第三直线段cd、第四圆弧def和第四直线段fa，两圆弧半径均为r，直线段长度均为4e；
所述的锥形转子(1)和锥形定子(2)从入口端面(Ⅰ-Ⅰ)到出口端面(Ⅲ-Ⅲ)，截面型线半径与偏心距均以截面几何中心为基点呈线性锥形减小，满足R＝αr，E＝αe，α＜1为截面缩放系数；
所述的锥形转子(1)和锥形定子(2)之间做变运动规律的动点行星回转运动，各个截面上转子的公转和自转角速度相等，公转和自转半径从入口端面(Ⅰ-Ⅰ)到出口端面(Ⅲ-Ⅲ)依次线性减小，不同截面位置处，转子和定子之间均能够实现完全正确啮合，从入口端面(Ⅰ-Ⅰ)到出口端面(Ⅲ-Ⅲ)形成容积连续变化的封闭工作腔，所形成的封闭工作腔容积逐渐减小。
2.如权利要求1所述的一种锥形单螺杆气液混输泵的转子与定子，其特征是：从入口端面(Ⅰ-Ⅰ)到出口端面(Ⅲ-Ⅲ)，锥形转子(1)的螺旋展开角τ1由0至3π连续变化：在入口端面(Ⅰ-Ⅰ)处，螺旋展开角τ1＝0，在中间轴向截面(Ⅱ-Ⅱ)处，螺旋展开角τ1＝1.5π，在出口端面(Ⅲ-Ⅲ)处，螺旋展开角τ1＝3π，随着螺旋展开角τ1由0至3π，锥心转子(1)的齿形曲线方程为：
Figure FDA0002564059690000011
式中，P1(τ1)和H分别为锥形转子(1)的螺距和高度，τ0为角度参数，0≤τ0≤2π；
从入口端面(Ⅰ-Ⅰ)到出口端面(Ⅲ-Ⅲ)，锥形定子(2)的螺旋展开角τ2由0至1.5π连续变化：在入口端面(Ⅰ-Ⅰ)处，螺旋展开角τ2＝0，在中间轴向截面(Ⅱ-Ⅱ)处，螺旋展开角τ2＝0.75π，在出口端面(Ⅲ-Ⅲ)处，螺旋展开角τ2＝1.5π，随着螺旋展开角τ2由0至1.5π，锥形定子(2)圆弧段的齿形曲线方程为：
Figure FDA0002564059690000021
式中，τ3为角度参数，
Figure FDA0002564059690000022
P2(τ2)为锥形定子(2)的螺距，且满足P2(τ2)＝2P1(τ1)；
锥形定子(2)直线段的齿形曲线方程为：
Figure FDA0002564059690000023
式中，τ4为角度参数，0≤τ4≤π。
3.如权利要求1所述的一种锥形单螺杆气液混输泵的转子与定子，其特征是：锥形转子(1)的螺旋线L1由半径发生变化的发生圆O1逆时针螺旋展开生成，螺旋线L1的方程为：
Figure FDA0002564059690000024
锥形定子(2)的螺旋线L2由半径发生变化的发生圆O2逆时针螺旋展开生成，螺旋线L2的方程为：
Figure FDA0002564059690000031
4.一种锥形单螺杆气液混输泵，其特征是：使用权利要求1中的锥形转子(1)和锥形定子(2)。
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