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螺桿泵國內外研究與應用現狀

 

摘要：螺桿泵運行的過程中，可以有效地實現介質傳遞的勻速性以及容積的恒定性。由于其優越性，廣泛應用于石油、化工以及造船等領域，螺桿泵在現代工業中發揮著重要作用。我國螺桿泵生產技術遠落后國外先進水平。論述了螺桿泵發展進程及其結構原理，分析了螺桿泵國內外研究與應用現狀，介紹了螺桿泵生產廠商及相關標準、關鍵技術與指標，提出了不同工況下的螺桿泵將成為未來的研究方向。為研發人員設計螺桿泵提供了借鑒。

關鍵詞：螺桿泵；技術指標；典型結構；應用；發展趨勢

中圖分類號:TH327文獻標志碼：A

 

Research and application of screw pump at home and abroad

TANG Yue

（College of mechanical Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou）

 

Abstract: In the process of running the screw pump, the uniformity of the mass transfer and the constant of the volume can be effectively realized. Due to its superiority, it is widely used in petroleum, chemical and shipbuilding fields. Screw pumps play an important role in modern industry. China's screw pump production technology is far behind the advanced level. The development and application of the screw pump are discussed,the research and application status of the screw pump are analyzed,the key technology and index of the screw pump are introduced. The screw pump under different working conditions will be the future research direction,providing a reference for designers to design.

Key words：screw pump；Technical index；typical structure；application；Developing trend

 

1、   前言

螺桿泵從其本質上來說是容積泵的一種，在應用的過程中，依靠泵體與螺桿所形成的嚙合空間容積變化和移動來輸送液體或使之增壓。螺桿泵的應用范圍相對較廣，多見于石油、化工、冶金以及造船等領域。在螺桿泵運行的過程中，可以有效地實現介質傳遞的勻速性以及容積的恒定性。

螺桿泵的工作原理與齒輪泵相似，只是在結構上用螺桿取代了齒輪。螺桿泵和其他的泵相比具有一定的優越性，不僅可以實現變量運輸，同時還具有體積小、噪聲低等特點。而且這種泵的自吸能力較強，能夠傳輸一定數量帶有微小顆粒的液體，基于以上這些優勢，在一些工廠中，逐漸淘汰了活塞泵和葉片泵等類型，選擇螺桿泵。

單螺桿泵是1932年由法國工程師Moineau發明，并由德國PCM泵公司制成產品。三螺桿泵是1931年由瑞典IMO公司發明并制造的。天津于1984年引進德國Allweiler公司的制造技術和英國Holroyd公司的2AC螺桿銑床和配套設備后，我國才開始批量生產螺桿泵，比國外落后了20年。

螺桿泵的應用范圍和領域越來越大，對其技術要求越來越嚴格，適合不同工況的螺桿泵是今后研究的重點。

 

2、   螺桿泵發展進程

螺桿泵問世較晚，1930年法國工程師雷涅-摩伊諾（也譯莫諾）創造第一臺單螺桿泵^[1]。1931年瑞典MIO公司發明三螺桿泵^[2]。1943年，德國鮑曼（Bomemann）公司生產外置軸承的雙螺桿泵，從1944年開始批量生產^[3]。1959年以來，德國費里茨-基伯格對單螺桿泵作了重大改進，他設計和制造了德國第一臺新型單螺桿泵^[4]。截止1972年，市場上所有的螺桿泵轉子和定子的幾何形狀還都是1935年研制的。

我國螺桿泵的發展起步較晚，原天津市工業泵廠于20世紀60年代初期研制成功船用高壓小流量三螺桿泵，此后逐步發展成為單、雙、三螺桿泵的專業生產廠。60年代中期，原沈陽水泵廠開始生產雙螺桿泵和三螺桿泵，70年代研制成功五螺桿泵。

1984年6月，天津工業泵總廠與世界著名的德國阿爾維勒（ALLWEILER）公司簽定三螺桿泵制造技術轉讓合同；1992年2月，與德國鮑曼公司簽定合同，引進單、雙螺桿泵制造技術。

為了提高螺桿泵轉子加工精度，天津工業泵總廠先后從英國霍爾羅伊德（HOLROYD）公司購進高精度螺桿泵轉子加工專用銑床，購進該公司螺桿泵轉子專用2AC銑床、刀具及檢查設備。購進奧地利CNC-131型加長螺桿加工專用銑床。第二次購進英國霍爾羅伊德（HOLROYD）公司加長螺桿加工專用銑床、大直徑螺桿加工高精度專用銑床，以及銑刀制造技術及電子檢查儀器。

1989年，湖北石首水泵廠引進原捷克斯洛伐克西格瑪公司單螺桿泵制造技術及空心管壓制單螺桿泵轉子設備。

我國目前螺桿泵生產廠約40-50家（包括專業廠和兼業廠），螺桿泵（單、雙、三、五螺桿泵）產品中，以三螺桿泵產量最大，約占螺桿泵總產量的50%以上。

 

3、   螺桿泵種類

螺桿泵依靠相互嚙合空間的容積變化來輸送流體。螺桿泵按照螺桿數目可以分為單螺桿泵、雙螺桿泵、三螺桿泵、四螺桿泵和五螺桿泵。四螺桿泵只有美國金字塔等少數公司生產，其特點與五螺桿泵類似。按照吸入方式可以分為單吸式和雙吸式。按照螺桿泵螺桿螺紋頭數，分為單頭和雙頭螺桿泵

 

3.1單螺桿泵

單螺桿泵，主要由螺桿、泵套（襯套）和萬向聯軸節組成。單螺桿泵轉子是圓形斷面的螺桿，它在特殊形狀的襯套（定子）中一方面作行星運動，一方面沿著定子內螺紋將液體向前推進，從吸入腔連續地移動到壓力腔，腔內流體是軸向均勻流動，無渦流和攪動。

單螺桿泵是一種內嚙合的密封式容積泵，國外習稱莫諾泵，德國等稱偏心轉子泵。按照螺桿泵螺桿螺紋頭數，分為單頭和雙頭螺桿泵。單頭螺桿泵，轉子為單頭凸螺紋（Z₁=1）的螺桿，定子為雙頭凹螺紋（Z₂=2）的螺套。雙頭單螺桿泵，其螺桿設計成凸螺紋（Z₁=2）的齒形，螺套設計為三頭凹螺紋（Z₁=3）的齒形^[5]。

在排量、壓力和轉速相同的情況下，雙頭螺桿泵比單頭螺桿泵具有體積小、重量輕的顯著特點。

單螺桿泵具有結構緊湊、徑向尺寸小、壓力和排量無脈動、噪聲低、自吸性能強、輸送介質時攪動小等優點，可用于輸送含有固體顆粒的液體、酸堿鹽液體、各種不同粘度液體、紙漿、軟青、污油、泥漿、水泥砂漿等，廣泛應用于環保、生物工程、污物處理、采礦、石油化工、食品、制糖、制藥、造紙、染料、建筑等工業。

德國基伯格公司在單螺桿泵設計、制造、應用領域、性能和效率等方面處于世界領先地位。

 

3.2雙螺桿泵

雙螺桿泵由主動螺桿（主桿）、從動螺桿（從桿）、泵體、安全閥、聯軸器、過濾器、同步齒輪和滾動軸承組成^[6]。雙螺桿泵的兩根螺桿（轉子）相互嚙合，在襯套（定子）中運轉，依靠所形成的密封腔的容積變化吸入和排出流體。流體是軸向均勻流動，無渦流和攪動。雙螺桿泵轉子和定子均為剛性材料制成，其制造精度要求比單螺桿泵高^[7]。按照吸入方式，雙螺桿泵可以分為單吸和雙吸式。單吸雙螺桿泵和單吸五螺桿泵，要考慮平衡軸向力的液力平衡裝置。雙吸式雙螺桿泵，泵體內裝有兩根左、右旋單頭螺紋的螺桿，螺桿上的軸向力自行平衡。主桿通過外置的同步齒輪（外支承型）帶動從桿回轉，從桿的旋轉并不依靠主桿的嚙合傳動，兩根螺桿以及螺桿與泵體之間的間隙靠齒輪和軸承保證。

由于外支承結構，軸承與吸人和排出腔分開，而且主、從螺桿的工作型面間無接觸運行，因此雙螺桿泵在液氣兩相流體輸送（介質中還可以含固體顆粒）中有其它泵難以替代的獨特優勢。近年來，國內外雙螺桿泵的生產和應用發展很快。同時它還適用于非潤滑性、腐蝕性和含少量固體顆粒的流體。

雙螺桿多相流混輸泵，結構緊湊，利用氣體的壓縮性成功地降低回流損失，提高了泵的容積效率，對于任意氣液比的多相流體、高凝固點高粘度流體都有較好的增壓效果，適合中小流量（10-1000m³/h）和高中低揚程（O-10 Mpa）工況^[8]。

雙螺桿泵具有自吸性能強、輸送平穩、噪聲低等優點，廣泛應用于船舶、石油、化工、機床、工程機械中，用于輸送燃油、潤滑油、液壓用油，特別它能用作潛油泵在石油井層中采吸含砂粒的氣液固三相原油介質。

 

3.3三螺桿泵

三螺桿泵主要由主桿、兩根從桿和包容三根螺桿的泵套組成。主桿螺紋呈凸形雙頭，從桿螺紋為凹形雙頭，兩者螺旋方向相反^[9]。

三螺桿泵的主桿通過嚙合帶動兩根從桿。三根螺桿（轉子）相互嚙合在襯套（定子）中運轉，依靠所形成的密封腔的容積變化來吸入和排出流體。流體在泵腔內軸向均勻移動，無渦流和攪動。螺桿泵的型面通常由擺線形成的，因而稱為擺線嚙合螺桿泵。三螺桿泵的嚙合間隙很小，壓力可達到25MPa；噪聲低，達到57dB（A）；效率高，特別適合于高壓小流量的流體輸送。其加工精度比單螺桿泵、雙螺桿泵都要高。缺點是由于轉子間和轉子與定子間間隙細小，介質中不能含固體顆粒。.

 

3.4 五螺桿泵

雙吸式五螺桿泵的泵套內裝有五根左、右旋雙頭螺紋的螺桿，螺桿上的軸向力自行平衡。螺桿齒廓上有一段是漸開線，它起著主桿向從桿傳遞運動的作用。.螺桿兩端裝有滾動軸承，保證螺桿與泵套之間的間隙。

對于單吸式五螺桿泵，需要考慮平衡軸向力的液力平衡裝置。

五螺桿泵是非密封型容積泵，壓力不高（1MPa以下），僅用于安裝空間受限制的特殊場合（如艦船上等）作為潤滑油泵。