噴水推進(jìn)新型對(duì)稱雙螺桿泵原理樣機(jī)的研制

周朝暉，苗 海，夏建偉(.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033；.總裝某軍事代表室，四川 成都 6004)

噴水推進(jìn)新型對(duì)稱雙螺桿泵原理樣機(jī)的研制

周朝暉1，苗 海1，夏建偉2
(1.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033；2.總裝某軍事代表室，四川 成都 610041)

在新型對(duì)稱雙螺桿泵轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)及其零部件三維造型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，選取了4齒轉(zhuǎn)子，確定了轉(zhuǎn)子的技術(shù)參數(shù)。分別采用鋁合金和聚四氟乙烯材料試制轉(zhuǎn)子，提高了其耐磨性和密封性。研究并確定了進(jìn)水口、噴水口等關(guān)鍵要素，研制出泵體、蓋板等零部件并組裝成新型對(duì)稱雙螺桿泵。

噴水推進(jìn)；螺桿泵；對(duì)稱雙螺桿；原理樣機(jī)；研制

螺旋槳、軸流泵和混流泵為常用的噴水推進(jìn)方式，但這些傳統(tǒng)方式存在著噪聲高、體積大、矢量控制難等不足[1]。近年來，以螺桿泵為代表的容積式泵發(fā)展迅速。螺桿泵具有壓力高、振動(dòng)小、噪聲低、流量大且均勻、吸入能力好、介質(zhì)種類和黏度適應(yīng)范圍廣、剪切力低、結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)、對(duì)進(jìn)入的介質(zhì)不太敏感等優(yōu)點(diǎn)[2]。但比較成熟的螺桿泵大多為雌雄轉(zhuǎn)子泵，其轉(zhuǎn)子為非對(duì)稱嚙合。這類螺桿泵，加工復(fù)雜、工藝性差、易于磨損、精度保持性低、制造成本高[3]。為此，我們研究出噴水推進(jìn)新型對(duì)稱雙螺桿泵(簡(jiǎn)稱雙螺桿泵)轉(zhuǎn)子型線，借助于SolidWorks等工具實(shí)現(xiàn)了泵體等零部件的三維造型設(shè)計(jì)。通過轉(zhuǎn)子型線研究和泵體三維造型設(shè)計(jì)，解決了型線連續(xù)嚙合、密封線封閉、兩轉(zhuǎn)子共軛、零部件干擾等問題。

1 雙螺桿泵轉(zhuǎn)子樣機(jī)實(shí)現(xiàn)

一般而言，雙螺桿泵的對(duì)稱螺旋轉(zhuǎn)子(簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)子)是3～5齒的極少齒齒輪。利用根切技術(shù)盡量減少轉(zhuǎn)子截面面積，相應(yīng)地增加轉(zhuǎn)子之間的空腔容積，盡可能地提高效率。過少的齒數(shù)(齒數(shù)lt;3)，不能形成共軛、強(qiáng)度過低；但過多的齒數(shù)(齒數(shù)gt;5)，會(huì)造成轉(zhuǎn)子之間的空腔容積太小，發(fā)揮不出雙螺桿泵的優(yōu)勢(shì)。因此，通常齒數(shù)選擇4或5居多。我們以齒數(shù)4為例開展研究。

轉(zhuǎn)子作為一對(duì)對(duì)稱的極少齒齒輪，除了必須符合齒輪嚙合的基本要求之外，還應(yīng)滿足：①轉(zhuǎn)子齒間連續(xù)密封，兩轉(zhuǎn)子全長(zhǎng)上嚙合線連續(xù)不斷；②有側(cè)隙傳動(dòng)，預(yù)留一定的轉(zhuǎn)子正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的側(cè)隙；③無頂隙傳動(dòng)，以確保密封；④兩轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩相等且不變[4]。

根據(jù)設(shè)計(jì)和研究的結(jié)果，采用4軸數(shù)控機(jī)床反復(fù)試制，最終實(shí)現(xiàn)了以圓弧擺出的長(zhǎng)幅外擺線和短幅外擺線為主、漸開線連接、圓弧過渡的轉(zhuǎn)子，詳見圖1～圖3。

圖1 鋁合金轉(zhuǎn)子圖

圖2 聚四氟乙烯轉(zhuǎn)子圖

圖3 對(duì)稱螺桿轉(zhuǎn)子嚙合圖

圖1～圖3所示的2個(gè)轉(zhuǎn)子在形狀上呈對(duì)稱狀，所有技術(shù)參數(shù)均相同，只是旋向相反。

試制加工時(shí)，工裝、數(shù)控機(jī)床、絕大多數(shù)數(shù)控程序、刀具乃至加工工藝都是一樣的，只需改變刀具走向和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向即可。為了提高轉(zhuǎn)子的耐磨性，參照汽車輪胎與大地之間軟硬接觸的實(shí)例，分別采用鋁合金和聚四氟乙烯這樣軟硬不同的材料來試制2個(gè)轉(zhuǎn)子，取得了很好的效果。除了提高了轉(zhuǎn)子的耐磨性，也同時(shí)改善和提高了轉(zhuǎn)子之間的密封性能。

2 雙螺桿泵樣機(jī)實(shí)現(xiàn)

雙螺桿泵由2個(gè)轉(zhuǎn)子、泵體、蓋板、2根轉(zhuǎn)子軸、困液槽等組成，如果考慮動(dòng)力和試驗(yàn)設(shè)備，則還需要加上驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、壓力表、流量計(jì)等。雙螺桿泵樣機(jī)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 雙螺桿泵樣機(jī)系統(tǒng)圖

研制的雙螺桿泵只是原理樣機(jī)，因此采用鋁合金板借助于粘接試制出泵體，但泵體內(nèi)部形狀和型線嚴(yán)格按照SolidWorks的設(shè)計(jì)結(jié)果，借助于數(shù)控機(jī)床開展試制工作。

進(jìn)水口和噴水口是利用雙螺桿泵實(shí)現(xiàn)噴水推進(jìn)的關(guān)鍵要素。進(jìn)水口與轉(zhuǎn)子之間形成的空腔為吸水腔，所以進(jìn)水口應(yīng)盡量開大，使吸水過程平穩(wěn)、快速，確保噴水推進(jìn)所需的流量。但同時(shí)也要避免因進(jìn)水口的位置、形狀和大小設(shè)置不合理，造成泵內(nèi)產(chǎn)生空泡，反而影響進(jìn)水量和進(jìn)水的穩(wěn)定性。進(jìn)水口的位置、形狀和大小詳見圖5。

圖5 雙螺桿泵進(jìn)水口圖

噴水口即雙螺桿泵的出水口，其作用是提供噴水推力。因?yàn)殡p螺桿泵產(chǎn)生的壓力需要通過噴水口轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，所以通常噴水口截面積要小于進(jìn)水口和出水空腔的截面積，從而使水流加速加壓后噴出。由于螺旋轉(zhuǎn)子造成的空腔水流為旋轉(zhuǎn)水流，因此在空腔和噴水口之間應(yīng)采取圓滑過渡。我們采用雙扭曲線實(shí)現(xiàn)了合理的空腔和噴水口之間的平滑過渡，使水力損失減小到最低，基本上消除了空腔和噴水口之間的旋轉(zhuǎn)水流，取得了較好的效果。雙扭曲線詳見圖6。噴水口的位置、形狀和大小見圖7所示。

圖6 雙扭曲線圖

圖7 雙螺桿泵噴水口圖

3 噴水推進(jìn)效果的初步驗(yàn)證

為了驗(yàn)證雙螺桿泵是否滿足噴水推進(jìn)的要求，搭建了一個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)量其流量、壓力、推力等。詳見圖8和圖9。

圖8 原理試驗(yàn)圖

試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)雙螺桿泵的口徑為20 mm、轉(zhuǎn)速200 r/min時(shí)，流量可達(dá)115 L/min，是同尺寸的羅茨泵和雌雄轉(zhuǎn)子螺桿泵的3.1倍。如果增加轉(zhuǎn)子和泵口徑尺寸，同時(shí)增大轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，理論上是能夠達(dá)到噴水推進(jìn)所要求的流量。由于轉(zhuǎn)子為對(duì)稱螺旋轉(zhuǎn)子，工藝性好、加工精度高，加之采用軟硬結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子嚙合，以及利用雙扭曲線克服水流的空腔旋轉(zhuǎn)，使得雙螺桿泵的噴水壓力很大，在其口徑為20 mm、轉(zhuǎn)速900 r/min時(shí)，揚(yáng)程可以達(dá)到23 m。另外，振動(dòng)和噪聲水平也符合理論設(shè)計(jì)要求，單純由雙螺桿泵產(chǎn)生的噪聲遠(yuǎn)小于同尺寸和同轉(zhuǎn)速的羅茨泵等其它容積式泵。

圖9 噴水效果試驗(yàn)圖

4 結(jié)束語

雙螺桿泵原理樣機(jī)的試制成功，說明轉(zhuǎn)子型線、雙螺桿泵的結(jié)構(gòu)以及樣機(jī)的制造工藝是合理的、可行的、科學(xué)的。通過樣機(jī)的流量、揚(yáng)程、噪聲、振動(dòng)等試驗(yàn)，加上今后進(jìn)一步優(yōu)化雙螺桿泵的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)，將雙螺桿泵用于噴水推進(jìn)裝置，尤其用于對(duì)噪聲、振動(dòng)、控制、空間等要求較高的小型噴水推進(jìn)裝置，將具有重要意義。

[1] 周朝暉，盧曉林，夏建偉. 噴水推進(jìn)新型對(duì)稱雙螺桿泵轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，23(3)，83-85.

[2] 全國(guó)化工設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站機(jī)泵技術(shù)委員會(huì). 工業(yè)泵選用手冊(cè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[3] 李松華，周朝暉. 噴水推進(jìn)新型對(duì)稱雙螺桿泵的泵體設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程師，2013(10)：88-90.

[4] 吳旭堂. 齒輪嚙合原理[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

On the basis of design of the rotor profiles and three-dimensional parts in new symmetry twin-screw pump,technology parameters of the rotor with 4 teeth has been determined.A rotor in the pump has been manufactured with aluminum,the other one with teflon.So the rotor's wear and pump's tightness have been improved obviously.The key elements in the pump，such as intake and spout,have been determined.Based on trial of pump body and covers,the new symmetry twin-screw pump has been manufactured.

water-jet propulsion;screw pump;symmetry twin-screw;proto type;manufacture

U664.34

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.06.013

周朝暉(1963-)，男，江西興國(guó)人，副教授，碩士，主要從事容積式泵、噴水推進(jìn)、CAD/CAM等研究工作。

2015-06-18