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螺杆泵的工作原理及应用
螺杆泵的工作原理及应用

 螺杆泵作为一种转子式容积泵,具有流动平稳、自吸性好、压力脉动小等优点,在石油、医药、化工等领域得到了广泛应用。本文系统的介绍了螺杆泵的原理和应用工况,并针对螺杆泵使用过程中可能出现的问题进行了总结分析,为生产管理、工程技术人员提供了参考。

1、引言
螺杆泵是一种转子式容积泵,20世纪20年代由法国的勒内•莫依诺发明设计、发明。螺杆泵被水力学院划分为单螺纹类型,是旋转型泵的一个分支。它具有流动平稳,自吸性好,压力脉动小,可输送高粘度介质的特点,因而被广泛地应用于环境保护、石油、医药、化工、食品、建筑、采矿、印刷、造纸等各种不同的领域。随着工业技术的发展,如何普及泵的知识,正确操作和使用螺杆泵也就成为我们必须面对的问题。
2、螺杆泵的工作原理
螺杆泵的主要组成部分是偏心螺杆(转子)和与之相配套的衬套(定子)。按照螺杆个数的不同,螺杆泵可分为单螺杆泵、双螺杆泵、三螺杆泵和五螺杆泵等。在单螺杆泵中,根据螺杆的头数还可分为单头和多头。
螺杆上的螺旋线随着转子的转动而运动,起着推挤液体向前移动的作用。螺杆的断面是半径为R的圆。整个螺杆可以看作是由很多个这样的薄圆盘组成。这些圆盘的中心O1是以偏心距e绕着螺杆本身的轴线O2一边旋转,一边按一定的螺距t向前移动。衬套的断面形状是由两个长度为4e的直线段和两个半径为R的半圆组成的长圆形。衬套的内表面是由许多个这样的断面组成的导程为T的双头内螺旋面,T=2t。
螺杆置于衬套内,在每一个横截面上,螺杆断面和衬套断面都有接触点。当螺杆断面位于衬套长圆形断面的两端时,接触为半圆弧线。在其他位置时,只有a、b两个接触点,如图1所示。这些接触点构成了空间密封线,在衬套的一个导程T内形成一个完整的密封腔。沿着螺杆泵的全长,在螺杆的外螺旋面和衬套的内螺旋面间形成了一个一个的密封腔。当螺杆转动时,靠近吸入端的腔室容积增加,在压差的作用下,物料进入第一个腔室,然后该腔室形成密封,按照螺旋方向向排出端移动。由于密封腔室的不断形成、推移和消失[1],使物料通过一个一个密封腔室从吸入端推挤到排出端。因为螺杆转速是恒定的,密封腔室的推移速度也是恒定的,理论上螺杆泵的流量均匀,不存在波动。
3、螺杆泵的应用
3.1螺杆泵的应用工况
螺杆泵的应用要以可靠性为根本,这很大程度上由其特点所决定。螺杆泵具有自吸性好,流量平稳,噪音低,压力脉动小的特点。因而其主要应用在输送高粘度介质,输送含固体颗粒或固体悬浮物的介质,要求连续平稳输送,搅动小,不破坏输送介质固有结构,低噪音的工矿情况。具体应用如下:
⑴高黏度。螺杆泵最大的优点就是能输送高粘度的物料。它能处理的黏度从似水流体(1cSt)到黏度高达1000000cSt的黏土、胶状物、淤泥的其他流体[1]。目前,污水厂多用用螺杆泵来输送稠化淤泥。此类应用需要注意的是如何使近似于固体的物料到达并进入泵的吸入口。这里可安装漏斗或推进器帮助流体进入泵中,防止断流。
⑵耐磨性。螺杆泵属于转子容积泵,螺杆转速较低。许多因素影响着磨损速率,作为一个近似的经验公式,螺杆泵的使用寿命设定为转速的三次方[1]。因而螺杆泵具有很强的耐磨性。运行平稳,磨损少,寿命长。是输送矿浆很好的选择。
⑶多相混输。螺杆泵可以输送含有气体、固体、液体的多相流体。这个优势是其他类型的泵所不能比及的。石油钻采上,抽汲高粘度、高含砂和高含气原油中,以及浅海钻井液补给上,螺杆泵的应用都越来越广泛。
3.2螺杆泵应用中的常见问题
螺杆泵虽然有运行平稳无脉冲等优点,但也有低转速,不耐高温等限制,会在使用中遇到一些问题。通过现场调查和查阅相关资料,在这里将螺杆泵常见的故障和可能原因作了归纳总结,见表1。可供工程技术人员现场维护时进行参考。
注:a转子和定子间阻力过大; b转动方向错误; c吸入口压力过高; d介质浓度过高;e转速有误; f排出口压力过高; g泵干运行; h泵与驱动装置没有对齐,联轴器需更换;i转速太低;g转速太高;k泵内有杂质;l定子或转子磨损;m万向节部件磨损;n吸入管完全堵塞;o输送介质温度过高,定子膨胀;p填料密封过紧,或磨损;q介质内含固量过大;r泵不运行时,固体物质沉淀,固化;s温度低,液体变硬;t定子膨胀,不适合输送介质;u电机故障。
3.3螺杆泵常见故障的解决方法
⑴压力。理论上螺杆泵的工作流量不随压力的改变而改变,但实际上,压力越高越容易造成滑脱,减小流量。吸入压力过高时,可增大吸入管径,一般采取几台泵并联的工作方式,分级安装,也可加装过滤器。
⑵转子和定子间阻力。初始设计时,一般转子和定子间为间隙配合。但随着泵的使用,定子橡胶在输送物料的腐蚀和摩擦受热下会膨胀,加大转子和定子间的阻力,影响泵的正常运行。可在转子和定子间添加润滑剂。定子一般采用天然EPDM,温度较高时,也可考虑更换定子橡胶材质,如PVDF材质,一般被用在接近300ºF的地方[1]。
⑶转速。螺杆与衬套间的运动为滚动加滑动。转子一面做自转,一面做公转由于有偏心距存在,转速太快会产生气蚀、噪音、磨损,速度太慢会滑脱,影响净流量。因此要控制一定的转速。
⑷干运行。螺杆泵不能干运行,定子橡胶会磨损失效。安装时,可以使液位高于泵的入口,高位流入。如果长期没有运行,可以加反水冲洗,或是认为先让转子轻轻转动下再启动。也可以加装干运行保护,使用流量计监测。如果流量减少或者接近下限值,则输出信号,控制泵停止运行。
4、结语
本文系统的介绍了螺杆泵的原理和应用工况,并针对螺杆泵使用过程中可能出现的问题做了总结分析,为工程技术人员对设备进行管理和维护提供了参考。随着工业技术的发展,螺杆泵的应用必然会更加广泛。

螺杆泵是一种内啮合偏心回转的容积泵,泵的主要构件:一根单头螺旋的转子和一个通常用弹性材料制造的具有双关螺旋的定子,当转子在定于型腔内绕定子的轴线作行星回转时,转定子之间形成的密闭腕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,基于这件特性,单螺杆泵特别适合于下列工况的工作。
输送高粘度介质:根据泵的大小不同可以输送粘度从37000-200000厘泊的介质。

含有颗粒或纤维的介质:颗粒直径可以这30mm(不超过转子偏心距)。纤维长可以350mm(相当0.4位转子的螺距)。其含量一般可达介质窖的40%,若介质中的固体物为细微之粉沫状时,最高含量可达60%或更高也能输送。要求输送压力稳定,介质固有结构不爱破坏时,选用单螺杆泵输送最为理想。

螺杆泵的特点

单螺杆泵由于结构和工作特性,与活塞泵离心泵、叶片泵、齿轮泵相比具有下列诸多优点:
能输送高固体含量的介质;
流量均匀压力稳定,低转速时更为明显;
流量与泵的转速成正比,因而具有良好的变量调节性;
一泵多用可以输送不同粘度的介质;
泵的安装位置可以任意倾斜;
适合输送敏性物品和易受离心力等破坏的物品;
体积小,重量轻、噪声低,结构简单,维修方便。

螺杆泵的用途

单螺杆泵可以广泛用于下列工业部门,输送各种介质。
化学工业:酸、碱、盐液,各种粘滞、糊状乳状化学浆液。
勘探采矿:各种钻探泥浆、采矿用水、浮先浆状物和浮液。
造船业:船底污水、污油、各种燃油淡水。
陶瓷工业:陶土、粘土、釉料。
能源工业:各种燃油、油煤浆、水煤浆、煤泥及核废料。
污水处理:污水、污油、淤泥。
造纸业:各种纤维素纸浆、涂料、黑液。
医药、食品、化妆工业:各种粮浆果浆、淀粉糊、膏剂、母液、薯泥、酒及酒糟等。
其它农林牧副渔业:也有广泛用途。
螺杆泵的选用
选用泵的规格是根据被输送液体的性质和流量、压力来决定的,而泵的转速则由输送液体的粘度和腐蚀性、作为主要参数来选择,才能确保泵的可靠运行。于此推荐(图二)供参考。
泵的设计转速为输送清水或清水相类似的无腐蚀性液体时允许最高转速,在实际使用中因介质性质与寿命要求不同,选用时一般都应低于设计转速,对高粘度和含颗粒介质,一般采用设计转速的 1/2-1/3 或更低些,低转速对泵的磨损有利,但在使用后由于定子的磨损流量下降,这时可适当提高转速,以补偿流量下降也为常策。输送介质的温度应在 -10 ℃~80℃特殊情况可高达120℃。
泵的每级(定子的一个导程)正常压力为 0.6Mpa,短时间(不超过30分钟)内允许高达0.8Mpa,当磨损后在相同输出压力时的容积效率要逐步下降。
泵送清水时最高吸程为 8米,实际使用建议不超过6.5米,当泵送高粘度介质时,应以正压吸入。

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