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螺桿泵基本原理和特點

2007-11-12

  螺桿泵是一種單螺桿式輸運泵,它的主要工作部件是偏心螺旋體的螺桿(稱轉子)和內表面呈雙線螺旋面的螺桿襯套(稱定子)。其工作原理是當電動機帶動泵軸轉動時,螺桿一方面繞本身的軸線旋轉,另一方面它又沿襯套內表面滾動,于是形成泵的密封腔室。螺桿每轉一周,密封腔內的液體向前推進一個螺距,隨著螺桿的連續轉動,液體螺旋形方式從一個密封腔壓向另一個密封腔,最后擠出泵體。螺桿泵是一種新型的輸送液體的機械,具有結構簡單、工作安全可靠、使用維修方便、出液連續均勻、壓力穩定等優點。
  一種利用螺桿的旋轉來吸排液體的泵,它最適于吸排黏稠液體.
  1. 螺桿泵的基本工作原理
  螺桿泵是利用螺桿的回轉來吸排液體的。圖中表示三螺桿泵的剖視圖。圖中,中間螺桿為主動螺桿,由原動機帶動回轉,兩邊的螺桿為從動螺桿,隨主動螺桿作反向旋轉。主、從動螺 桿的螺紋均為雙頭螺紋。
  由于各螺桿的相互嚙合以及螺桿與襯筒內壁的緊密配合,在泵的吸 入口和排出口之間, 就會被分隔成一個或多個密封空間。隨著螺桿的轉動和嚙合,這些密封空間在泵的吸入端不斷形成,將吸入室中的液體封入其中,并自吸入室沿螺桿軸向連續地推移至排出端,將封閉在 各空間中的液體不斷排出,猶如一螺母在螺紋回轉時被不斷 向前推進的情形那樣,這就是螺桿泵的基本工作原理。
  螺桿泵的工作原理是:螺桿泵工作時,液體被吸入后就進入螺紋與泵殼所圍的密封空間,當主動螺桿旋轉時,螺桿泵密封容積在螺牙的擠壓下提高螺桿泵壓力,并沿軸向移動。由于螺桿是等速旋轉,所以液體出流流量也是均勻的。
  螺桿泵特點為:螺桿泵損失小,經濟性能好。壓力高而均勻,流量均勻,轉速高,能與原動機直聯。
  螺桿泵可以輸送潤滑油,輸送燃油,輸送各種油類及高分子聚合物,用于輸送黏稠液體。
  輸送高粘度介質:
  根據泵的大小不同可以輸送粘度從37000-200000厘泊的介質。
  含有顆;蚶w維的介質:顆粒直徑可以這30mm(不超過轉子偏心距)。纖維長可以350mm(相當0.4位轉子的螺距)。其含量一般可達介質窖的40%,若介質中的固體物為細微之粉沫狀時,最高含量可達 60%或更高也能輸送。
  要求輸送壓力穩定,介質固有結構不愛破壞時,選用單螺桿泵輸送最為理想。
  泵體劇烈振動或產生噪音:
  產生原因:水泵安裝不牢或水泵安裝過高;電機滾珠軸承損壞;水泵主軸彎曲或與電機主軸不同心、不平行等。
  處理方法:裝穩水泵或降低水泵的安裝高度;更換電機滾珠軸承;矯正彎曲的水泵主軸或調整好水泵與電機的相對位置。
  傳動軸或電機軸承過熱:
  產生原因:缺少潤滑油或軸承破裂等。
  處理方法:加注潤滑油或更換軸承。
  水泵不出水:
  產生原因:泵體和吸水管沒灌滿引水;動水位低于水泵濾水管;吸水管破裂等。
  螺桿與殼體之間的密封面是一個空間曲面。 在這個曲面上存在著諸如ab或de之類的非密封區,并且與螺桿的凹槽部分形成許多三角形的缺口abc、def。這些三角形 的缺口構成液體的通道,使主動螺桿凹槽A與從動螺桿上的 凹槽B、C相連通。而凹槽B、C又沿著自己的螺線繞向背面, 并分別和背面的凹槽D、E相連通。由于在槽D、E與槽F(它屬 于另一頭螺線)相銜接的密封面上,也存在著類似于正面的三 角形缺口a’b’c’,所以D、F、E也將相通。這樣,凹槽ABCDEA也就組成一個“∞” 形的密封空間(如采用單頭螺紋,則凹槽將順軸向盤饒螺桿, 將吸排口貫通,無法形成密封)。不難想象,在這樣的螺桿 上,將形成許多個獨立的“∞”形密封空間,每一個密封空間所占有的軸向長度恰好等于累桿的導程t。因此,為了使螺桿 能吸、排油口分隔開來,螺桿的螺紋段的長度至少要大于一個導程。
  從上述工作原理可以看出,螺桿泵有以下優點:
  1)壓力和流量范圍寬闊。壓力約在3.4-340千克力/cm 2,流量可達18600cm3/分;
  2)運送液體的種類和粘度范圍寬廣;
  3)因為泵內的回轉部件慣性力較低,故可使用很高的轉速;
  4)吸入性能好,具有自吸能力;
  5)流量均勻連續,振動小,噪音低;
  6)與其它回轉泵相比,對進入的氣體和污物不太敏感;
  7)結構堅實,安裝保養容易。
  螺桿泵的缺點是,螺桿的加工和裝配要求較高;泵的性能 對液體的粘度變化比較敏感。
  2 三螺桿泵的結構
  它主要是由固定在泵體中的襯套(泵缸)以及安插在泵缸 中的主動螺桿和與其嚙合的兩根從動螺桿所組成。三根互相 嚙合的螺桿,在泵缸內按每個導程形成為一個密封腔,造成 吸排口之間的密封。
  泵工作時,由于兩從動螺桿與主動螺桿左右對稱嚙合, 故作用在主動螺桿上的徑向力完全平衡,主動螺桿不承受彎 曲負荷。從動螺桿所受徑向力沿其整個長度都由泵缸襯套來支承,因此,不需要在外端另設 軸承,基本上也不承受彎曲負荷。在運行中,螺桿外圓表面和 泵缸內壁之間形成的一層油膜,可防止金屬之間的直接接觸,使螺桿齒面的磨損大大減少。
  螺桿泵工作時,兩端分別作用著液體的吸排壓力,因此對螺桿要產生軸向推力。對于壓差小于10千克力/cm2 的小型泵,可以采用止推軸承。此外,還通過主動螺桿的中央油孔將 高壓油引入各螺桿軸套的底部,從而在螺桿下端產生一個與軸向推力方向相反的平衡推力。
  螺桿泵和其它容積泵一樣,當泵的排出口完全封閉時,泵內的壓力就會上升到使泵損壞或使電動機過載的危險程度。所以,在泵的吸排口處,就必須設置安全閥。
  螺桿泵的軸封,通常采用機械軸封,并可根據工作壓力的高低采取不同的形式。
  3 螺桿泵的性能
  3.1 排量
  螺桿泵的理論排量可由下式計算:
  Qt=60Ftn m3/h
  式中:F—泵缸的有效截面積,cm2;t—螺桿螺紋的導程, m;n—主動螺桿的每分鐘轉數。
  螺桿泵的內部泄漏量Qs:
  Qs=αp/σm
  式中:p—泵的工作壓力;σ—所排送的液體的粘度;α—與 螺桿直徑和有效長度有關的系數;m=0.3-0.5。
  泵在壓送不同粘度的液體時,其排量會發生變化。排量和 粘度的關系可由下式表示:
  Q2=Qt-(Qt-Q1)(σ1/σ2)m
  式中:Q1—粘度為σ1時的排量;Q2—粘度為σ2時的排量。
  3.2 功率
  泵的軸功率一般為水功率、摩擦功率和泄漏損失功率這三部分的總和。
  水功率Nc是指單位時間內泵傳給液體的能量,也稱輸出 功率,可用下式計算:
  Nc=PQ×10-3 千瓦
  式中:P—泵的排出壓力和吸入壓力之差,帕;Q—泵的實 際排量,m3/s。
  摩擦功率是指液體粘性阻力產生的摩擦損失,可由下式表示:
  Nf=Kn1.5D2 σm 千瓦
  式中:n—轉速;D—主動螺桿的外徑;—粘度;K—與螺桿長度有關的系數;m=0.3-0.5。
  由上可見,當泵運送的液體粘度不同時,泵的軸功率也將不同。
  泄漏損失是指液體從高壓處漏回低壓處所造成的功率損失。
  所以,當計算泵的軸功率時,如采用理論排量,則泵的軸功率由下式表示:
  N=NfPQt10-3 千瓦
  4 螺桿泵的管理
  4.1 起動
  螺桿泵應在吸排停止閥全開的情況下起動,以防過載或吸空。
  螺桿泵雖然具有干吸能力,但是必須防止干轉,以免擦傷工作表面。
  假如泵需要在油溫很低或粘度很高的情況下起動,應在吸排閥和旁通閥全開的情況下起動,讓泵起動時的負荷最低,直到原動機達到額定轉速時,再將旁通閥逐漸關閉。
  當旁通閥開啟時,液體是在有節流的情況下在泵中不斷循環流動的,而循環的油量越多,循環的時間越長,液體的發熱也就越嚴重,甚至使泵因高溫變形而損壞,必須引起注意。
  4.2 運轉
  螺桿泵必須按既定的方向運轉,以產生一定的吸排。
  泵工作時,應注意檢查壓力、溫度和機械軸封的工作。對軸封應該允許有微量的泄漏,如泄漏量不超過20-30秒/滴,則認為正常。假如泵在工作時產生噪音,這往往是因油溫太低,油液粘度太高,油液中進入空氣,聯軸節失中或泵過度磨損等原因引起。
  4.3 停車
  泵停車時,應先關閉排出停止閥,并待泵完全停轉后關閉吸入停止閥。
  4.4 螺桿泵因工作螺桿長度較大,剛性較差,容易引起彎曲,造成工作失常。對軸系的連接必須很好對中;對中工作最好是在安裝定位后進行,以免管路牽連造成變形;連接管路時應獨立固定,盡可能減少對泵的牽連等。此外,備用螺桿,在保存時最好采用懸吊固定的方法,避免因放置不平而造成的變形公元前三世紀,阿基米德發明的螺旋桿,可以平穩連續地將水提至幾米高處,其原理仍為現代螺桿泵所利用。
  1.單螺桿泵的壓力確定:
  單螺桿泵最大輸出壓力是根據襯套級數即襯套的導程數來確定:
  1級:最高工作壓力為0.6 MPa;
  2級:最高工作壓力為1.2 MPa;
  4級:最高工作壓力為2.4 MPa;
  由于輸送介質情況不同,對于含有嚴重磨損性的介質,請參照表一選擇襯套級數。
  表一:根據介質的磨損性選擇襯套級數
  磨損性 一級 二級
  無 0.6MPa 1.2MPa
  一般 0.4MPa 0.8MPa
  嚴重 0.2MPa 0.4MPa
  2.單螺桿泵轉速的選擇:
  單螺桿泵由于其結構特點,大部分使用在輸送較高粘度的液體及含有顆粒的液體,因此其轉數的選擇非常關鍵,根據經驗,列出表二、表三,您可根據具體情況綜合考慮。
  表二:根據介質的磨損性選擇泵轉速
  磨損性 介質名稱 轉速(rpm)
  無 淡水、促凝劑、油、漿汁、肉沫、油漆、肥皂水、血液、甘油 400-1000
  一般 泥漿、懸浮液、工業廢水、油漆顏料、廢絲水(糖)、灰漿、魚、麥麩、菜籽油過濾后的沉積物 200-400
  嚴重 石灰漿、粘土、灰泥、陶土 50-200
 。碇薪o出了所輸送的具體介質及其磨損特性的特例,請注意介質的特性隨其濃度和溫度的變化而變化。
 。敱玫囊幐翊髸r,轉速應選低一些。
  表三:根據介質粘度選擇泵轉速
  介質粘度(cst) 1-1000 1000-10000 10000-100000 100000-
  1000000
  轉速(rpm) 400-1000 200-400 <200 <100
 。谶x擇轉速時也要根據經驗,因為一些其他因素也影響著轉速的選擇,在最后確定了上述數值的同時最好與生產廠家協商。
  3.單螺桿泵襯套橡膠材料的選擇:
  單螺桿泵襯套為橡膠制品,也是單螺桿泵的一個易損件,它的選擇好壞,直接影響襯套的壽命,一般正常情況下襯套的壽命為3-6個月,如果選用不當,襯套可能從鋼管中脫落或橡膠掉塊。所以要求我們對橡膠的基本特性及橡膠對各種不同介質的適應性有所了解,根據我們的經驗列出表四、表五。
  表四:橡膠基本特性
  橡膠特性 丁晴橡膠NBR 氯丁橡膠CR 氟橡膠PPM 乙丙橡膠EPDM
  耐最高溫度 +120°C +110°C +200°C +150°C
  耐磨性 優 很好 優 很好
  耐老化性 很好 很好 優 優
  耐臭氧 不行 優 優 優
  耐蒸汽 很好 不行 優 優
  耐燃性 很好 優 優 優
  表五:單螺桿泵的襯套常用橡膠
  橡膠的適應性 乙丙橡膠EPDM 氟橡膠PPM 氯丁橡膠CR 丁晴橡膠NBR
  水(污水) 很好 很好 很好 很好
  植物油 一般 很好 一般 很好
  礦物油 不行 很好 一般 很好
  氨水 一般 不行 不行 很好
  芳香族溶劑 不行 很好 不行 不行
  濃堿 很好 不行 很好 很好
  濃硝酸 不行 一般 不行 不行
  冰醋酸 不行 很好 不行 很好
  稀硫酸 很好 很好 不行 很好
  濃硫酸 一般 很好 不行 不行
  稀鹽酸 很好 很好 很好 很好
  濃鹽酸 很好 很好 不行 很好
  熱水 很好 不行 不行 一般
  汽油 不行 很好 一般 很好
  甲苯 不行 很好 不行 不行
  二甲苯 不行 很好 不行 不行
  乙醇 很好 很好 很好 一般
  煤油 不行 很好 很好 很好
  柴油 不行 很好 不行 很好
  氯化烴 不行 一般 不行 不行
  含酮類物料 很好 不行 不行 不行
  含醇類物料 很好 很好 很好 很好
  含脂類物料 很好 不行 不行 不行
  含醚類物料 很好 不行 不行 不行
  泥漿 很好 一般 一般 很好
  磷酸 很好 一般 很好 一般
  碳酸鈉 很好 不行 很好 很好
  糖醛 很好 一般 一般 一般
  苯100 不行 很好 不行 不行
  丙酮 很好 不行 不行 不行
  亞麻子油 很好 很好 很好 很好
  二硫化碳 不行 很好 不行 不行
  4.材料組合選擇:
  輸送不同性質的介質,需不同材料組合。
  5.性能表:
  一般單螺桿泵的性能表或特性曲線都是以20C清水為介質(粘度為1cst)時的數據,對于輸送不同粘度下的流量與軸功率不同。
  6.軸封:
  根據需要和輸送介質,可采用機械密封和填料密封兩種,且這兩種結構具有互換性。
  7.泵的驅動方式:
  由于單螺桿泵為低速泵,泵的驅動方式較多,一般有低速電機直聯(6級、8級)、齒輪減速電機驅動、無級變速電機驅動等方式。
  螺桿泵在污水處理中的選用及應用過程
  螺桿泵因其有可變量輸送、自吸能力強、可逆轉、能輸送含固體顆粒的液體等特點,在污水處理廠中,廣泛地被使用在輸送水、濕污泥和絮凝劑藥液方面。螺桿泵選用應遵循經濟、合理、可靠的原則。如果在設計選型方面考慮不周,會給以后的使用、管理、維修帶來麻煩,所以選用一臺按生產實際需要,合理可靠的螺桿泵既能保證生產順利進行,又可降低修理成本。
  一、螺桿泵的轉速選用
  螺桿泵的流量與轉速成線性關系,相對于低轉速的螺桿泵,高轉速的螺桿泵雖能增加了流量和揚程,但功率明顯增大,高轉速加速了轉子與定子間的磨耗,必定使螺桿泵過早失效,而且高轉速螺桿泵的定轉子長度很短,極易磨損,因而縮短了螺桿泵的使用壽命。
  通過減速機構或無級調速機構來降低轉速,使其轉速保持在每分三百轉以下較為合理的范圍內,與高速運轉的螺桿泵相比,使用壽命能延長幾倍。
  二、螺桿泵的品質
  現在市場上的螺桿泵的種類較多,相對而言,進口的螺桿泵設計合理,材質精良,但價格較高,服務方面有的不到位,配件價格高,訂貨周期長,可能影響生產的正常運行。
  國內生產的大都仿制進口產品,產品質量良莠不齊,在選用國內生產的產品時,在考慮其性價比的時候,選用低轉速,長導程,傳動量部件材質優良,額定壽命長的產品。
  三、確保雜物不進入泵體
  濕污泥中混入的固體雜物會對螺桿泵的橡膠材質定子造成損壞,所以確保雜物不進入泵的腔體是很重要的,很多污水廠在泵前加裝了粉碎機,也有的安裝格柵裝置或濾網,阻擋雜物進入螺桿泵,對于格柵應及時清撈以免造成堵塞。
  四、避免斷料
  螺桿泵決不允許在斷料的情形下運轉,一經發生,橡膠定子由于干摩擦,瞬間產生高溫而燒壞,所以,粉碎機完好,格柵暢通是螺桿泵正常運轉的必要條件之一,為此,有些螺桿泵還在泵身上安裝了斷料停機裝置,當發生斷料時,由于螺桿泵其有自吸功能的特性,腔體內會產生真空,真空裝置會使螺桿泵停止運轉。
  五、保持恒定的出口壓力
  螺桿泵是一種容積式回轉泵,當出口端受阻以后,壓力會逐漸升高,以至于超過預定的壓力值。此時電機負荷急劇增加。傳動機械相關零件的負載也會超出設計值,嚴重時會發生電機燒毀、傳動零件斷裂。為了避免螺桿泵損壞,一般會在螺桿泵出口處安裝旁通溢流閥,用以穩定出口壓力,保持泵的正常運轉。

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