本發(fā)明涉及雙螺桿式氣液混輸泵，特別涉及適用于雙螺桿式氣液混輸泵的一種變螺距與變嚙合間隙的螺桿轉子。

背景技術：

以多相泵為核心的氣液多相混輸技術在石油工業(yè)中得到廣泛應用，特別對邊際油田和衛(wèi)星油田的開發(fā)具有顯著的經濟效益；雙螺桿式氣液混輸泵依靠兩個螺桿轉子之間的相互嚙合，實現工作腔容積的周期性變化來對氣液介質進行增壓，達到混輸氣液混合介質的目的。按照螺桿轉子所形成的工作腔的變化規(guī)律，現有的雙螺桿式氣液混輸泵可分為兩種：螺桿轉子所形成的壓縮腔容積始終不變、螺桿轉子所形成的壓縮腔容積逐漸減小。前者壓縮腔容積恒定，無內壓縮過程，這種雙螺桿式氣液混輸泵在排出過程剛開始時，排出管道內的氣液介紹倒流到壓縮腔內，并與壓縮腔內的氣液介質進行混合，其增壓過程不平穩(wěn)、各壓縮腔內氣液介質壓力升高不均勻、有壓力突變，容易產生較大的沖擊振動，其功耗大、工作效率低。后者有內壓縮過程，即螺桿轉子所形成的壓縮腔是逐漸減小的，這種雙螺桿式氣液混輸泵當輸送的氣液介質含液率較高時，由于液體的不可壓縮性，其壓縮腔內容易出現壓力驟增，甚至液擊的現象，影響雙螺桿式氣液混輸泵的安全運行。

技術實現要素：

針對以上問題，當含液率較高時，因液體不可壓縮而易產生的壓縮腔內壓力驟增、甚至液擊問題，為了提高雙螺桿式氣液混輸泵工作過程中的穩(wěn)定性和可靠性，降低壓縮功耗，本發(fā)明提出一種變螺距變嚙合間隙的螺桿轉子及雙螺桿式氣液混輸泵，通過變螺距產生內壓縮過程，使氣液介質增壓過程平穩(wěn)，采用變化的嚙合間隙的螺桿轉子，工作中形成一條從壓縮腔通向排出口方向的卸壓通道，在氣液混合增壓過程中，隨著壓縮腔容積的減小，從氣液介質從壓縮腔向排出口產生少量泄漏，實現液相壓縮的隨機卸荷，解決了壓力驟增和液擊現象；同時壓縮腔在通向吸入口方向不存在泄漏通道，增壓過程中氣液介質不會產生從壓縮腔向吸入口的外泄漏，進而不會降低其容積效率。

為了實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種變螺距變嚙合間隙的螺桿轉子，由吸入段(Ⅰ)和壓縮排出段(Ⅱ)組成，其吸入段(Ⅰ)連接吸入口(3)，壓縮排出段(Ⅱ)連接排出口(4)；吸入段(Ⅰ)和壓縮排出段(Ⅱ)之間是光滑連接的；螺桿轉子是變螺距的，從吸入段(Ⅰ)到壓縮排出段(Ⅱ)方向，螺桿轉子的螺距是逐漸減小的；螺桿轉子的吸入段(Ⅰ)的任意軸向位置處的截面型線是相同的，螺桿轉子的壓縮排出段(Ⅱ)的任意軸向位置處的截面型線是變化的，螺桿轉子的壓縮排出段(Ⅱ)呈錐形，越靠近排出口(4)，其外徑越小。

在工作過程中，右旋螺桿轉子(1)與左旋螺桿轉子(2)相互嚙合，在兩個螺桿轉子的吸入段(Ⅰ)為無嚙合間隙，在兩個螺桿轉子的壓縮排出段(Ⅱ)為變嚙合間隙；在其壓縮排出段(Ⅱ)，右旋螺桿轉子(1)的齒頂圓弧螺旋面(11)與左旋螺桿轉子(2)齒根圓弧螺旋面(22)之間存在嚙合間隙δ₁，左旋螺桿轉子(2)的齒頂圓弧螺旋面(21)與右旋螺桿轉子(1)齒根圓弧螺旋面(12)之間存在嚙合間隙δ₂，右旋螺桿轉子(1)的齒頂圓弧螺旋面(11)與泵殼(5)之間存在嚙合間隙δ₃，左旋螺桿轉子(2)的齒頂圓弧螺旋面(12)與泵殼(5)之間存在嚙合間隙δ₄；在壓縮排出段(Ⅱ)的不同軸向位置處，嚙合間隙δ₁、δ₂、δ₃、δ₄是變化的，越靠近排出口(4)，嚙合間隙δ₁、δ₂、δ₃、δ₄越大。

在螺桿轉子的任意軸向位置處，右旋螺桿轉子(1)的右旋截面型線(401)與左旋螺桿轉子(2)的左旋截面型線(402)相同，都包括6段曲線和一個點，只是相互錯開的角度不同；右旋螺桿轉子(1)的右旋截面型線(401)包括：圓漸開線AB、點B、齒頂圓弧BC、齒尖圓弧CD、擺線的等距曲線DE、齒根圓弧EF、擺線FA；在工作中，以上各段曲線分別與左旋螺桿轉子(2)的左旋截面型線(402)中的圓漸開線ba、擺線af、齒根圓弧fe、擺線的等距曲線ed、齒尖圓弧dc、齒頂圓弧cb、點b能夠實現正確的嚙合；各段曲線的方程如下：

圓漸開線AB的方程為：

齒頂圓弧BC的方程為：

齒尖圓弧CD的方程為：

擺線的等距曲線DE的方程為：

齒根圓弧EF的方程為：

擺線FA的方程為：

式中：t—角度參數，rad；R_b—圓漸開線的基圓半徑，mm；R₁—齒頂圓弧半徑，mm；r—爪尖圓弧半徑，mm；R₂—節(jié)圓半徑，mm；R₃—齒根圓弧半徑，mm。

右旋螺桿轉子(1)和左旋螺桿轉子(2)均為變螺距的；右旋螺桿轉子(1)是由右旋截面型線(401)沿右旋的變螺距圓柱螺旋線作螺旋展開而生成的；左旋螺桿轉子(2)是左旋截面型線(402)沿左旋的變螺距圓柱螺旋線作螺旋展開而生成的；左旋的變螺距圓柱螺旋線與右旋的變螺距圓柱螺旋線具有相同的螺距變化規(guī)律，但旋向不同；左旋的變螺距圓柱螺旋線的方程為：

右旋的變螺距圓柱螺旋線的方程為：

式中：τ—螺旋線展開角；R—螺旋線基圓半徑；P—初始螺距；λ—系數；n—螺距數。

在螺桿轉子的壓縮排出段(Ⅱ)的任意軸向位置處，其截面型線上的齒頂圓弧半徑R₁、節(jié)圓半徑R₂、齒根圓弧半徑R₃、圓漸開線的基圓半徑R_b都是變化的，都隨螺旋線展開角τ的變化而變化，其變化規(guī)律符合如下方程：

齒頂圓弧半徑R₁的變化規(guī)律為：

節(jié)圓半徑R₂的變化規(guī)律為：

齒根圓弧半徑R₃的變化規(guī)律為：

圓漸開線的基圓半徑R_b的變化規(guī)律為：

式中：r₁—H—H截面型線中的齒頂圓弧半徑；r₁′—L—L截面型線中的齒頂圓弧半徑；r₂—H—H截面型線中的節(jié)圓半徑；r₂′—L—L截面型線中的節(jié)圓半徑；r₃—H—H截面型線中的齒根圓弧半徑；r₃′—L—L截面型線中的齒根圓弧半徑；r_b—H—H截面型線中的圓漸開線的基圓半徑；r_b′—L—L截面型線中的圓漸開線的基圓半徑；m為正整數，0<m<n，當0<τ<2mπ時為螺桿轉子的吸入段(Ⅰ)，當2mπ<τ<2nπ時為螺桿轉子的壓縮排出段(Ⅱ)。

一種雙螺桿氣液混輸泵，使用如權利要求1所述的一種變螺距變嚙合間隙的螺桿轉子。

本發(fā)明的有益效果

①所提出的螺桿轉子是變螺距的，越靠近排出口(4)其螺距越小，因而其壓縮腔容積是逐漸減小的，使雙螺桿式氣液混輸泵具有內壓縮過程，使氣液介質增壓過程平穩(wěn)，降低壓縮功耗；增加了雙螺桿式氣液混輸泵的安全可靠性，拓寬其氣液比適用范圍；

②螺桿轉子的吸入段(Ⅰ)是無嚙合間隙的，保證在增壓輸送過程中氣液介質不會發(fā)生從壓縮腔向吸入口(3)的外泄漏，提高了容積效率。

③螺桿轉子在壓縮排出段(Ⅱ)呈錐形，使螺桿轉子越靠近排出口(4)其嚙合間隙越大，使得氣液介質在增壓過程中能夠向排出口(4)產生內泄漏，實現液相壓縮的隨機卸荷，又不會降低容積效率，解決了混輸泵在增壓含液率較高的介質時壓力驟增甚至液擊的問題；

④在任意軸向位置處，螺桿轉子的截面型線均采用6段曲線和1個點，保證螺桿轉子在工作過程中截面型線能夠正確嚙合，同時改善螺桿轉子的受力狀態(tài)，減小其變形。

附圖說明

圖1為變螺距變嚙合間隙的螺桿轉子在工作中的嚙合圖。

圖2為變螺距變嚙合間隙的螺桿轉子圖。

圖3為變螺距變嚙合間隙的螺桿轉子的截面型線圖。

圖4為兩個螺桿轉子的截面型線之間的嚙合圖。

圖5為在不同軸向位置處的兩個螺桿轉子的截面型線圖。

圖中：1—右旋螺桿轉子；2—左旋螺桿轉子；3—吸入口；4—排出口；5—殼體；Ⅰ—吸入段；Ⅱ—壓縮排出段；11—右旋螺桿轉子(1)的齒頂圓弧螺旋面；21—左旋螺桿轉子(2)的齒頂圓弧螺旋面；12—右旋螺桿轉子(1)的齒根圓弧螺旋面；22—左旋螺桿轉子(2)的齒根圓弧螺旋面；R₁—齒頂圓弧半徑；R₂—節(jié)圓半徑；R₃—齒根圓弧半徑；R_b—圓漸開線的基圓半徑；401—右旋螺桿轉子(1)的右旋截面型線；402—左旋螺桿轉子(2)的左旋截面型線。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，為變螺距變嚙合間隙的螺桿轉子在工作中的嚙合圖；工作中相互嚙合的右旋螺桿轉子(1)和左旋螺桿轉子(2)均為為變螺距螺桿轉子，在殼體(5)內實現嚙合；螺桿轉子由吸入段(Ⅰ)和壓縮排出段(Ⅱ)組成，兩段光滑連接；螺桿轉子的吸入段(Ⅰ)連接吸入口(3)，螺桿轉子的壓縮排出段(Ⅱ)連接排出口(4)；兩個螺桿轉子的吸入段(Ⅰ)是無嚙合間隙的；兩個螺桿轉子的壓縮排出段(Ⅱ)是有嚙合間隙的，且呈錐形，越靠近排出口(4)，其螺桿外徑越小；在其壓縮排出段(Ⅱ)，右旋螺桿轉子(1)的齒頂圓弧螺旋面(11)與左旋螺桿轉子(2)齒根圓弧螺旋面(22)之間存在嚙合間隙δ₁，左旋螺桿轉子(2)的齒頂圓弧螺旋面(21)與右旋螺桿轉子(1)齒根圓弧螺旋面(12)之間存在嚙合間隙δ₂，右旋螺桿轉子(1)的齒頂圓弧螺旋面(11)與泵殼(5)之間存在嚙合間隙δ₃，左旋螺桿轉子(2)的齒頂圓弧螺旋面(12)與泵殼(5)之間存在嚙合間隙δ₄；在壓縮排出段(Ⅱ)的不同軸向位置處，嚙合間隙δ₁、δ₂、δ₃、δ₄是變化的，越靠近排出口(4)，嚙合間隙δ₁、δ₂、δ₃、δ₄越大。

在工作過程中，當螺桿的工作腔與吸入口(3)相連通時，吸入過程開始，隨著螺桿的轉動，吸入腔容積逐漸增大，氣液介質不斷進入吸入腔，當吸入腔與吸入口(3)隔斷時，吸入過程結束，隨后進入壓縮和排出過程；吸入過程是在螺桿轉子的吸入段(Ⅰ)完成的，吸入段(Ⅰ)所形成的工作腔即為吸入腔。當吸入過程結束，工作腔與吸入口(3)之間實現隔斷，而進入壓縮排出過程，隨后工作腔容積逐漸減少，同時形成工作腔的右旋螺桿轉子(1)、左旋螺桿轉子(2)、殼體(5)之間存在嚙合間隙，即嚙合間隙δ₁、δ₂、δ₃、δ₄，形成一條從壓縮腔通向排出口(4)方向的卸壓通道，在實現氣液介質被增壓的同時，也有少量氣液介質通過卸壓通道向排出口(4)進行泄漏，而實現自動卸壓，解決了因液體不可壓縮而易產生的壓縮腔內介質壓力驟增、甚至液擊問題；同時由于吸入段(Ⅰ)的封閉作用，在工作腔內的氣液介質不會泄漏至吸入口(3)，不會減小容積效率。

如圖2所示，為變螺距變嚙合間隙的螺桿轉子圖；從吸入段(Ⅰ)向壓縮排出段(Ⅱ)方向，螺桿轉子的螺距逐漸減小，右旋螺桿轉子(1)是由截面型線沿右旋的變螺距圓柱螺旋線作螺旋展開，左旋螺桿轉子(2)是由截面型線沿左旋的變螺距圓柱螺旋線作螺旋展開，兩變螺距圓柱螺旋線具有相同的螺距變化規(guī)律，但旋向不同；所謂右旋和左旋，是指從吸入段(Ⅰ)向壓縮排出段(Ⅱ)方向，螺旋線的方向分別符合右手法則和左手法則；壓縮排出段(Ⅱ)的螺桿轉子呈錐形。

如圖3所示，為變螺距變嚙合間隙的螺桿轉子的截面型線圖；螺桿轉子的軸向截面型線都包括6段曲線和一個點：圓漸開線AB、點B、齒頂圓弧BC、齒尖圓弧CD、擺線的等距曲線DE、齒根圓弧EF以及擺線FA。

如圖4所示，為兩個螺桿轉子的截面型線之間的嚙合圖；在螺桿轉子的任意軸向位置處，右旋螺桿轉子(1)的右旋截面型線(401)與左旋螺桿轉子(2)的左旋截面型線(402)相同；右旋截面型線(401)的圓漸開線AB、點B、齒頂圓弧BC、齒尖圓弧CD、擺線的等距曲線DE、齒根圓弧EF、擺線FA，分別與左旋螺桿轉子(2)的左旋截面型線(402)中的圓漸開線ba、擺線af、齒根圓弧fe、擺線的等距曲線ed、齒尖圓弧dc、齒頂圓弧cb、點b能夠實現正確的嚙合。

如圖5所示，為在不同軸向位置處的兩個螺桿轉子的截面型線圖；圖5(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分別為圖1中的兩個螺桿轉子在G—G截面、H—H截面、I—I截面、J—J截面、K—K截面、L—L截面處的截面型線嚙合圖；G—G截面、H—H截面之間的螺旋展開角τ相錯4π，這兩個截面之間為螺桿轉子的吸入段(Ⅰ)；在H—H截面、I—I截面、J—J截面、K—K截面、L—L截面中，兩相鄰截面之間的螺旋展開角τ相錯1.5π，從H—H截面到L—L截面，為螺桿轉子的壓縮排出段(Ⅱ)。

兩個螺桿轉子在吸入段(Ⅰ)為無嚙合間隙，吸入段(Ⅰ)的任意軸向位置處的截面型線保持不變；在G—G截面、H—H截面上，右旋截面型線(401)和左旋截面型線(402)完全相同，只是相互錯開一角度，且右旋截面型線(401)和左旋截面型線(402)上的各段曲線實現無間隙嚙合。

兩個螺桿轉子在壓縮排出段(Ⅱ)為變嚙合間隙，壓縮排出段(Ⅱ)的任意軸向位置處的截面型線都是變化的，在I—I截面、J—J截面、K—K截面、L—L截面上，右旋截面型線(401)和左旋截面型線(402)完全相同，且右旋截面型線(401)和左旋截面型線(402)上的各段曲線實現有間隙嚙合，嚙合間隙為δ₁、δ₂、δ₃、δ₄。

上述雖然結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內。