輸送多相流介質(zhì)的螺旋式轉(zhuǎn)子泵的型線生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液體壓力能的旋轉(zhuǎn)容積式泵，特別是涉及一種輸 送多相流介質(zhì)的螺旋式轉(zhuǎn)子泵的型線生成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 轉(zhuǎn)子泵是一種能夠自吸的容積式正排泵，工作轉(zhuǎn)速一般在300-500r/min之間，流 量與轉(zhuǎn)速成正比，泵的流通能力還與介質(zhì)粘度、轉(zhuǎn)子形狀、轉(zhuǎn)子與泵腔的間隙等因素密切相 關(guān)，介質(zhì)粘度越高、轉(zhuǎn)子與泵腔之間的密封性越好，則輸送效率越高。通常用來(lái)輸送粘稠均 勻以及多相流的介質(zhì)。在輸送多相流介質(zhì)的過(guò)程中，氣體的比例往往比較大，氣液比一般在 (2-30) :1之間。目前，市場(chǎng)上的轉(zhuǎn)子泵因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)、材料、密封性、工藝等技術(shù)等原因都不 適用于輸送多相流介質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種輸送多相流介質(zhì)的螺旋式轉(zhuǎn)子 泵的型線生成方法。
[0004] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種輸送多相流介質(zhì)的螺旋式轉(zhuǎn)子泵的型線生成方 法，其特征在于，輸送多相流介質(zhì)的螺旋式轉(zhuǎn)子泵的型線由三個(gè)葉片組成，每個(gè)葉片的型線 主要是由圓弧段、圓弧段兩個(gè)部分形成的，三個(gè)葉片之間是關(guān)于軸線完全對(duì)稱的；該方法包 括以下步驟：
[0005] 步驟一，確定節(jié)圓半徑&，然后確定葉峰r，根據(jù)所推導(dǎo)的葉峰方程、葉谷方程、螺 旋面方程確定葉峰的坐標(biāo)點(diǎn)、葉谷曲線的坐標(biāo)點(diǎn)、螺旋面的坐標(biāo)點(diǎn)；
[0006] 步驟二，在得到的葉峰的坐標(biāo)點(diǎn)、葉谷曲線的坐標(biāo)點(diǎn)、螺旋面的坐標(biāo)點(diǎn)后進(jìn)行三維 建模，得到最終的螺旋式多葉轉(zhuǎn)子。
[0007] 優(yōu)選地，所述葉峰方程滿足下式：
為葉峰中心到轉(zhuǎn)子中心距離；rl為葉峰的半徑，兩轉(zhuǎn)子的中 心距為2a。
[0011] 優(yōu)選地，所述葉谷方程滿足下式：
[0012] X = O1D-O3D-O3N = 2acosa-bcos2a_rcos β
[0013] y = 02D_02Q+GN = 2asina_bsin2a+rsin β
[0014] 其中，
2a為兩轉(zhuǎn)子的中心距；r為葉峰的半徑；β為夾角，b為葉峰 中心到轉(zhuǎn)子中心距離；O1, O2分別為左轉(zhuǎn)子、右轉(zhuǎn)子的圓心；〇3為右轉(zhuǎn)子葉峰的圓心；G為左 右轉(zhuǎn)子的嚙合點(diǎn)；N為過(guò)O3點(diǎn)作X軸的平行線，過(guò)G點(diǎn)做平行線的垂線，交平行線于N點(diǎn)，組 成三角形6勵(lì) 3;過(guò)0 2點(diǎn)作NO 3的垂線交NO 3于點(diǎn)Q ;D為過(guò)左轉(zhuǎn)子圓心0 i左右轉(zhuǎn)子軸線的垂 線交右轉(zhuǎn)子軸線的交點(diǎn)；M為過(guò)O1點(diǎn)作GO 3的平行線，交0 203的延長(zhǎng)線于M點(diǎn)。
[0015] 優(yōu)選地，所述螺旋面的方程為如下式：
[0019] ynx_xny=pnz
[0020] 其中，P是導(dǎo)程，Θ是母線繞z軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：①本發(fā)明改變轉(zhuǎn)子的型線類型并且采用 多葉片轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候更加平穩(wěn)，有效地減少泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的脈動(dòng)，適用于那些對(duì) 脈動(dòng)極為敏感的應(yīng)用中。②本發(fā)明轉(zhuǎn)子的齒根彎曲強(qiáng)度較直葉式的要高，提高了轉(zhuǎn)子的使 用壽命。③本發(fā)明特別適合含氣、固率較高的多相流流體的情況。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為轉(zhuǎn)子泵的型線示意圖。
[0023] 圖2為轉(zhuǎn)子泵的端面型線圖。
[0024] 圖3為圓弧線葉輪嚙合示意圖。
[0025] 圖4為螺旋轉(zhuǎn)子截面示意圖。
[0026] 圖5為多葉螺旋轉(zhuǎn)子三維實(shí)體圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0028] 本發(fā)明公開(kāi)一種輸送多相流介質(zhì)的螺旋式轉(zhuǎn)子泵的型線生成方法，如圖1所示， 整個(gè)轉(zhuǎn)子型線是由三個(gè)葉片組成，每個(gè)葉片的型線主要是由圓弧段（葉峰）AB、圓弧段（葉 谷）BC兩個(gè)部分形成的。每個(gè)葉片之間的夾角是120°，三個(gè)葉片之間是關(guān)于軸線完全對(duì) 稱的。因此，只要得到1/4的型線，就可以根據(jù)對(duì)稱性得到整個(gè)多葉轉(zhuǎn)子的型線。其步驟如 下：
[0029] 步驟一，確定節(jié)圓半徑&，然后確定葉峰r，根據(jù)所推導(dǎo)的葉峰方程、葉谷方程、螺 旋面方程確定葉峰的（X，y，Z)坐標(biāo)點(diǎn)、葉谷曲線的（X，y，Z)坐標(biāo)點(diǎn)、螺旋面的（X，y，Z)坐 標(biāo)點(diǎn)；
[0030] 步驟二，在得到葉峰的（X，y，z)坐標(biāo)點(diǎn)、葉谷曲線的（X，y，z)坐標(biāo)點(diǎn)、螺旋面的 (X，y，z)坐標(biāo)點(diǎn)后進(jìn)行三維建模，得到最終的螺旋式多葉轉(zhuǎn)子。
[0031] 轉(zhuǎn)子型線圓弧段AB(葉峰）是自A點(diǎn)到B點(diǎn)的坐標(biāo)（葉峰方程）滿足下式（1):
[0033] 其中，
b為葉峰中心到轉(zhuǎn)子中心距離；Γι為葉峰的徑，兩轉(zhuǎn)子的中心 距為2a。
[0034] 從點(diǎn)A到點(diǎn)B圓弧段曲線（葉峰），其型線方程滿足式（2):如圖2,設(shè)外圓的半徑 為R〇,葉峰的半徑為r，兩轉(zhuǎn)子的中心距為2a，葉峰圓心到轉(zhuǎn)子中心的距離為b，節(jié)圓半徑為 Rj,谷圓半徑為
[0036] 可以得到r，b的表達(dá)式為式（3)和式（4):

[0041] 如圖3, B點(diǎn)到C點(diǎn)圓弧段曲線（葉谷）的型線方程滿足式（6):
[0043] 則BC段圓弧為葉谷的坐標(biāo)（葉谷方程）滿足下式（7):
[0045] 其中，
，2a為兩轉(zhuǎn)子的中心距；r為葉峰的半徑；β為夾角；O1,0 2分別 為左轉(zhuǎn)子、右轉(zhuǎn)子的圓心；〇3為右轉(zhuǎn)子葉峰的圓心；G為左右轉(zhuǎn)子的嚙合點(diǎn)；N為過(guò)O3點(diǎn)作X 軸的平行線，過(guò)G點(diǎn)做平行線的垂線，交平行線于N點(diǎn)，組成三角形6勵(lì)3;過(guò)O 2點(diǎn)作NO 3的垂 線交NO3于點(diǎn)Q ;D為過(guò)左轉(zhuǎn)子圓心0 右轉(zhuǎn)子軸線的垂線交右轉(zhuǎn)子軸線的交點(diǎn)；M為過(guò)0 1 點(diǎn)作GO3的平行線，交0 203的延長(zhǎng)線于M點(diǎn)。
[0046] 上述式（1)和式（2)分別是葉峰和葉谷的理論型線方程，但是在實(shí)際中兩轉(zhuǎn)子之 間存在小的間隙?，葉峰的實(shí)際半徑為A，葉谷的實(shí)際半徑為r2，如式（8):
[0048] 螺旋面型線方程的建立如下：螺旋轉(zhuǎn)子的截面形狀相當(dāng)復(fù)雜，本發(fā)明將轉(zhuǎn)子的截 面看做如圖4中的一個(gè)圓柱螺旋面。首先求出葉峰型線的螺旋面方程，然后求出葉谷型線 的螺旋面方程，再將各段螺旋面拼接而成，最終得到完整的螺旋面。
[0049] 在圖4中，假設(shè)在空間有一固定坐標(biāo)系，三個(gè)坐標(biāo)上的單位矢量分別為（i，j，k)。 截面曲線繞Z軸做等速的左旋和右旋螺旋運(yùn)動(dòng)，就可以得到三維的左旋轉(zhuǎn)子和右旋轉(zhuǎn)子。
[0050] 右旋螺旋面方程如式（9):
[0051] r = r0 (a) (k, θ ) Ε+ρ θ K................................. (9)
[0052] 右旋螺旋面方程的極坐標(biāo)表達(dá)式為式（10):
[0053] X = x0 (a) cos Θ -y〇 (a) sin Θ
[0054] y = x0 (a) sin Θ +y〇 (a) cos θ ........................ (10)
[0055] z = z0 (a) +p Θ
[0056] 在式2. 9中，α是自變量，p是導(dǎo)程，Θ是母線繞z軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度。
[0057] AB段圓弧（葉峰）型線的極坐標(biāo)方程如下式（11):
[0059] BC段圓?。ㄈ~谷）型線的極坐標(biāo)方程如下式（12):
[0060] X = 2acosa-bcos2a-rcos β
[0061] y = 2asina-bsin2a+rsin β.................. (12)
[0062] ζ = P θ
[0063] 在求出葉峰葉谷型線的螺旋面方程之后，還需要求出螺旋面上任意一點(diǎn)的法面矢 量。螺旋曲面上的任意一點(diǎn)的法線矢量為兩切線向量
的矢量積（a，Θ為螺旋曲 面的參變量）。在已知端面型線的方程后，螺旋面的矢量方曲面上的參數(shù)程為：
曲線在點(diǎn)M(x，y，z)處的切線，令n = inx+jny+knz，得到螺旋面的方程為如下式（13):
[0065] 其中，p是導(dǎo)程，Θ是母線繞z軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度。
[0066] (4)確定轉(zhuǎn)子最終尺寸，如下表1所示：
[0067] 表 1
[0069] 在給定了轉(zhuǎn)子的尺寸后，就可以根據(jù)式（1)，式（2)的圓弧型線方程以及（3)的螺 旋面型線方程，求出葉峰和葉谷型線所對(duì)應(yīng)的（Χ，Υ，Ζ)坐標(biāo)點(diǎn)。最后，把這些點(diǎn)導(dǎo)入到CAD 軟件就可以畫出如圖5所示的整個(gè)螺旋轉(zhuǎn)子泵的型線。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種輸送多相流介質(zhì)的螺旋式轉(zhuǎn)子泵的型線生成方法，其特征在于，輸送多相流介 質(zhì)的螺旋式轉(zhuǎn)子泵的型線由三個(gè)葉片組成，每個(gè)葉片的型線主要是由圓弧段、圓弧段兩個(gè) 部分形成的，三個(gè)葉片之間是關(guān)于軸線完全對(duì)稱的；該方法包括以下步驟： 步驟一，確定節(jié)圓半徑，然后確定葉峰，根據(jù)所推導(dǎo)的葉峰方程、葉谷方程、螺旋面方程 確定葉峰的坐標(biāo)點(diǎn)、葉谷曲線的坐標(biāo)點(diǎn)、螺旋面的坐標(biāo)點(diǎn)； 步驟二，在得到的葉峰的坐標(biāo)點(diǎn)、葉谷曲線的坐標(biāo)點(diǎn)、螺旋面的坐標(biāo)點(diǎn)后進(jìn)行三維建 模，得到最終的螺旋式多葉轉(zhuǎn)子。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸送多相流介質(zhì)的螺旋式轉(zhuǎn)子泵的型線生成方法，其特征在 于，所述葉峰方程滿足下式：為2a。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的輸送多相流介質(zhì)的螺旋式轉(zhuǎn)子泵的型線生成方法，其特征在 于，所述葉谷方程滿足下式：到轉(zhuǎn)子中心距離；O1,O2分別為左轉(zhuǎn)子、右轉(zhuǎn)子的圓心；〇 3為右轉(zhuǎn)子葉峰的圓心；G為左右轉(zhuǎn) 子的嚙合點(diǎn)；N為過(guò)O3點(diǎn)作X軸的平行線，過(guò)G點(diǎn)做平行線的垂線，交平行線于N點(diǎn)，組成三 角形6勵(lì)3;過(guò)0 2點(diǎn)作NO3的垂線交NO3于點(diǎn)Q;D為過(guò)左轉(zhuǎn)子圓心0玉右轉(zhuǎn)子軸線的垂線交 右轉(zhuǎn)子軸線的交點(diǎn)；M為過(guò)O1點(diǎn)作GO3的平行線，交0 203的延長(zhǎng)線于M點(diǎn)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的輸送多相流介質(zhì)的螺旋式轉(zhuǎn)子泵的型線生成方法，其特征在 于，所述螺旋面的方程為如下式：ynx-xny=pnz 其中，P是導(dǎo)程，0是母線繞z軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種輸送多相流介質(zhì)的螺旋式轉(zhuǎn)子泵的型線生成方法，包括以下步驟：步驟一，確定節(jié)圓半徑，然后確定葉峰，根據(jù)所推導(dǎo)的葉峰方程、葉谷方程、螺旋面方程確定葉峰的坐標(biāo)點(diǎn)、葉谷曲線的坐標(biāo)點(diǎn)、螺旋面的坐標(biāo)點(diǎn)；步驟二，在得到的葉峰的坐標(biāo)點(diǎn)、葉谷曲線的坐標(biāo)點(diǎn)、螺旋面的坐標(biāo)點(diǎn)后進(jìn)行三維建模，得到最終的螺旋式多葉轉(zhuǎn)子。本發(fā)明有效地減少泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的脈動(dòng)，適用于那些對(duì)脈動(dòng)極為敏感的應(yīng)用中。
【IPC分類】F04C2/18
【公開(kāi)號(hào)】CN104963855
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510174187
【發(fā)明人】桑小虎, 周曉君, 劉曉光, 郝曉茹, 葛家山
【申請(qǐng)人】上海大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年10月7日
【申請(qǐng)日】2015年4月14日