喷水推进新型对称双螺杆泵原理样机的研制

周朝晖，苗 海，夏建伟(.海军工程大学，湖北 武汉 430033；.总装某军事代表室，四川 成都 6004)

喷水推进新型对称双螺杆泵原理样机的研制

周朝晖1，苗 海1，夏建伟2
(1.海军工程大学，湖北 武汉 430033；2.总装某军事代表室，四川 成都 610041)

在新型对称双螺杆泵转子型线设计及其零部件三维造型设计的基础上，选取了4齿转子，确定了转子的技术参数。分别采用铝合金和聚四氟乙烯材料试制转子，提高了其耐磨性和密封性。研究并确定了进水口、喷水口等关键要素，研制出泵体、盖板等零部件并组装成新型对称双螺杆泵。

喷水推进；螺杆泵；对称双螺杆；原理样机；研制

螺旋桨、轴流泵和混流泵为常用的喷水推进方式，但这些传统方式存在着噪声高、体积大、矢量控制难等不足[1]。近年来，以螺杆泵为代表的容积式泵发展迅速。螺杆泵具有压力高、振动小、噪声低、流量大且均匀、吸入能力好、介质种类和黏度适应范围广、剪切力低、结构坚实、对进入的介质不太敏感等优点[2]。但比较成熟的螺杆泵大多为雌雄转子泵，其转子为非对称啮合。这类螺杆泵，加工复杂、工艺性差、易于磨损、精度保持性低、制造成本高[3]。为此，我们研究出喷水推进新型对称双螺杆泵(简称双螺杆泵)转子型线，借助于SolidWorks等工具实现了泵体等零部件的三维造型设计。通过转子型线研究和泵体三维造型设计，解决了型线连续啮合、密封线封闭、两转子共轭、零部件干扰等问题。

1 双螺杆泵转子样机实现

一般而言，双螺杆泵的对称螺旋转子(简称转子)是3～5齿的极少齿齿轮。利用根切技术尽量减少转子截面面积，相应地增加转子之间的空腔容积，尽可能地提高效率。过少的齿数(齿数lt;3)，不能形成共轭、强度过低；但过多的齿数(齿数gt;5)，会造成转子之间的空腔容积太小，发挥不出双螺杆泵的优势。因此，通常齿数选择4或5居多。我们以齿数4为例开展研究。

转子作为一对对称的极少齿齿轮，除了必须符合齿轮啮合的基本要求之外，还应满足：①转子齿间连续密封，两转子全长上啮合线连续不断；②有侧隙传动，预留一定的转子正常运转所需的侧隙；③无顶隙传动，以确保密封；④两转子的运动转矩相等且不变[4]。

根据设计和研究的结果，采用4轴数控机床反复试制，最终实现了以圆弧摆出的长幅外摆线和短幅外摆线为主、渐开线连接、圆弧过渡的转子，详见图1～图3。

图1 铝合金转子图

图2 聚四氟乙烯转子图

图3 对称螺杆转子啮合图

图1～图3所示的2个转子在形状上呈对称状，所有技术参数均相同，只是旋向相反。

试制加工时，工装、数控机床、绝大多数数控程序、刀具乃至加工工艺都是一样的，只需改变刀具走向和转子转动方向即可。为了提高转子的耐磨性，参照汽车轮胎与大地之间软硬接触的实例，分别采用铝合金和聚四氟乙烯这样软硬不同的材料来试制2个转子，取得了很好的效果。除了提高了转子的耐磨性，也同时改善和提高了转子之间的密封性能。

2 双螺杆泵样机实现

双螺杆泵由2个转子、泵体、盖板、2根转子轴、困液槽等组成，如果考虑动力和试验设备，则还需要加上驱动电机、联轴节、电机转速控制系统、压力表、流量计等。双螺杆泵样机系统如图4所示。

图4 双螺杆泵样机系统图

研制的双螺杆泵只是原理样机，因此采用铝合金板借助于粘接试制出泵体，但泵体内部形状和型线严格按照SolidWorks的设计结果，借助于数控机床开展试制工作。

进水口和喷水口是利用双螺杆泵实现喷水推进的关键要素。进水口与转子之间形成的空腔为吸水腔，所以进水口应尽量开大，使吸水过程平稳、快速，确保喷水推进所需的流量。但同时也要避免因进水口的位置、形状和大小设置不合理，造成泵内产生空泡，反而影响进水量和进水的稳定性。进水口的位置、形状和大小详见图5。

图5 双螺杆泵进水口图

喷水口即双螺杆泵的出水口，其作用是提供喷水推力。因为双螺杆泵产生的压力需要通过喷水口转换成动能，所以通常喷水口截面积要小于进水口和出水空腔的截面积，从而使水流加速加压后喷出。由于螺旋转子造成的空腔水流为旋转水流，因此在空腔和喷水口之间应采取圆滑过渡。我们采用双扭曲线实现了合理的空腔和喷水口之间的平滑过渡，使水力损失减小到最低，基本上消除了空腔和喷水口之间的旋转水流，取得了较好的效果。双扭曲线详见图6。喷水口的位置、形状和大小见图7所示。

图6 双扭曲线图

图7 双螺杆泵喷水口图

3 喷水推进效果的初步验证

为了验证双螺杆泵是否满足喷水推进的要求，搭建了一个试验系统，测量其流量、压力、推力等。详见图8和图9。

图8 原理试验图

试验结果表明：当双螺杆泵的口径为20 mm、转速200 r/min时，流量可达115 L/min，是同尺寸的罗茨泵和雌雄转子螺杆泵的3.1倍。如果增加转子和泵口径尺寸，同时增大转子转速，理论上是能够达到喷水推进所要求的流量。由于转子为对称螺旋转子，工艺性好、加工精度高，加之采用软硬结合的方式实现转子啮合，以及利用双扭曲线克服水流的空腔旋转，使得双螺杆泵的喷水压力很大，在其口径为20 mm、转速900 r/min时，扬程可以达到23 m。另外，振动和噪声水平也符合理论设计要求，单纯由双螺杆泵产生的噪声远小于同尺寸和同转速的罗茨泵等其它容积式泵。

图9 喷水效果试验图

4 结束语

双螺杆泵原理样机的试制成功，说明转子型线、双螺杆泵的结构以及样机的制造工艺是合理的、可行的、科学的。通过样机的流量、扬程、噪声、振动等试验，加上今后进一步优化双螺杆泵的结构及其参数，将双螺杆泵用于喷水推进装置，尤其用于对噪声、振动、控制、空间等要求较高的小型喷水推进装置，将具有重要意义。

[1] 周朝晖，卢晓林，夏建伟. 喷水推进新型对称双螺杆泵转子型线设计[J]. 海军工程大学学报，2011，23(3)，83-85.

[2] 全国化工设备设计技术中心站机泵技术委员会. 工业泵选用手册[M]. 北京：化学工业出版社，2011.

[3] 李松华，周朝晖. 喷水推进新型对称双螺杆泵的泵体设计[J]. 机械工程师，2013(10)：88-90.

[4] 吴旭堂. 齿轮啮合原理[M]. 北京：机械工业出版社，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

周朝晖(1963-)，男，江西兴国人，副教授，硕士，主要从事容积式泵、喷水推进、CAD/CAM等研究工作。

2015-06-18