噴水推進新型對稱雙螺桿泵原理樣機的研制

周朝暉，苗 海，夏建偉(.海軍工程大學，湖北 武漢 430033；.總裝某軍事代表室，四川 成都 6004)

噴水推進新型對稱雙螺桿泵原理樣機的研制

周朝暉1，苗 海1，夏建偉2
(1.海軍工程大學，湖北 武漢 430033；2.總裝某軍事代表室，四川 成都 610041)

在新型對稱雙螺桿泵轉子型線設計及其零部件三維造型設計的基礎上，選取了4齒轉子，確定了轉子的技術參數。分別采用鋁合金和聚四氟乙烯材料試制轉子，提高了其耐磨性和密封性。研究并確定了進水口、噴水口等關鍵要素，研制出泵體、蓋板等零部件并組裝成新型對稱雙螺桿泵。

噴水推進；螺桿泵；對稱雙螺桿；原理樣機；研制

螺旋槳、軸流泵和混流泵為常用的噴水推進方式，但這些傳統方式存在著噪聲高、體積大、矢量控制難等不足[1]。近年來，以螺桿泵為代表的容積式泵發展迅速。螺桿泵具有壓力高、振動小、噪聲低、流量大且均勻、吸入能力好、介質種類和黏度適應范圍廣、剪切力低、結構堅實、對進入的介質不太敏感等優點[2]。但比較成熟的螺桿泵大多為雌雄轉子泵，其轉子為非對稱嚙合。這類螺桿泵，加工復雜、工藝性差、易于磨損、精度保持性低、制造成本高[3]。為此，我們研究出噴水推進新型對稱雙螺桿泵(簡稱雙螺桿泵)轉子型線，借助于SolidWorks等工具實現了泵體等零部件的三維造型設計。通過轉子型線研究和泵體三維造型設計，解決了型線連續嚙合、密封線封閉、兩轉子共軛、零部件干擾等問題。

1 雙螺桿泵轉子樣機實現

一般而言，雙螺桿泵的對稱螺旋轉子(簡稱轉子)是3～5齒的極少齒齒輪。利用根切技術盡量減少轉子截面面積，相應地增加轉子之間的空腔容積，盡可能地提高效率。過少的齒數(齒數lt;3)，不能形成共軛、強度過低；但過多的齒數(齒數gt;5)，會造成轉子之間的空腔容積太小，發揮不出雙螺桿泵的優勢。因此，通常齒數選擇4或5居多。我們以齒數4為例開展研究。

轉子作為一對對稱的極少齒齒輪，除了必須符合齒輪嚙合的基本要求之外，還應滿足：①轉子齒間連續密封，兩轉子全長上嚙合線連續不斷；②有側隙傳動，預留一定的轉子正常運轉所需的側隙；③無頂隙傳動，以確保密封；④兩轉子的運動轉矩相等且不變[4]。

根據設計和研究的結果，采用4軸數控機床反復試制，最終實現了以圓弧擺出的長幅外擺線和短幅外擺線為主、漸開線連接、圓弧過渡的轉子，詳見圖1～圖3。

圖1 鋁合金轉子圖

圖2 聚四氟乙烯轉子圖

圖3 對稱螺桿轉子嚙合圖

圖1～圖3所示的2個轉子在形狀上呈對稱狀，所有技術參數均相同，只是旋向相反。

試制加工時，工裝、數控機床、絕大多數數控程序、刀具乃至加工工藝都是一樣的，只需改變刀具走向和轉子轉動方向即可。為了提高轉子的耐磨性，參照汽車輪胎與大地之間軟硬接觸的實例，分別采用鋁合金和聚四氟乙烯這樣軟硬不同的材料來試制2個轉子，取得了很好的效果。除了提高了轉子的耐磨性，也同時改善和提高了轉子之間的密封性能。

2 雙螺桿泵樣機實現

雙螺桿泵由2個轉子、泵體、蓋板、2根轉子軸、困液槽等組成，如果考慮動力和試驗設備，則還需要加上驅動電機、聯軸節、電機轉速控制系統、壓力表、流量計等。雙螺桿泵樣機系統如圖4所示。

圖4 雙螺桿泵樣機系統圖

研制的雙螺桿泵只是原理樣機，因此采用鋁合金板借助于粘接試制出泵體，但泵體內部形狀和型線嚴格按照SolidWorks的設計結果，借助于數控機床開展試制工作。

進水口和噴水口是利用雙螺桿泵實現噴水推進的關鍵要素。進水口與轉子之間形成的空腔為吸水腔，所以進水口應盡量開大，使吸水過程平穩、快速，確保噴水推進所需的流量。但同時也要避免因進水口的位置、形狀和大小設置不合理，造成泵內產生空泡，反而影響進水量和進水的穩定性。進水口的位置、形狀和大小詳見圖5。

圖5 雙螺桿泵進水口圖

噴水口即雙螺桿泵的出水口，其作用是提供噴水推力。因為雙螺桿泵產生的壓力需要通過噴水口轉換成動能，所以通常噴水口截面積要小于進水口和出水空腔的截面積，從而使水流加速加壓后噴出。由于螺旋轉子造成的空腔水流為旋轉水流，因此在空腔和噴水口之間應采取圓滑過渡。我們采用雙扭曲線實現了合理的空腔和噴水口之間的平滑過渡，使水力損失減小到最低，基本上消除了空腔和噴水口之間的旋轉水流，取得了較好的效果。雙扭曲線詳見圖6。噴水口的位置、形狀和大小見圖7所示。

圖6 雙扭曲線圖

圖7 雙螺桿泵噴水口圖

3 噴水推進效果的初步驗證

為了驗證雙螺桿泵是否滿足噴水推進的要求，搭建了一個試驗系統，測量其流量、壓力、推力等。詳見圖8和圖9。

圖8 原理試驗圖

試驗結果表明：當雙螺桿泵的口徑為20 mm、轉速200 r/min時，流量可達115 L/min，是同尺寸的羅茨泵和雌雄轉子螺桿泵的3.1倍。如果增加轉子和泵口徑尺寸，同時增大轉子轉速，理論上是能夠達到噴水推進所要求的流量。由于轉子為對稱螺旋轉子，工藝性好、加工精度高，加之采用軟硬結合的方式實現轉子嚙合，以及利用雙扭曲線克服水流的空腔旋轉，使得雙螺桿泵的噴水壓力很大，在其口徑為20 mm、轉速900 r/min時，揚程可以達到23 m。另外，振動和噪聲水平也符合理論設計要求，單純由雙螺桿泵產生的噪聲遠小于同尺寸和同轉速的羅茨泵等其它容積式泵。

圖9 噴水效果試驗圖

4 結束語

雙螺桿泵原理樣機的試制成功，說明轉子型線、雙螺桿泵的結構以及樣機的制造工藝是合理的、可行的、科學的。通過樣機的流量、揚程、噪聲、振動等試驗，加上今后進一步優化雙螺桿泵的結構及其參數，將雙螺桿泵用于噴水推進裝置，尤其用于對噪聲、振動、控制、空間等要求較高的小型噴水推進裝置，將具有重要意義。

[1] 周朝暉，盧曉林，夏建偉. 噴水推進新型對稱雙螺桿泵轉子型線設計[J]. 海軍工程大學學報，2011，23(3)，83-85.

[2] 全國化工設備設計技術中心站機泵技術委員會. 工業泵選用手冊[M]. 北京：化學工業出版社，2011.

[3] 李松華，周朝暉. 噴水推進新型對稱雙螺桿泵的泵體設計[J]. 機械工程師，2013(10)：88-90.

[4] 吳旭堂. 齒輪嚙合原理[M]. 北京：機械工業出版社，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

周朝暉(1963-)，男，江西興國人，副教授，碩士，主要從事容積式泵、噴水推進、CAD/CAM等研究工作。

2015-06-18