螺杆泵的工作原理及选型

螺杆泵属容积式转子泵，诞生于1931年。由于结构独特，有自吸能力、效率高、体积小、工作可靠，且可输送粘度范围宽广的各种介质，螺杆泵被广泛应用于石油化工、航运、电力、机械液压系统、食品、造纸、污水处理等工业部门。

作为节能和节材产品，螺杆泵在我国的应用范围正在不断扩大，需求量连年增长，越来越受到重视。虽然我国国内的螺杆泵与国外专业公司相比还存在差距，但随着我国螺杆泵科研力量的投入及应用实践的增多，螺杆泵在替代原来传统技术方面必将取得良好的使用效果，实现节能、节材效益。

螺杆泵的基本知识

螺杆泵的家族虽然称不上庞大，但是按照螺杆的标准，它也可以分为不同的类型。本文着重介绍最为常用的单螺杆泵、双螺杆泵以及三螺杆泵。

　　1、 单螺杆泵：

单螺杆泵是一种新型的内啮合回转式容积泵。主要工作部件是偏心螺杆（转子）和固定的衬套（定子）。

与其他泵相比，单螺杆泵有着自己独特的优势：

和离心泵相比，单螺杆泵不需要装阀门，而流量是稳定的线性流动。

和柱塞泵相比，单螺杆泵具有更好的自吸能力。

和隔膜泵相比，单螺杆泵可输送各种混合杂质，含有气体及固体颗粒或纤维的介质，也可输送各种腐蚀性物质。

和齿轮泵相比，单螺杆泵可输送高粘度的物质。

与柱塞泵、隔膜泵及齿轮泵不同的是，单螺杆泵可用于药剂填充和计量。

2.双螺杆泵：

单从结构上而言，双螺杆泵是外啮合的螺杆泵。它利用相互啮合，互不接触的两根螺杆来抽送液体。在结构型式上双螺杆泵也很齐全，有卧式、立式、带加热套等各种类型，可以输送有颗粒的低粘度或高粘度介质，根据颗粒大小调节螺杆间距，选用正确的材质，甚至可以输送许多腐蚀性介质。

双螺杆泵作为一种容积式泵，泵内吸入室应与排出室严密地隔开。这就要求泵体与螺杆外圆表面及螺杆与螺杆间隙应尽可能小些。同时螺杆与泵体、螺杆与螺杆间又相互形成密封腔，保证密闭，否则就可能有液体从间隙中倒流回去。

双螺杆泵独特的结构使它可以实现无搅拌、无脉动、平稳的输送各种介质；由于泵体结构保证泵的工作元件内始终存有泵送液体作为密封液体，因此双螺杆泵有很强的自吸能力，且能汽液混输。双螺杆泵的特殊设计还保证了泵有高的吸入性能即很小的NPSHr值。

双螺杆泵又可分为内置轴承和外置轴承两种形式。在内置轴承的结构型式中轴承由输送物进行润滑。外置轴承结构的双螺杆泵则是工作腔同轴承分开。这种泵的结构和螺杆间存在侧间隙，独立润滑的外置轴承允许其输送各种非润滑性介质。

此外，调整同步齿轮使得螺杆不接触，同时将输出扭矩的一半传给从动螺杆。如所有螺杆泵一样，外置轴承式双螺杆泵也有自吸能力，而且多数泵输送元件本身都是双吸对称布置，可消除轴向力，也有很大的吸高。

外置轴承的双螺杆泵结构的优点大大拓宽了双螺杆泵的使用范围，即：除了输送润滑性良好的介质外，还可输送大量的非润滑性介质，各种粘度（最高粘度可达3*106mm/s）的介质以及具有腐蚀性（酸、碱等性质），磨蚀性的液体；

另外双螺杆泵由于其恒定间隙的存在以及型线上的特点，其属于非密封型容积泵，因此除了输送纯液体外，还可输送气体和液体的混合物，即汽液混输，这也是双螺杆泵非常独特的优点之一；

双螺杆泵还可干转：由于运动部件在工作时互不接触，因此短时的干转不会破坏泵元件，这种特点给自动控制的流程提供了极大的方便，但干运转时间受多种因素限制，一般很短。

另外双螺杆泵在输送过程中无剪切，无乳化作用，因此不会破坏分子链结构和工况流程中所形成的特定的流体性质，并且由于传动依靠同步齿轮，泵运转噪音低，振动小，工作平稳。

外置轴承式双螺杆泵的种种特性使它在油田化工和船舶工业中得到了广泛的应用。它还可根据各种使用情况分别采用普通铸铁、不锈钢等不同材料制造；输送温度可达250℃；而且具有不同方式的加热结构，理论流量可达2000立方米/小时。

3. 三螺杆泵：

三螺杆泵是转子式容积泵，它是利用螺杆啮合原理，依靠旋转的螺杆在泵套内相互啮合。

它主要是由固定在泵体中的衬套(泵缸)以及安插在泵缸中的主动螺杆和与其啮合的两根从动螺杆所组成。三根互相啮合的螺杆，在泵缸内按每个导程形成为一个密封腔，造成吸排口之间的密封。

三螺杆泵把被输送的介质封闭在啮合腔内，沿螺杆轴向连续匀速地推至排出口，为系统提供稳定的压力。工作时，两端分别作用液体的吸排压力，对螺杆产生轴向推力。此外，还通过主动螺杆的中央油孔将 高压油引入各螺杆轴套的底部，从而在螺杆下端会产生一个与轴向推力方向相反的平衡推力。所以，对于压差小于10千克力/cm2的小型泵，可以采用止推轴承。

由于两从动螺杆与主动螺杆左右对称啮合，三螺杆泵作用在主动螺杆上的径向力完全平衡，主动螺杆不承受弯曲负荷。从动螺杆所受径向力沿其整个长度都由泵缸衬套来支承，不需要在外端另设轴承，基本上也不承受弯曲负荷。在运行中，螺杆外圆表面和泵缸内壁之间形成的一层油膜，可防止金属之间的直接接触，使螺杆齿面的磨损大大减少。

三螺杆泵和其它容积泵一样，当泵的排出口完全封闭时，泵内的压力就会上升到使泵损坏或使电动机过载的危险程度。所以，在泵的吸排口处，就必须设置安全阀。轴封通常采用机械轴封，并可根据工作压力高低采取不同的形式。

三螺杆泵显著的特点是结构简单、压力脉动小、流量稳定、工作平稳可靠、允许高转速、噪音低、效率高、寿命长，有自吸能力。根据所输送介质需要，螺杆泵装置可提供加热或冷却结构。

它适用于输送各种无腐蚀性油类及类似油和润滑性液体。输送液体的粘度范围一般为3.0~760mm2/s(1.2~100°E)，高粘度介质可通过加温降粘后输送，其温度一般不超过150℃。其流量范围一般为0.2~250m3/h，最高工作压力可达4MPa。

目前，三螺杆泵广泛应用于石油、化纤、冶金、机械、电力、机床、船舶、玻璃、公路等各行各业。三螺杆泵适用于输送燃料油、润滑油、液压油、原油、沥青及其他类似油的润滑性液体。三螺杆泵在工业领域中作润滑泵，在液压系统中作液压泵，在燃油系统中作输送及增压泵；在输油系统中作输送及加油泵。

螺杆泵的工作原理及性能

虽然螺杆泵有着不同的类型，应用于不同领域螺杆泵的特点也不尽相同。但从根本而言，螺杆泵的基本工作原理是一致的。

1、螺杆泵的基本工作原理

螺杆泵是利用螺杆的回转来吸排液体的。中间螺杆为主动螺杆，由原动机带动回转，两边的螺杆为从动螺杆，随主动螺杆作反向旋转。

各螺杆相互啮合，螺杆与衬筒内壁紧密配合，在泵的吸入口和排出口之间， 就会被分隔成一个或多个密封空间。

随着螺杆的转动和啮合，这些密封空间在泵的吸入端不断形成，将吸入室中的液体封入其中，并自吸入室沿螺杆轴向连续地推移至排出端，将封闭在各空间中的液体不断排出。这就是螺杆泵的基本工作原理。

从上述工作原理可以看出，可以更清晰地了解螺杆泵的优点：

压力和流量范围宽阔；运送液体的种类和粘度范围宽广；因为泵内的回转部件惯性力较低，故可使用很高的转速；吸入性能好，具有自吸能力；流量均匀连续，振动小，噪音低；与其它回转泵相比，对进入的气体和污物不太敏感；结构坚实，安装保养容易。

相应地，螺杆泵存在的缺点也比较明显：螺杆的加工和装配要求较高；泵的性能对液体的粘度变化比较敏感。

2、螺杆泵的性能

螺杆泵的性能参数有两项：排量、功率。

螺杆泵的理论排量可由下式计算：Qt=60Ftn m3/h；其内部泄漏量一般用Qs来表示：Qs=αp/σm。

泵在压送不同粘度的液体时，其排量会发生变化。

排量和粘度的关系可由下式表示：Q2=Qt-(Qt-Q1)(σ1/σ2)m

螺杆泵的轴功率一般为水功率、摩擦功率和泄漏损失功率这三部分的总和。

水功率是指单位时间内泵传给液体的能量，也称输出功率；摩擦功率是指液体粘性阻力产生的摩擦损失；泄漏损失是指液体从高压处漏回低压处所造成的功率损失。当泵运送的液体粘度不同时，泵的轴功率也将不同。

螺杆泵的选型

螺杆泵应用广泛，有“螺杆泵可以输送任何介质”的说法。但这不是说某一种螺杆泵可输送所有的介质，而是根据介质的特性和性能参数数要求可以选择螺杆泵的不同类型。

如果无意中挑选到不合适的泵螺杆泵，很有可能会带来不必要的麻烦。单螺杆泵、双、三和五螺杆泵，各有优点，在推广应用螺杆泵时必须有选择，只有充分利用其各自的特点，才能更好的实现节能、节材、增效益或满足某种特殊要求。

下面以常见的单螺杆泵、双螺杆泵以及三螺杆泵为例介绍一些螺杆泵选型中的技巧。

Ⅰ、单螺杆泵的选型要点

单螺杆泵的选择主要集中在以下几个参数上：

1.单螺杆泵的压力确定：

单螺杆泵最大输出压力是根据衬套级数即衬套（定子）的导程数来确定：

　　1级：最高工作压力为0.6 MPa；

　　2级：最高工作压力为1.2 MPa；

　　4级：最高工作压力为2.4 MPa；

由于输送介质情况不同，对于含有严重磨损性的介质，根据输送压力要求来选择合适的定子级数。

2.单螺杆泵转速的选择：

单螺杆泵由于其结构特点，大部分使用在输送较高粘度的液体及含有颗粒的液体，因此其转数的选择非常关键。对于单螺杆泵转速的选择则主要依据介质的磨损性以及介质粘度。

　　

3.单螺杆泵衬套橡胶材料的选择：

单螺杆泵衬套为橡胶制品，也是单螺杆泵的一个易损件，它的选择好坏，直接影响衬套的寿命，一般正常情况下衬套的寿命为3-6个月，如果选用不当，衬套可能从钢管中脱落或橡胶掉块。

4.材料组合选择：

输送不同性质的介质，需不同材料组合。

5.性能：

一般单螺杆泵的性能表或特性曲线都是以20℃清水为介质（粘度为1cst）时的数据，对于输送不同粘度下的流量与轴功率不同。

6.轴封：

根据需要和输送介质，可采用机械密封和填料密封两种，且这两种结构具有互换性。

7.泵的驱动方式：

由于单螺杆泵为低速泵，泵的驱动方式较多，一般有低速电机直联（6级、8级）、齿轮减速电机驱动、无级变速电机驱动等方式。

Ⅱ、双螺杆泵选型技巧

双螺杆泵、三螺杆泵统称为多螺杆泵。多螺杆泵发明以来，已广泛用于泵送原油、燃料油、润滑油、动力液、食品、化学剂及合成纤维浆。目前全球约有上百万台多螺杆泵在运转。应用如此广泛的多螺杆泵在选择上当然也很为慎重。

对于双螺杆泵的选择也即是对其性能参数的选择：

1.流量：

作为容积式泵，影响双螺杆泵流量的因素主要有转速、压力以及介质的粘度。

螺杆泵在工作时，两螺杆及衬套之间形成密封腔，螺杆每转动一周便由进口向出口移出一个密封腔，即一个密封腔体积的液体被排出去。在泵内部不出现泄漏的理想状态下，泵的流量与转速成正比。

但实际工作过程中，泵的密封腔有一定的间隙，且密封腔前、后存在压差，因此，有一部分液体回流，即存在泄漏。随着密封腔前、后压差升高，泄漏量逐渐增大。对于不同型线和结构，影响大小也各不相同。

对于双螺杆泵，粘度大的流体比粘度小的液体的泄漏要小，泄漏量与介质粘度有一定的比例关系。

2.压力：

双螺杆泵的工作压力由出口负载决定，即出口阻力来决定。出口阻力与泵的出口处的压力是匹配的，出口阻力越大，工作压力也越大。若想知道压力，则需要用流体力学的知识对出口阻力精确的计算。

3.轴功率：

泵的轴功率分为两部分，即：液压功率（压力液体的能量）和摩擦功率。对于确定的压力和流量，其液压功率是一定的，因此影响轴功率的因素为摩擦率。

摩擦功率是由于运动部件的摩擦而消耗的那部分功率。显然摩擦功率是随着工作压差的增加而增加的，并且介质粘度的增加也会引起液体摩擦功率的增加。因此在选择配套电机时，介质的粘度也是一个非常重要的参考数据。尤其在输送高粘度介质时，需要作比较精确的计算。

4.吸上性能：

泵工作分为以下几个阶段：吸入，此时液体连续不断地沿吸入管道移动；旋转的螺杆把能量传给工作液体；压出，此时液体带有克服压出管道系统所有阻力所必需的压力从泵中排出。

在以上三个阶段中，最为重要的阶段是必须保证泵的吸上条件，泵才能正常工作，这是泵工作的重要条件，否则就会发生气蚀，即引起振动，噪音等问题。

5.汽蚀余量：

泵的汽蚀余量与泵的转速，导程以及泵所输送介质的粘度等因素都有关系，它随轴向流速，工作粘度的增大而增大。在吸入条件不好的情况下，宜选择小导程的双螺杆泵。这在选型时是很重要的。

6.双螺杆泵的转速选择常牵涉以下问题：

通过选择合适的泵转速，以达到适当的性能参数如流量等。

随着粘度的不同，泵的转速亦应有所改变。

转速的选择实质也是吸上性能的问题，尤其是在高粘度的情况下，如果转速选得过高，就会引起吸入不足，从而产生噪音和振动等问题。因此需遵照有关原则选择转速。

综上所述，要综合地考虑以上各种因素，通过一系列的计算才能精确地知道泵的实际流量是否符合工况要求。

Ⅲ、三螺杆泵的选型常识

尽管三螺杆泵有诸多优势，但若选型不当，则不仅得不到满意的运行效果，而且会导致泵的噪音和振动，甚至严重损坏泵的内部零件，使泵系统不能正常工作，因此，选型人员应多方慎重考虑，合理选型，必要时应向有关技术人员咨询。

三螺杆泵选型时，要尽可能详尽地了解泵的使用条件，除了运行参数，如流量，压力需要清楚以外，输送介质的特性如介质的腐蚀性，含汽量，含固溶物的比率及固体颗粒的大小，以及介质的工作温度，粘度，比重，对材料的腐蚀性等和泵装置的吸入条件，安装条件均要了解。

类似于单螺杆泵和双螺杆泵，三螺杆泵的选择也主要从性能参数上去考虑。

泵转速的选择主要是依据被输送介质粘度和规格来确定其范围。

输送高粘度介质时，泵应选低转速，若粘度较低，相应可选择高转速：介质粘度＞20°E时，对于大规格的泵（主杆外径60mm以上），转速以970rpm或720rpm为宜，如果粘度更高（粘度〉80°E）如粘胶液，可降低转速使用，推荐200-500rpm；对于小规格的泵，介质粘度〉20°E时，转速以1450rpm或970rpm为宜，如果粘度更高（粘度〉80°E），可降低转速使用，推荐300-600rpm；

由于泵的转速越高，在相同性能参数下，泵的体积就越小，但由于转速高，摩擦功率高，泵的磨损就大，寿命就短，如果输送介质的润滑性比较差或含有微量杂质，应选择较低转速，以使泵保持较长的寿命，推荐在1450rpm以下。

结构的选择可根据泵的安装和使用条件参考三螺杆泵的系列和型式来进行，这其中又有四个可参考的原则：

输送润滑性油类，温度在80℃以下选择内置轴承结构的泵；

温度超过80℃或输送介质润滑性差时，选择外置轴承结构的泵；

输送流动性差，粘度较高的介质或需要所输送介质进行加热或保温时选择双层加热泵体结构的泵；

高温输送时，应选择耐高温的材料所制成的泵。

另外，根据不同的情况，要综合考虑泵的材料组合、吸入能力、配套电机的选配的因素。只要选型得当，维护合理，三螺杆泵就可保证令人满意的运行。

来源：化工设备知识