多级变速螺杆泵基础理论与关键技术研究

提出基于二阶光滑螺杆齿形曲线组合的多级变速螺杆泵，大幅度降低螺杆齿面磨损，增加螺杆使用寿命；首次将外啮合齿轮传动引入螺杆泵泵腔内，实现螺杆泵的多级变速，提高泵的输出压力。应用流体力学理论，研究多级变速螺杆泵泵腔内气-液-颗粒多介质流场运动学、动力学特性；建立非接触式螺旋槽端面微观流体动力学模型，描述非稳态工况下多级螺杆泵系统的密封特性和行为；运用匿名函数法求解螺杆-刀具接触线方程，获得成型刀具廓形，综合考虑齿形几何参数、刀具形位参数等对齿面加工精度的影响；提出一种以仿真分析和实验相结合的螺杆泵汽蚀综合监测方法，建立螺杆泵汽蚀预估方案及控制措施。本项目的研究成果将丰富和发展螺杆泵设计制造理论和方法，为开发具有我国自主知识产权的螺杆泵奠定基础。

螺杆泵具有结构合理、节能环保、液力脉动小、输送介质的粘度适应范围广、输送流量大、平稳可靠、寿命长等显著优点，广泛应用在石油、船舶工程、化工机械、环保等领域。本项目针对我国现有螺杆泵系统存在输出压力不高、螺杆寿命低、泵腔泄漏量大、汽蚀冲击严重等关键技术难题，开展了螺杆齿形优化设计及精确成形加工方法、流场特性分析、密封机理、汽蚀形成机理等方面的研究，提出了由二阶光滑曲线组合而成的多级变速螺杆泵螺杆齿形设计方法，把外啮合齿轮传动引入螺杆泵泵腔内，实现了螺杆泵的多级变速技术，增加了泵的输出压力，降低了泵腔内发生汽蚀的可能性；建立了螺杆副啮合特性的运动学模型及泵腔流体动力学模型，分析了泵腔内汽—液—固多相耦合特性，获得了螺杆泵泵腔压力、速度、流量、功率等物理参数随泵转速及负载的变化关系，获得了多级变速螺杆泵非稳态流场特性分析方法；建立了泵腔间隙泄漏压差流和剪切流模型，分析了输送介质特性与螺杆转速、压差对泵泄漏的作用机理，揭示了螺杆泵压差、传输介质、螺杆啮合间隙、桶壁间隙等参数对系统的泄漏量、容积效率等动态特性的影响规律；针对螺杆泵汽蚀导致的螺杆泵系统噪音增加、螺杆寿命降低的关键难题，分析了螺杆泵安装高度、传输介质、啮合间隙、转速等对螺杆泵汽蚀特性的影响规律，揭示了螺杆泵汽蚀现象的形成机理；研究了加工过程刀具进给路径、成形刀具齿形误差等对螺杆齿面精度的影响规律，提出了基于等距面法的螺杆加工刀具齿形设计方法，项目的研究最终为螺杆泵的设计和制造提供理论依据。