基于场协同理论的全金属螺杆泵内流体增压机理及定转子优化匹配研究

The stator and rotor of the all-metal screw pump are manufactured with stainless steel, the inner surface of stator without rubber bushing, so the all-metal screw pump must be a clearance fit between the stator and rotor, must not be interference fit as rubber screw pump. Therefore, the fluid flow law and design method of all-metal screw pump have some different with the screw pump with rubber bushing. Because it is relatively late that the all-metal screw pump developed, the basic theory research is very few. Therefore, the design, installation, use and so on rely on experimentation and experience, this limits the practical application of all-metal screw pump. In order to solve the theory problems of all-metal screw pump, in this project, the optimization Matching relations and clearance parameter preferred method of the stator and rotor will be obtained by studying the influence of gap value between stator and rotor on the displacement, leakage and pump efficiency.The effect of crude oil Viscosity、rotor speed and temperature on the screw pump performance will be studied and the results will be used as the reference of pump design.A new theoretical research idea of screw pump will be developed because the field synergy theory is used in the fluid flow law and pressurization research of all-metal screw pump.

由于全金属螺杆泵定转子采用不锈钢加工而成，定子内表面不加橡胶衬套，其定转子间采用间隙配合。因此，该泵的流体流动规律、设计方法和带过盈配合的定子带橡胶衬套的螺杆泵有一定区别。目前该泵的设计、安装、使用等只能依赖于实验和经验，理论研究非常少，严重阻碍了该型泵的实际推广使用。本项目通过研究全金属螺杆泵定转子间隙量对排量、漏失量、泵效率等的影响，给出全金属螺杆泵定转子优化匹配关系，确定定转子间隙参数优选方法。研究油液物性、转子转速、温度等对泵性能影响，找出其规律性的内容作为该泵设计的参考。将场协同原理引入全金属螺杆泵内流体流动规律及增压机理研究中，为螺杆泵的理论研究开拓一种新的思路。

本项目以全金属螺杆泵为研究对象，推导了全金属单螺杆泵的摆线方程、螺杆及定子的型线方程和全金属螺杆泵间隙条件下的理论流量公式，求解了全金属单螺杆泵几何参数的匹配关系,分析了全金属单螺杆泵的性能的影响因素。对间隙配合下泵内部流体流动规律、泄露情况进行了理论推导。通过分析螺杆泵泄露处的特点，将漏失线附近的泄露流动简化为平行平板的压差剪切流，并以泵内漏失损失和粘性摩擦损失的总功率损失最小为目标函数，得到特定工况下全金属单螺杆泵定转子之间最优间隙的理论公式。完成了间隙配合下全金属螺杆泵三维流场分析的有限元模型的建立，通过网格拓扑策略分析，确定了截面网格拓扑以定子截面中心作为径向拓扑的圆心，轴向网格拓扑以直线为路径的拓扑方式，利用动网格技术对网格进行下一时间步的更新。分析了进出口边界条件及壁面边界条件的离散化，利用差分方案对描述全金属单螺杆泵流场的泊松方程进行了离散化求解。进行了全金属螺杆泵流场的初步分析，并且将数值计算的结果与文献中的试验数据进行了对比，说明了有限元模型计算结果具有可信性。通过对全金属单螺杆泵的三维流场的数值模拟计算，分析了全金属螺杆泵内的速度场、压力场的特点，分别研究了泵级数、介质粘度、间隙量、转速对于泵排量、漏失性能及容积效率的影响。研究了温度对定转子间隙量变化及全金属螺杆泵性能的影响。进行了基于场协同原理的全金属螺杆泵内流体流动规律的探索，通过分析场协同角的余弦值来得出场协同角大小。如何根据工况情况、油液流变性来选择合适间隙的螺杆泵，配以合适的转子转速，以实现泵的高容积效率、低成本的维护维修费用，对于全金属单螺杆泵的应用推广有重要意义。通过一系列的研究工作，为全金属螺杆泵的设计和制造提供了理论依据。本项目按研究计划很好的完成了研究任务，取得了良好效果，并已撰写学术论文7篇，其中已正式发表3篇，另4篇已录用待发表。此外，培养了与研究内容相关的硕士研究生2名，均已顺利毕业。