环保设备原理与设计 多 媒 体 教 案 陈家庆 教授

第四章 污泥集运、处理技术与设备 §4.1 排泥设备及其设计 §4.2 污泥输送设备 §4.3 污泥浓缩设备 §4.4 污泥消化稳定设备 第四章 污泥集运、处理技术与设备 §4.1 排泥设备及其设计 §4.2 污泥输送设备 §4.3 污泥浓缩设备 §4.4 污泥消化稳定设备 §4.5 污泥机械脱水设备 §4.6 污泥热干化与焚烧设备

本节内容提要 一、流动污泥的性质 二、螺旋输送设备 三、容积式输送泵 四、螺旋离心泵 五、污泥的回流输送与远距离输送 2.1 螺旋排泥机 2.2 螺旋泵 三、容积式输送泵 3.1 单螺杆泵 3.2 转子式污泥泵 3.3 污泥活塞泵 四、螺旋离心泵 五、污泥的回流输送与远距离输送 5.1 污泥回流设备 5.2 污泥的远距离输送

3.1 单螺杆泵(Progressive Cavity Pump) 三、容积式输送泵 3.1 单螺杆泵(Progressive Cavity Pump) 单螺杆泵同双螺杆泵、三螺杆泵、五螺杆泵等一起属于螺杆式 水力机械，但其工作机理及适用场合有很大不同。 单螺杆泵是一种回转式容积泵，法国人René Moineau于1930年左右根据对阿基米德螺旋泵的研究设计了单头单螺杆泵，因而单螺杆泵也被称为Moineau泵。

(1)基本结构与工作原理 单螺杆泵的主要零件构成是一个钢制螺杆(转子)和一个具有内螺旋表 面的橡胶衬套(定子)。定、转子端面(横截面)齿形类型主要有以下两种：①以短 幅外摆线的内等距线作为螺杆的原始齿形曲线，其共轭曲线作为衬套的齿形曲线； ②以短幅内摆线的外等距线作为衬套的原始齿形曲线，其共轭曲线作为螺杆的齿形 曲线。 单螺杆泵转子、定子线型的“头”数(Lobe，又称线数)之比有1:2、2:3、3:4、4:5等几种，对应的单螺杆泵也可分为单头和多头单螺杆泵。 1:2 2:3 3:4 4:5

转子、定子线型头数为1:2结构的单头单螺杆泵应用最为普遍，这里以其为主进行介绍。在每个单头单螺杆泵的螺杆转子-衬套定子副中，螺杆转子是单线螺旋面，衬套定子内表面是双线螺旋面，两者旋向相同，即同为左旋或右旋。 螺杆转子的任一断面都是半径为 R 的圆，整个螺杆转子的形状可以看做是由很多半径为 R 的圆片组成。转子可视为半径为R的圆片沿着螺距为t、偏心为e的空间螺旋线连续移动所形成的轨迹。 e O2 t Y2 X2 Z2 R y y2 x x2 O β α M 螺杆轴心线

衬套定子的断面轮廓为长圆形，两端是半径为R的半圆(等于螺杆转子断面的半径)，中间为两条长为4e的直线段(因为螺杆断面中心与其轴心线存在一偏心距e，而螺杆轴心线又与定子轴心线存在一偏心距e，所以两个半圆的中心距为4e)。衬套的双头内螺旋面就是由上述长圆形断面在绕定子轴心线旋转的同时，按照一定导程(T=2t)向前移动而形成。 y1 2e x1 R T=2t O1 A 4e R 定子轴心线

当螺杆转子转动时，螺杆-衬套副中靠近吸入端第一个腔室的容积增加，在它和吸入端的压力差作用下，物料便进入第一个腔室；随着螺杆的转动，该腔室开始封闭，并沿轴向向排出端移动。封闭腔室在排出端消失，同时在吸入端形成新的封闭腔室。 由于封闭腔室的不断形成、推移和消失，使物料通过一个个封闭腔室，从吸入端到排出端，压力不断升高，流量非常均匀，这就是螺杆泵的活塞泵特性。在螺杆的螺旋旋向(左旋或右旋)、螺杆的转向(顺时针或逆时针)、物料的流向这三个因素之间，任意两个因素的组合即可确定第三个因素，只是将常规左、右手定则所得出的结论反用即可。

封闭腔室的漏失特性 定、转子啮合点之间无间隙(即δ=0)时，漏失量为零，封闭腔室完全密封；反之，因封闭腔室未能完全密封而存在一定的漏失。 在给定工作压力的情况下，增加衬套的导程数(即泵的级数)会降低每个密封腔室的密封压力，从而减少漏失。 对于弹性橡胶材质的定子而言，由于压力差Δp的作用会在啮合线处产生间隙δ，所以增加定、转子间的过盈会有效减少间隙，从而达到减小漏失的作用。 提高工作转速n会有效补偿漏失，这就是螺杆泵的离心泵特性。 漏 失 量

从工作原理可以看出，单螺杆泵综合了活塞泵和离心泵的优点：①排出压力高(压力范围0～2. 4MPa，流量范围0 从工作原理可以看出，单螺杆泵综合了活塞泵和离心泵的优点：①排出压力高(压力范围0～2.4MPa，流量范围0.01～300m3/h)，输送距离可达200m；②自吸性能好，吸入可靠，可吸入高粘度的介质，输送介质最大粘度可达0.27m2/s；③定子为橡胶件，富有弹性，非常适用于输送含固体颗粒的浆料；④在不同的压头条件下流量改变很小，而且流量非常均匀；⑤运动件很少，流道短而且简单，过流面积大。

(2)单螺杆泵的设计与加工制造 e 单螺杆泵的理论排量由下式确定， T e ── 单螺杆转子的偏心距，现有结构单螺杆泵 中偏心距的变化范围多为1-8mm； D ── 单螺杆转子截圆的直径，D=2R； T ── 定子的导程，T=2t； n ── 单螺杆转子的转速，r/min。 空腔面积A=4eD +πR2 -πR2= 4eD 空腔体积V=AT=4eDT T D e 在螺杆泵参数设计过程中，e、D、T三个基本结构参数的合理选择及相互之间的合理配比显得尤为重要，直接影响着单螺杆泵的工作特性和使用寿命。如何确定e、D、T？

── 容积效率，初步计算时，对于具有过盈值的螺杆-衬套副，取0.8-0.85； 对于具有间隙值的螺杆-衬套副，取0.7。 单螺杆泵的实际排量： ── 容积效率，初步计算时，对于具有过盈值的螺杆-衬套副，取0.8-0.85； 对于具有间隙值的螺杆-衬套副，取0.7。 以k=T/D，m＝T/e代入上式，换算后得： 对于小流量、高压头单螺杆泵，一般取k=2～2．5、m＝28～32。因此，一般将螺杆断面直径D作为计算的基础，确定螺杆断面直径D后，再计算螺杆的偏心距e和衬套的导程T。 长度L的确定：确定出e、D、T 三个参数后，再根据单螺杆泵应该满足的压头H和衬套单个导程的压力增加值△p，确定螺杆-衬套副的长度或衬套工作部分的长度L。

单螺杆泵的转子一般由合金钢棒料经过精车、镀铬并抛光加工而成，可以采用实心砖子，也可以采用空心转子。定子一般由钢制外套和橡胶衬套组成，将丁腈橡胶衬套浇铸粘接在钢体外套内而形成而腔体。 直通式空心转子示意图 等壁厚空心转子示意图

(a) PCP with clearance/negative interference【定、转子之间为间隙配合】 (b) PCP with positive interference【转子与定子之间为过盈配合】 Single-lobe PCP transversal sections showing its main geometric and kinematic parameters SPE 165650：A Computational Model for Analysis of Fluid-Structure Interaction within Elastomeric Progressing Cavity Pumps， 2013

(3)在污泥输送中的应用 在与污水处理工程密切相关的单螺杆泵产品开发方面，德国Seepex公 司位居世界领先水平，其N、T、D、CS、E系列单螺杆泵都可用于环保领 域，T系列单螺杆泵可直接用于输送含固率50%以上的市政污水污泥。目 前已经用于经板框式压滤机脱水后含固率80%以上的矿泥饼；还可以用于 CaO与生化固体的混合，以满足EPA的要求。

高碑店污水处理厂污泥输送用单螺杆泵 燕山石化牛口峪污泥输送用单螺杆泵 Video

Seepex公司N系列常规单螺杆泵的实体解剖图 排出体 拉杆 干运行保护器 万向节护套 轴密封 联轴杆 检查窗口 直联托架 电机外壳 吸入室 转子 定子 万向节连接 万向节护套紧箍带 驱动装置 插入式传动轴 插入式传动轴销套 Seepex公司N系列常规单螺杆泵的实体解剖图

拆卸万向节 http://www.seepex.cn/ 紧箍带 万向节护套 连轴杆 连轴杆衬套 万向节衬套 连轴杆轴销 万向节护套 联轴杆轴销 联轴杆 万向节护套 紧箍带 万向节衬套 拆卸万向节 http://www.seepex.cn/

Seepex公司的“Smart输送技术”(Smart Conveying Technology)：是 Smart定子技术(Smart Stator Technology)的后续研发产品。由于采用了Smart定子分体技术，可以在最短的时间内更换定子。 Smart Rotor Smart Stator Adjusting Segment Segment Retainer Smart Conveying Technology Developed to speed up rotor and stator changing and remove blockages and contaminants without dismantling the pipeline

(4)单螺杆泵的新发展 除了Smart定子单螺杆泵之外，还出现了一些新型的单螺杆泵：等壁 厚定子螺杆泵、金属定子螺杆泵、合成材料螺杆泵、插入式螺杆泵和多吸 入口螺杆泵。FEM、CFD

小结 对于单头单螺杆泵而言，螺杆转子的断面为圆形，圆心位于螺纹线上，与螺杆的整体轴心线偏离一偏心距e。定子双线内螺纹的旋向与转子单线外螺纹的旋向相同，定子内表面与转子外表面之间形成一个个封闭腔室。结构决定性能：污泥输送！ 1-出料体；2-拉杆；3-定子；4-螺杆转子；5-万向节或销接；6-进料体；7-连接轴；8-填料座；9-填料压盖；10-轴承座；11-轴承；12-传动轴；13-轴承端盖；14-联轴器；15-底盘；16-电动机

单螺杆泵的运动学问题 课后思考题：单螺杆转子在定子衬套中的运动特点如何？【可总结为两点：①在螺杆-衬套副的任意断面上，螺杆断面中心O位于衬套断面的长轴上；②随着螺杆的转动，该断面上的螺杆断面中心O沿衬套断面的长轴方向作直线往复运动。】

请各位老师和同学们批评指正 崇尚实践 知行并重