图1 定子

单螺杆泵是一种内啮合偏心回转的容积泵，在近十年的技术发展中，越来越多地被应用于化工、造纸、污水处理、油田混输、食品等行业。本文介绍了单螺杆泵的结构，并例举了其在污水处理行业和油田混输行业的应用，以展示其应用的广泛性。

单螺杆泵属于转子式的容积泵，所以它具备了该种泵型的共同特点，例如对应一定的流量有不同的扬程，即压力对流量的影响较小，尤其是与离心泵做比较；压力一定时，转速与流量成线性关系，可用作加药计量泵；一般单螺杆泵的流量范围在0~600m3/h,压力为0~48 bar。但同时，单螺杆泵还有其独有的特点。

结构简述

工作原理及主要部件

单螺杆泵的结构简单，其输送部件主要是转子和定子。转子具有单螺旋型线，与之互相配合的是双螺旋型线的定子（如果转子是双螺旋型线，定子为三螺旋型。）转子和定子啮合形成了密封线，产生不同容积的腔室，转子转动后推动物料轴向移动，随之实现流体的输送。转子在定子内的运动是由圆周运动和上下直线运动复合而成，即旋转的同时作上下运动。那么转子和定子是如何连接的呢？万向节和联轴杆是其连接件。它们把电机的圆周运动传到转子，同时承受了转子的上下运动。万向节在螺杆泵中是比较关键的部件，对泵的运行性能影响很大。

图2 转子

主要部件材质

转子通常由金属材料加工，如DIN1.2436-工具钢，DIN1.4571-316Ti，DIN1.4301-304SS，甚至是钛合金，哈C合金等等，材质的选择由物料特性决定。定子是橡胶的，如NBR丁腈橡胶, EPDM-三元乙丙橡胶，FPM-氟橡胶，也有PTFE定子，根据物料的物理性能，化学性能的不同采取不同的橡胶材质。

整泵的结构特点

通常，单螺杆泵的转速比较低（相对于离心泵），在50~600r/min之间，所以它的传动一般都是由减速电机来完成。有些厂家的型式是泵头+联轴器+减速电机；有些厂家则把减速电机通过法兰直接安装在泵头上，这种直联型由于安装时无需太多的空间，省去了轴承箱中轴承及联轴器等易损件，所以受到了用户的推崇。当然，这种直联紧凑型也有限制，即承受的出口压力不能太高。一般扬程超过30bar时，应选用带联轴器的常规型单螺杆泵。

总体来说，单螺杆泵结构简单、维修容易、运行平稳，正是由于其所具有的诸多优点，它的应用也是十分广泛。

图3 脱水泥饼图。

行业应用

单螺杆泵主要适合高粘度、高含固量的介质，以及剪切敏感的介质。可以输送流动性好的介质，也可输送粘度高的介质，更能输送粘度变化大的同一介质，性能基本保持平稳。离心泵输送超过600cp的流体，它的效率就下降很多，而螺杆泵输送最大粘度可达500000cp。

应用一：污水处理行业

在污水处理行业中单螺杆泵应用十分广泛，例如用在初沉池、浓缩池和脱水间。在污泥脱水处理车间，单螺杆泵可以作为脱水机的进料泵。因为单螺杆泵的压力比较稳定，在一定的压力变化范围内，流量改变量很小，所以流量也是非常稳定的。由于以上的性能，所以单螺杆泵是进料泵的首选。

污泥经过离心机脱水之后，污泥含固量由进泥时的1%~5%到出泥时的18%~30%（不同类型的脱水机出泥时的含固量也不同）。以前的做法是将脱水泥饼填埋。但是由于会产生二次污染，现在越来越多的国家规定将脱水泥饼焚烧或者按其他方式处理。脱水泥饼焚烧主要是依靠污泥本身含有的有机物燃烧发热或作为辅助燃料，进行污泥焚烧的处理方法。污泥焚烧效果好，焚烧产物既可用作新的产品原料，又可回收热能。

而单螺杆泵正好可以用来输送含固量18%~28%的脱水泥饼，将其输送到污泥储存罐或者是焚烧炉。虽然含固量只是18%~28%，但实际上脱水泥饼已经没有流动性，不属于流体的范围。但是由于单螺杆泵可以设计成矩形的进料口，配上带螺旋输送器的联轴杆，因此它很成功的应用于脱水泥饼的输送。

在广州猎德污水处理厂中的污泥脱水车间，一期、二期和三期分别使用了德国两家较为著名的单螺杆泵厂家的产品。在二期中，现场总共有8台离心机，相应配套8台泥饼泵。每台离心机的能力是将每小时70~85m3的污泥（含固率2%~3%）经过离心作用进行脱水，其排出口是含固率20%~25%的脱水泥饼，体积流量大约为10m3/h。脱水泥饼见图3，该介质没有流动性。 

图4 泥饼泵出口管路至珠江码头。

每台单螺杆泵安装在对应的离心机下方，中间是一个缓冲料斗。单螺杆泵1h要把约10m3的脱水泥饼输送到距离200m远的珠江码头边的船上，参见图4。这是目前在中国使用单螺杆泵输送脱水泥饼距离最远的一个实例。其管路阻力损失的计算比较复杂。为了能够成功地输送泥饼，单螺杆泵厂家建议出口管路的管径须DN400，因为泵的出口法兰是DN150, 所以在泵的出口法兰与出口管路安装同心异径管。

在图5中可以看到，泥饼泵的旁边还有一台小的单螺杆泵，周边是注射泵，该泵将聚丙烯酰胺溶液输送到均布在同心异径管上的接口上，这套系统叫做周边注射系统。周边注射系统的目的是为了确保单螺杆泵的运行性能，减少脱水泥饼与管道内壁之间的摩擦力，降低泵的出口压力，降低能耗。因为聚丙烯酰胺溶液较为均匀地分布到管路的内壁，在脱水泥饼与管道内壁之间形成一层液膜，减少了摩擦力，降低了管路阻力损失。据有关实验，可以降低管路阻力损失40%~50%。

这其实就是利用了减阻现象，在水或有机液中加入微量高分子物而成为稀溶液时，可以明显降低它在流动时的阻力，此称为减阻现象。这一现象已被广泛地应用于污水处理行业、原油输送等领域，图5是典型的一例。减阻的效果可用如下的减阻百分数DR表示，                    
 

式中△P为流动压差，下标s表示纯溶剂。由图6可知，含5ppm聚氧化乙烯的水溶液在Re=105时，DR=40%。

当然，减阻效果常与管径、高分子物的种类、浓度等因素有关。当溶液流经泵、阀门时遭受高剪切后，由于高分子链的断裂，减阻效果下降。当然单螺杆泵对高分子溶液的剪切破坏程度是非常小的，见图5。

图5 泥饼及周边注射系统。

另外，泵的控制系统也是保证泵良好运行的关键。该控制系统可以控制和监测以下几个方面：

■速度调节

8台单螺杆泵所配的减速电机功率均为45kW，都是通过变频器驱动。8台变频器分别安装在4个大的MCC柜里，接受来自超声波液位仪的电信号，该液位仪安装在泵与离心机之间的缓冲料斗上。根据超声波液位仪探测得到的泥位高低调节泵的转速。泥位高时，泵的转速快；泥位低时，泵的转速慢；并且设定较低泥位报警，最低泥位停泵，这是为了避免泵的干运行。

■干运行保护

因为单螺杆泵的定子是主要的易损件，厂家还在泵的定子上安装了干运行保护器，起到双重保护避免干运行的作用。如果泵干运行，则定子的温度上升很快，假如超出干运行保护器设定的温度，则干运行保护器发出信号至变频器，变频器就可以工作了，直接停泵并报警。

■出口压力保护

为了防止出口管路上的压力过高，比如误操作关出口阀门，或者其他原因堵塞，厂家就在出口处的同心异径管上安装了一个过压保护装置——带电节点的压力表，可以设定停泵的压力值。如果出口处的压力超过该设定压力，则自动停泵。现场操作工人可以观察到泵运行时压力表的压力值，马上就可以了解泵的运行情况。

通过以上有效的控制系统，泥饼输送泵的运行得到了很好的调节和监控，也为猎德污水处理厂节省了不少的维修费用。该泵的定子使用寿命超过了一年，这在输送高磨蚀性介质的应用中非常不错了。

图6  聚氧化乙烯水溶液的范宁摩擦因子。

污水处理中，加药泵也是比较多的，除了压力稳定，流量稳定外，还要求具有一定的计量功能，并且加药量要随着工况的不同而变化。以上这些要求单螺杆泵都能满足，因为单螺杆泵属于转子式的容积式泵，输出的流量与转速成正比。如果改变其转速，可以得到不同的流量，压力基本保持不变。

目前，还有一种计量泵也是应用较为广泛的，那就是隔膜泵。但隔膜泵有一个很大的缺点，即它输出的流量和压力波动很大，如果不在出口管路上安装缓冲罐或者阻尼器，流量和压力脉动非常明显。另外单螺杆泵作为加药泵，它所需的空间小。所以在越来越多的污水处理厂中，单螺杆泵得到了很大的使用，因为不仅是最终用户相信它的性能，许多OEM也在自己的加药系统中采用单螺杆泵，如Tomal、Alldos、德固赛、赫克里斯（Herculers）、BASF和EKA等等。

应用二：油田混输、絮凝剂输送

单螺杆泵用来输送剪切敏感介质，也是不错的选择。在油田、污水处理厂大量使用高分子链的聚丙烯酰胺溶液，具有絮凝作用。采用螺杆泵输送能较好地保持其高分子链，絮凝效果好。美国佛罗里达大学对隔膜泵、单螺杆泵、齿轮泵、离心泵作了实验并比较，得出了“单螺杆泵对其分子链的破坏程度最低”的结论。

单螺杆泵还可输送气液固三相混输，主要指由原油、天然气以及水、固体颗粒等液态、气态、固态成份组成的三相。在新疆克拉玛依油田、胜利油田都采用单螺杆泵，增加了原油产能，降低了井口回压，采购成本也比较低，节约能量、高效、检修率低、维修费用低，一举数得，在油气混输应用中发挥着很大的作用。

单螺杆式油气混输泵适合用于腐蚀性介质、含气介质、含泥沙固体颗粒介质和高粘度介质的输送。介质含气量可达95%，介质粘度可达50000mPa·S，含固量可达60%，允许固体颗粒直径≤3.5~32mm（取决于泵型的大小），流量与转速成正比，在低转速低流量下可保持压力的稳定，具有良好的调节性能，便于实现自动化控制。

结语

随着人们使用单螺杆泵的机会越来越多，对单螺杆泵的原理和构造也越来越清晰。当然应用的广泛也会带来更多的问题，这又会推动单螺杆泵厂商不断地推陈出新，面对更多的新应用。