螺杆泵的容积式输送原理与适用范围

一、容积式泵与叶片式泵的根本区别

在工业流体输送领域，动力泵通常被划分为叶片式泵与容积式泵两大类别，螺杆泵属于后者。现场很多事故的根源，恰恰在于使用者用叶片式泵的经验去操作容积式泵，例如关阀启动、用出口阀门调节流量、在未灌泵的情况下点动试车等。要避免这类误用，需要先回到两类泵排出介质的物理机理上，把区别讲清楚。

1. 挤压排出与动能转换

叶片式泵以离心泵为代表。叶轮高速旋转，把机械能传递给液体，液体同时获得动能与压能，随后在蜗壳或导叶中把一部分动能转换为压力能并排出。也就是说，离心泵排出压力的建立，依赖液体在叶轮中获得的速度，速度越高，理论上可转换的压力能越多。

容积式泵完全不同。以螺杆泵为例，转子与定子之间，或者两根、三根螺杆之间，啮合形成若干个彼此隔开的密封腔。转子转动时，密封腔本身的容积并不发生周期性压缩，而是沿着轴线从吸入端向排出端平移，介质被装进密封腔后被整体推移出去，在排出端被后续密封腔的介质挤出。

关键在于：压力不是靠介质速度换来的，而是由排出侧管路系统对介质前进的阻力决定的。阻力有多大，泵就在密封腔结构与壳体强度允许的范围内建立多大的压力。因此螺杆泵不存在离心泵意义上的关死点扬程概念，它的压力由负载决定，而不是由泵自身的几何参数决定。

• 叶片式泵：能量以速度形式交给介质，再在扩压流道中转换成压力，压力与叶轮直径、转速、叶片角等几何参数相关。
• 容积式泵：介质被封闭在腔体内沿轴向前移，压力取决于排出侧阻力，转速只决定腔体推移的快慢。
• 由此派生出的操作差异：离心泵靠出口阀门调流量，螺杆泵靠转速调流量；离心泵关阀启动，螺杆泵必须开阀启动。

2. 是否依赖转速产生扬程

离心泵没有转速就没有扬程。叶轮停转，能量输入随即消失，扬程归零；在几何相似、转速变化幅度不大的条件下，其扬程大致与转速的平方成正比，流量大致与转速成正比，轴功率大致与转速的三次方成正比。

螺杆泵则不同。理论上，只要密封腔仍然完整、驱动端仍能提供足够的转矩，即便在很低的转速下，泵依然能够维持排出压力，只是流量很小。压力的建立来自密封腔两侧的压差与驱动转矩，而不是来自介质的动能。这正是螺杆泵可以在每分钟几十转的条件下稳定输送高粘度介质的原因，也是它不能靠关小出口阀门来限制流量的原因。

3. 流量与转速近似成正比

螺杆泵每转排出的介质体积由密封腔的几何尺寸决定，基本是定值。因此其流量近似与转速成正比，可用下式表达：

Q = q × n × ηv

其中 Q 为体积流量，q 为每转理论排量，由密封腔几何决定，n 为转速，ηv 为容积效率。只要密封腔保持完整、介质充满腔体，把转速提高一倍，流量就近似提高一倍。这与离心泵流量随阀门开度和管路阻力大幅漂移的特点截然不同。

同样因为这个关系，螺杆泵的流量调节应当通过改变转速实现，而不是通过关小出口阀门。变频调速因此成为螺杆泵常见的流量调节方式，它在改变流量的同时，也同步改变了轴功率与介质所受的剪切。

二、单螺杆泵的结构与工作过程

1. 转子与定子：单头与双头的配合

单螺杆泵又称莫诺泵，也常被称为 progressing cavity pump，其核心只有两个零件：金属转子和橡胶定子。

转子是一根带外螺旋的金属螺杆，截面为圆形，材质通常为不锈钢、碳钢镀硬铬或经表面硬化处理的合金钢，需要同时具备耐磨与耐腐蚀能力。转子表面的粗糙度与硬度直接决定定子的磨损速率。

定子是一根内表面为双头内螺旋的橡胶衬套，硫化粘接在金属外套内。定子的螺旋导程通常是转子导程的两倍，二者在轴向任意截面上始终保持若干处线接触。转子在定子内并不绕自身中心简单地拧进去，而是做行星运动：转子中心绕定子中心做小半径的圆周运动，同时转子本身绕自身轴线反向低速旋转。

2. 密封腔的形成与推移

转子的外螺旋面与定子的内螺旋面之间，由于导程差与偏心距的存在，形成一串沿轴向排列、彼此被接触线隔开的空腔，这些空腔就是密封腔。

转子旋转一周，密封腔沿轴向移动一个定子导程。吸入端的密封腔打开，介质在吸入压力作用下被吸入；随后接触线闭合，该腔与吸入端隔开，成为一个封闭的介质包；这个介质包随转子旋转沿轴线匀速向排出端推移；到达排出端后腔体打开，介质被挤出进入排出管路。

• 任一时刻，泵内同时存在若干个密封腔，各腔之间靠接触线密封隔离。
• 密封腔内的介质在轴向上没有相对运动，也不被强烈搅拌剪切，位移是整体平移。
• 出口流量因此几乎没有脉动，这正是螺杆泵被用于对剪切敏感、要求平稳输送场合的原因。
• 多个密封腔同时存在，也意味着吸入端的微小进气不会立刻造成断流，但长期含气仍会显著削弱输出。

3. 介质的轴向匀速推进

密封腔沿轴向的移动速度是恒定的，等于定子导程乘以转速。介质随腔体前进，轴向速度均匀，不存在叶片式泵中常见的二次回流与强烈湍流。这一特点带来两个直接结果：其一，对介质的剪切作用小，适合输送絮凝剂、乳胶、纸浆、食品浆料等剪切敏感物料；其二，固体颗粒随腔体整体搬运，不易被打碎，适合含固介质与需要保持颗粒完整性的工艺。

三、双螺杆泵与三螺杆泵的结构差别

1. 双螺杆泵

双螺杆泵由两根相互啮合的螺杆组成，通常一根为主动螺杆，另一根为由同步齿轮传动的从动螺杆，两根螺杆之间不直接接触，靠同步齿轮保证啮合间隙。两螺杆与泵体衬套之间形成密封腔，介质沿轴向被推移至排出端，排出端两螺杆啮合把介质挤出。

双螺杆泵的特点是：两根螺杆之间可以做到非接触运行，因此对介质中的固体颗粒容忍度较高；外置轴承与同步齿轮使螺杆受力状况较好，寿命与可靠性有支撑；可作为气液两相混合介质的输送设备。常见应用包括原油与成品油输送、含气原油、化工液体、船舶舱底泵与货油泵等。

2. 三螺杆泵

三螺杆泵由一根主动螺杆与两根从动螺杆组成，从动螺杆主要起密封作用，不传递转矩。三根螺杆的螺纹互相啮合，在泵套内形成连续的密封腔，介质沿轴向推移并从排出端输出。

三螺杆泵的轴向力可通过平衡活塞等方式平衡，运转平稳、噪声低、脉动小，结构紧凑。它更适合清洁的、具有润滑性的液体，例如润滑油、液压油、燃油、轻油等。介质若含硬质颗粒，会直接损伤螺杆啮合面与泵套，因此三螺杆泵对介质清洁度的要求明显高于单螺杆泵和双螺杆泵。

3. 三种结构的适用侧重

• 单螺杆泵：转子与定子结构，橡胶定子可容纳固体颗粒，适合高粘度、含固、含纤维、剪切敏感的介质。
• 双螺杆泵：同步齿轮传动、螺杆非接触，适合中等粘度、可能含气或含少量固体颗粒的润滑性介质。
• 三螺杆泵：结构紧凑、运行平稳，适合清洁的润滑性油类介质，对固体颗粒与杂质敏感。

四、特性曲线特征与运行禁区

1. 近似垂直的流量—压力特性

把螺杆泵的流量与排出压力画在同一张图上，会得到一条接近垂直的曲线：压力从零升到额定值，流量只因为内部泄漏的增加而略有下降。流量下降所对应的那一点斜率，反映的是容积效率随压力升高而降低的程度。压力越高，密封腔两侧的压差越大，通过接触线间隙从排出端漏回吸入端的介质越多，容积效率越低。

这条近乎垂直的曲线意味着：螺杆泵不能像离心泵那样，靠关小出口阀门把流量压下来。关阀只会让压力一路飙升，直到某个薄弱环节失效为止。

2. 为什么禁止关阀启动

离心泵要求关阀启动，是为了降低启动电流，因为离心泵的轴功率在零流量工况下相对较小。螺杆泵恰好相反，其轴功率大致与排出压力成正比，在流量为零、出口阀关闭的状态下启动，压力会在极短时间内升到泵体与管路承压能力的边界，可能造成以下后果：

• 定子橡胶被高压撕裂，或与金属外套脱胶剥离。
• 轴封、机械密封被击穿，介质外泄并造成环境污染或人身伤害。
• 电机因负载骤增而过流跳闸，反复点动可能烧毁绕组。
• 管路、阀门、软管接头超压破裂，形成安全事故。

因此螺杆泵启动时，排出管路上的切断阀必须处于开启状态，回流阀或旁通阀也应处于可通流位置。这一点必须写入操作规程，并在现场配电箱与阀门处挂牌提示。

3. 安全阀是必配件而非选配件

由于螺杆泵的压力取决于排出侧阻力，任何排出侧堵塞、误操作关阀、下游阀门未开启、介质冷凝或结晶造成的堵塞，都会导致压力失控。因此必须在泵出口与出口切断阀之间设置安全阀或溢流阀，其泄放口应引回吸入侧或专用介质收集容器。

• 安全阀应安装在泵排出腔与出口切断阀之间的管段上，这段管路不允许设置任何可能被关闭的阀门。
• 开启压力一般整定在略高于正常工作压力的水平，常见做法为额定排出压力的 1.05 至 1.1 倍，具体整定值按系统设计文件与适用标准确定。
• 安全阀应定期校验，长期不动作的安全阀可能因介质结垢、锈蚀、结晶而失效，或在需要动作时无法及时回座。
• 输送易凝固、易结晶介质时，安全阀及其引压管还应考虑伴热或冲洗措施。

五、为什么螺杆泵更适合高粘度介质

1. 粘度升高，容积效率反而提高

离心泵输送高粘度液体时效率会急剧恶化：叶轮流道内的摩擦损失、圆盘摩擦损失随粘度上升而增大，同****量下的扬程下降、轴功率上升，效率曲线整体下移。

螺杆泵恰恰相反。密封腔之间的接触线间隙靠介质本身来辅助密封。介质粘度越高，通过微小间隙的泄漏阻力越大，从排出端漏回吸入端的介质量越少，容积效率反而提高。换言之，在一定范围内，介质变稠对螺杆泵不但不是负担，反而有利于密封。

同时也要看到另一面。轴功率由两部分构成：用于建立压力的有效功率，以及用于克服转子与定子之间、螺杆与泵套之间摩擦的机械损失。输送高粘度介质时，摩擦损失确实上升，因此通常需要通过降低转速来限制摩擦功率与剪切发热。这也是高粘度工况常配减速机与变频器的原因。

2. 转速与粘度的匹配原则

介质粘度越高，允许的运行转速越低。工程上的常见做法是：先按介质粘度确定允许转速区间，再按所需流量反选泵规格与减速比，使实际转速落在该区间内。粘度很高的半流体物料，常采用每分钟几十转到一百余转的低转速运行。选型时如果只按流量和口径选泵而忽略粘度对转速的约束，很容易出现电机过载或定子快速发热的问题。

六、哪些工况不适合螺杆泵

1. 低粘度与含气介质

介质粘度低时，接触线间隙的泄漏阻力小，内部泄漏严重，容积效率明显下降，泵需要做更多的无效功。若介质同时含气，问题会更突出：密封腔内混入气体后，腔体无法被液体充满，排出端气体被压缩并回流，流量大幅衰减，并可能引发压力波动、振动与噪声。对于以输送气体为主或气液比很高的工况，应改用其他型式设备。

2. 干转与空转

单螺杆泵的橡胶定子依赖被输送介质进行润滑与散热。泵腔内无介质时启动，或运行中抽空，转子与定子之间形成干摩擦，橡胶表面在很短时间内因摩擦热升温、焦化、撕裂。这是单螺杆泵定子早期失效的常见原因之一。

• 启动前必须确认泵腔已充满介质，吸入管路无气囊。
• 吸入侧应尽量避免长距离水平管与易积气的局部高点，必要时设置排气阀。
• 对于可能抽空的工况，应加装干转保护装置，如温度监测、电流监测、液位联锁。
• 停机后若介质易凝固或结晶，应按操作规程进行冲洗或排空，避免下次启动带载。

3. 大流量、低扬程的清水工况

在清水、大流量、低扬程的工况下，离心泵结构更简单、初投资与维护成本更低、效率通常也更高。用螺杆泵承担这类工况并不经济，还会带来安全阀、干转保护等额外配套成本。选型时应先判断工况是否真的需要容积式输送。

七、介质适应性边界

选型时必须逐项核对以下边界，任何一项超出材料与设计允许范围，都应按非标工况向制造方提出，由制造方确认材质、转速与结构形式。

1. 粘度范围

单螺杆泵可覆盖的粘度区间很宽，从接近水的低粘度液体到数十万毫帕秒的半流体物料均可输送，具体上限取决于定子橡胶硬度、转子表面状态与允许转速。双螺杆泵、三螺杆泵的典型适用粘度区间相对偏中低，并以介质具有一定润滑性为前提。提供粘度参数时，应同时说明该粘度对应的测定温度，因为同一种介质在不同温度下的粘度可能相差数倍。

2. 含固率与颗粒尺寸

• 含固率上限：按重量计通常在三成至四成的量级，具体数值以所选型号的样本为准，并需结合介质流动性与是否分层一并评估。
• 颗粒粒径：固体颗粒的粒径应明显小于密封腔的过盈配合量，颗粒过大或过硬的物料会楔入接触线，加速橡胶磨损。
• 颗粒性质：尖角硬质颗粒，例如石英砂、金属屑，其磨损作用远强于圆滑软质颗粒，例如污泥絮体、果渣，选型时应向制造方说明颗粒的形貌与硬度。
• 纤维类物料：长纤维容易缠绕转子并在吸入端搭桥，需配合破碎装置、格栅或专用进料设备。

3. 温度

介质温度与定子橡胶材料的长期耐温能力直接相关。常用橡胶材料的长期连续工作温度大致为：丁腈橡胶约 80 ℃、三元乙丙橡胶约 120 ℃、氟橡胶约 150 ℃，以上均为长期连续工况下的参考值，实际以材料供应商数据与制造方确认为准。介质温度还应与清洗、消毒、蒸汽吹扫等瞬时工况一并考虑，瞬时高温同样会造成橡胶老化。

八、定子橡胶的选型与过早失效

1. 三种常用橡胶材料的相容性

• 丁腈橡胶（NBR）：对矿物油、脂肪烃、动植物油脂的耐受性较好，是含油污水、油泥、原油类介质的常用选择，耐候性与耐极性溶剂能力一般。
• 三元乙丙橡胶（EPDM）：耐水、耐蒸汽、耐酸碱与极性溶剂的表现较好，适用于水基介质、污水处理药剂、食品与部分化工液体，不耐矿物油与烃类溶剂。
• 氟橡胶（FKM）：耐温与耐化学腐蚀能力突出，适用于强腐蚀介质、高温工况与芳烃类溶剂，成本较高，低温弹性相对一般。

选型时应向制造方提供完整的介质信息：介质名称与成分、浓度、温度区间、pH 值、是否含油或溶剂、是否含固体颗粒及其粒径与硬度、是否存在氧化性物质。仅凭污水、泥浆这类笼统描述下单，往往导致定子材料与实际工况不匹配，进而出现早期失效。

2. 定子过早失效的常见原因

• 干转：泵腔未充液即启动，或运行中抽空，摩擦热使橡胶表面焦化、龟裂、与外套脱胶。
• 介质与橡胶不相容：橡胶发生溶胀、收缩、硬化或析出，尺寸变化导致过盈量失控，密封失效。
• 温度超限：长期在超过材料耐温能力的温度下运行，橡胶加速老化、弹性下降。
• 颗粒磨损：硬质颗粒或过大颗粒楔入接触线，反复切削橡胶表面，接触线被拉宽。
• 转速偏高：高粘度介质在过高转速下运行，摩擦热与剪切使橡胶升温失效。
• 压力偏高：长期在接近或超过额定排出压力的状态下运行，接触线泄漏冲刷加剧。
• 安装与管道应力：进出口管路强制对中、未设独立支撑，使泵体承受额外弯矩，造成定子偏磨。

九、容积效率随磨损下降与补偿

部分宣传口径会强调螺杆泵使用寿命长、长期无需更换部件。可核对的表述应当是这样的：随着运行时间累积，转子与定子之间的接触线因正常磨损而间隙增大，密封腔的密封能力下降，在相同排出压力下，从排出端漏回吸入端的介质量增加，容积效率随之降低，表现为相同转速下输出流量减少。

在设计裕度允许、介质条件许可的前提下，可以通过适当提高转速来补偿这部分流量损失，使输出流量回到工艺所需值。但这种补偿有明确边界：

• 转速提高会增加摩擦功率与剪切，对高粘度、剪切敏感介质可能不适用。
• 转速提高会加快磨损，缩短定子剩余寿命，本质上属于用寿命换流量的做法。
• 当磨损达到一定程度，容积效率下降已无法用转速补偿，或轴功率已接近电机与减速机的能力边界时，应当更换定子，必要时同时更换转子。

换言之，螺杆泵长周期运行的优势来自可维护、可补偿，而不是免维护。把定子更换纳入计划性检修，按运行小时数或流量衰减趋势安排备件，比等到突发失效后再处理更经济。

十、与离心泵、转子泵、隔膜泵的适用边界对比

• 离心泵：叶片式，靠动能转换建立压力，流量随管路阻力变化明显，适合中低粘度、大流量、低扬程的清洁液体，不适合高粘度、含固、要求计量性的工况。
• 单螺杆泵：容积式，密封腔推移介质，出口脉动小、剪切低，适合高粘度、含固、含纤维、剪切敏感介质，必须配安全阀，禁止关阀启动，禁止干转。
• 双螺杆泵：容积式，同步齿轮传动、螺杆非接触，适合中等粘度、可能含气或含少量固体颗粒的润滑性介质，常见于油品与化工液体输送。
• 三螺杆泵：容积式，运行平稳噪声低、结构紧凑，适合清洁的润滑性油类介质，对固体颗粒与介质清洁度要求高。
• 转子泵（凸轮泵、齿轮泵等）：容积式，靠转子啮合输送，适合中高粘度液体与食品、日化物料，对硬颗粒的容忍度一般低于单螺杆泵。
• 隔膜泵（含气动隔膜泵）：容积式，靠隔膜往复运动输送，可干转、可自吸、可输送含大量固体颗粒的磨蚀性浆料，流量脉动较大，通常需配套脉冲阻尼器。

十一、选型与运行建议

上海蓝海泵业制造有限公司在螺杆泵选型与配套方面提供工况核对与技术确认服务。需要说明介质条件或索取选型资料的单位，可联系上海市青浦区赵巷新城经济开发区二区30号，电话 021-39889996、021-39889995。

在能效与合规管理方面，GB 19762—2025《离心泵能效限定值及能效等级》已于 2026 年 3 月 1 日实施，《节能装备高质量发展实施方案（2026—2028 年）》也对节能装备的推广应用提出要求。虽然该能效标准的适用对象是离心泵，但对于同一套装置中同时配置离心泵与螺杆泵的用户，在 2026 年 3 月 1 日之后采购与替换设备时，仍建议把泵、配套电机与变频装置作为整体来核算单位输送量电耗。

• 步骤一：核实介质参数，包括粘度及其测定温度、温度区间、含固率与颗粒性质。
• 步骤二：依据介质条件确定允许转速区间与定子橡胶材料。
• 步骤三：按所需流量与排出压力选定规格，并确认电机、减速机与变频器匹配。
• 步骤四：确认安全阀、干转保护、吸入管路与管路支撑等配套措施齐备。
• 步骤五：编制操作规程，明确开阀启动、禁止干转、安全阀定期校验等条款。

截至 2026 年 10 月，螺杆泵在高粘度、含固、剪切敏感介质输送中的地位仍然难以被叶片式泵替代。理解容积式输送的机理与边界，是把这类设备用好的前提。

十二、常见问题

问：螺杆泵可以用出口阀门调节流量吗？

不可以。螺杆泵的流量由转速与每转排量决定，关小出口阀门只会使排出压力升高，流量几乎不下降，压力会一路升至泵体或管路的承压边界，带来定子撕裂、密封击穿、电机过流等风险。需要调节流量时应采用变频调速，或在排出侧设置受控的回流管路，回流阀的开度由工艺侧统一控制。

问：螺杆泵启动时为什么要先打开出口阀门？

因为螺杆泵的排出压力取决于排出侧阻力。出口阀门关闭时启动，密封腔仍会持续把介质推向排出端，而介质无处可去，压力会在很短的时间内急剧上升。因此操作规程应明确：启动前确认排出管路畅通，出口切断阀处于开启状态，安全阀前后无隔断阀，回流管路可通流。

问：单螺杆泵能否短时间干转？

不建议。橡胶定子依靠介质润滑与散热，干转时转子与定子之间为干摩擦，摩擦热会在较短时间内使橡胶表面升温、焦化并撕裂，往往一次干转就足以让定子报废。输送易抽空介质时，应配置液位联锁或干转保护装置，并在吸入侧做好排气。

问：定子橡胶该选 NBR、EPDM 还是 FKM？

取决于介质成分与温度。含矿物油、油脂类介质通常选 NBR；水基介质、酸碱与极性溶剂、需耐蒸汽的工况通常选 EPDM；强腐蚀、高温或芳烃类溶剂工况考虑 FKM。下单前应向制造方提供介质成分、浓度、温度区间、pH 值与含固情况，由制造方确认材料牌号与硬度。

问：螺杆泵选型需要向制造方提供哪些参数？

至少包括介质名称与成分、粘度及测定温度、温度区间、密度、pH 值、含固率与颗粒粒径及硬度、是否含气、要求的流量与排出压力、吸入条件（液位、吸入高度、管路长度与布置）、运行制度（连续或间歇）、现场电源与防爆要求。参数不完整是选型返工的常见原因。

问：运行一段时间后流量变小，一定是定子磨损吗？

不一定。应先排查吸入侧：滤网堵塞、吸入管路进气、液位下降、介质粘度随温度变化，都会造成流量下降。排除外部因素后，再按转速—流量关系复核：在相同转速与相同压力下流量明显低于投用初期数值，才指向密封腔磨损与容积效率下降。此时可按前述方式评估是否通过提高转速补偿，或安排定子更换。