用于制造Moineau泵的定子的方法及所得到的定子 【技术领域】
本发明涉及Moineau型齿轮泵(也称之为单螺杆泵)领域，更具体地，涉及对这种泵的定子的结构和制造的改进，这些定子包括一个整个在细长主体内部沿轴向延伸的螺旋形定子空腔。
背景技术
考虑到这种泵的定子空腔具有非常复杂的形状，通常该定子由封装在一个刚性壳体内的模塑弹体制成。这种方案在许多应用场合是令人满意的，在这些应用场合中所要排出的产品的温度，即，该弹体可以承受而且不会损坏的最高温度，低于140℃，并且所要排出的产品在化学上与该弹体是相容的。
相反，如此形成的定子特别不适用于以下情况：
-所要排出的产品的温度高于140℃，例如在其中粘稠产品的抽取需要通过注射温度为200至250℃左右的蒸汽来使它们预先软化的石油作业中的情况；
-所要排出地产品会与弹体产生化学反应(例如酸性产品或溶剂)；
-在食品加工厂中，与产品接触的部件必须由惰性金属(例如不锈钢)制成；
-通过泵连续循环的产品具有相差非常大的温度(采用相同的泵液压系统进行从非常低的温度到非常高的温度的操作；在食品厂中的现场清洁阶段；采用蒸汽进行消毒)。
诚然，已经在金属定子的制造方面采取了许多努力以克服上述缺点。但是，这些定子都是实心的金属定子，其形状复杂的空腔是利用非常复杂且耗时的机加工方法在一个金属坯料上挖出的。这些制造方法已经证实成本非常高，这就意味着实心的金属定子不能以工业规模广泛地应用，并且保持在几乎试验性阶段(尤其是在食品工业中)。
现在，只有使用金属定子空腔才能克服在各个工业领域中的上述缺点，当然，条件是这些金属空腔定子的成本不会过高。
尤其是根据文献FR2756018的技术内容来构造的Moineau泵的情况，这些泵准备用于在高温环境下进行深井石油抽取，这时要求都由金属制成的转子和定子按照这样一种方式构成，即，在高达约300℃的温度范围内，在它们之间保持一个大致恒定的正间隙。
诚然，文献FR-A-2794498披露了一种Moineau泵定子的结构以及制造方法，其中定子空腔由可用金属制成的管状元件构成。但是，从结构上看，这种已知的定子为组合型：构成定子空腔的管状金属元件通过一个填充在位于管状金属元件和壳体之间的环形间隙中的弹性材料(例如弹体)连接在外壳上；另外，使管状元件的尺寸加大，从而在弹性填充材料的作用下，它压靠在泵转子上和/或在泵转子上保持应力。
这样形成的定子限制了泵的应用领域，这首先是因为定子对转子的夹紧(这使得泵不能用于磨蚀性或高粘性产品-例如重原油)，其次是因为填充材料例如弹体的存在(这使得泵不能用于在高温环境中操作，例如作为从深井中抽取原油的泵)。
而且，三个主要组成部件(形成定子空腔的管状元件、壳体、填充材料)的存在将导致相对较高的成本。
就现在所述的这种已知定子的制造方法而言，该方法包括将一管状金属部分安放在壳体中并且将一芯棒插入到其内部；然后向管状金属部分的外面施加压力以使之变形，从而使得它呈现芯棒的形状，所述压力可以产生于引入到位于管状部分和壳体之间的环形空间中的加压流体；最后，抽出芯棒并且用适合的弹性材料填充位于构成定子空腔的管状元件和壳体之间的环形空间，从而所述管状元件压在转子上和/或在转子上保持应力。
这种方法具有或造成了几个缺点，这些缺点也限制了装配有这些定子的泵的应用领域。
第一个缺点在于以下事实，即，使初始的管状部分变形(尤其是利用液压方法)的过程是在定子的壳体内部进行的，该壳体随后用作压力室。所以必须过度设计壳体，从而它可以在机械方面承受成形压力，即使之后这种过度设计在泵操作时是不必要的也必须这样做。
相反，如果想要避免壳体的多余的(并且随后是不必要的)过度设计，就必须限制成形压力。这意味着这种已知的工艺只限于使壁厚相当小的管状部分变形，从而导致需要形成具有相当大的可变形性的定子空腔的管状元件。在所引用文献所涉及的泵的类型中利用了这种可变形性，因为定子弹性地夹着转子。但是，在要求在定子和转子之间保持一个尽可能恒定的间隙的其它类型的泵中，这样的可变形性将构成限制性条件。
还有部分上是为了调节管状金属元件的这种可变形性，必须考虑在管状元件的整个长度上添加弹性填充材料以提供连续的支撑。
最后，考虑到在这种压力尤其是液压下的成形过程所最终获得的管状金属元件具有复杂的形状，必须强调的是，初始的管状部分的径向变形是不均匀的，并且随着位置的不同而有相当大的不同。结果，由是最初的回转圆柱体形状的管状部分在单道次中直接形成定子空腔的管状金属元件的成形也将该过程限制在对具有相当小的壁厚的部件的加工上。
【发明内容】
因此，本发明所要解决的一个问题为同时弥补上述的各种缺点，并且提出对Moineau泵的定子的制造和结构的改进方案，该泵能够满足实际生活的各种要求，尤其是对定子空腔的刚度、定子结构的简化以及进行制造过程的要求。
为此，根据本发明的第一个方面，提出了一种制造Moineau型齿轮泵的定子的新颖方法，该定子包括一个整个在细长主体内部沿轴向延伸的定子空腔，该方法包括制造形成是回转圆柱体形状的具有刚性壁的金属管的所述定子空腔，根据本发明，该方法的特征在于，它包括以下步骤：
一个预先的机械成形步骤，在该步骤期间，使是回转圆柱体形状的所述金属管件变形，以便形成一个初步的形状，该形状的内部接近于所需定子空腔的形状和尺寸；
一个确定的成形步骤，在该步骤期间，在液压成形腔室内并在模具形状上使所述的初步形状经历液压成形过程，以获得形成定子空腔的刚性管状金属元件，该定子空腔的形状和其精确的内部尺寸是这样的，即，一旦将该定子与转子装配在一起，定子与所述转子形成一个正间隙；以及
一个最终步骤，用来将形成定子空腔的管状金属元件安装在构成壳体的外壳内，并且至少使所述管状金属元件的端部连接在所述壳体上。
通过实施根据本发明的方法，可以生产出一种用于形成定子空腔的管状金属元件，它具有相对较大的壁厚，并因此有良好的刚性且能够自我支撑：该管状元件可以只通过其端部连接在壳体上，因此大大地简化了组装，并且能够使成本更低，而且人们可以确保在转子和定子之间沿着泵的整个长度保持间隙。
不管初始的管件的相对厚度如何(例如在直径为65m左右的情况下为3.5mm左右)，可以获得满足所有必要要求的管状元件，而与所用工艺的独特的不充分性无关：预先的机械成形使得能够产生相当大的局部径向变形，而不管所要成形的相当大的壁厚，但是不能获得良好的形状精度；相反，在高压(例如4000×105Pa左右)下的液压成形过程使得在芯棒上能够实现精确的成形，但是条件是局部的径向变形的幅度相对较小。
在两个连续步骤中进行的机械变形和液压成形这两个过程的结合使得可以获得它们各自的优点并且消除它们的缺点，因此能够在经济的条件下成功地制造出具有用金属制成的空腔的定子，它可以用于形成能够在恶劣条件下工作的Moineau泵。
在一个可行的实施例中，形成初步形状的预成形步骤是通过在连续的道次中连续地在外部压轧位于相对的夹钳之间的金属管件来进行的，所述金属管和夹钳在连续的步骤中沿轴向并且在旋转方向上相对于彼此移动。
在另一个优选的实施例中，形成初步形状的预成形步骤是通过使金属管件和至少两个压辊彼此相对地运动来进行的，特别可以使所述金属管件绕其轴线转动，同时使以径向相对方式压靠在管件上的两个辊子平行于所述管件的轴线地运动。
对于涉及所述液压成形工艺的基本的最终步骤而言，可以通过将初步形状压到一个布置在其内部的芯棒上来进行，通过与芯棒的外表面和初步形状的内表面的直接接触，将准确的形状和精确的尺寸从芯棒传递给定子空腔；或者，可以通过使放置在模具内的初步形状膨胀来进行，这多少有利于对金属的变形和其厚度进行良好的控制，从而与模具接触的金属元件的外表面的成形导致在其内部表面上形成具有准确的形状和精确尺寸的定子空腔。
一旦制造出形成定子空腔的管状金属元件，就将该元件插入到圆柱状管状壳体中，并且将该管状定子空腔的端部连接在所述壳体上；然后可以用能够在振动情况下为固定部件减震的刚性填充材料填充在定子空腔和壳体之间的环形空间。
对于需要长定子的高压泵的应用而言，至少使两个定子部分如上所述地被单独制造出，并且尤其是通过螺纹连接或焊接将它们首尾连接在一起。
根据本发明的第二个方面，本发明提出一种Moineau型齿轮泵的定子，它包括一个整个在细长主体内部沿轴向延伸的定子空腔，其特征在于，所述定子空腔由具有刚性壁的管状金属元件形成，该管状金属元件的内部具有定子空腔的形状和尺寸，从而当将定子与转子装配在一起时，定子与所述转子形成一个正间隙，并且该定子是通过实施所述方法获得的，而且采用构成楔入间隔件的刚性环将该管状元件连接在外壳体上，所述间隔件插入在形成所述定子空腔的所述管状金属元件的端部和所述外壳体的端部之间。
这些环件形成用于将定子固定在上游和下游的相邻元件上的固定凸缘；另外，在存在外壳体的情况下，这些刚性环件形成插入在构成定子空腔的所述管状金属元件的端部和外壳体的端部之间的楔入间隔件。这些环件与构成定子空腔的管状金属元件的连接以及在适当位置上与外壳体的连接可以以任何适当的方式，尤其是通过焊接和/或螺纹连接来进行。
根据该泵所期望的应用，在构成定子空腔的管状金属元件和壳体之间形成的环形间隙填充以一种刚性填充材料，例如热固性树脂或水泥，它能够提高将管状元件和壳体连接在一起的机构抵抗振动的能力。
通过本发明的方案，使定子形成有具有刚性金属壁的定子空腔，因此能够满足各种用户的特定要求，由于定子空腔不再是挖空固体金属体而形成的，所以不再需要借助昂贵的设施来制造它，而可以使用更简单、更廉价的技术方案来完成这项工作，下面将给出其中一个特别有效的例子。
在需要具有长定子(高压泵)的情况下，这种定子可以通过将至少两个按照上述方案分别生产出的定子部分首尾连接在一起来形成。
利用本发明的所有方案，可以获得具有金属定子空腔(例如由UE9等类型的青铜或者由316L等类型的不锈钢制成)的Moineau泵定子，这满足了至少某些用户的期望，可在有利的经济条件下大规模地生产这些定子。
在阅读关于完全以非限定性例子的方式给出的某些实施例的详细说明时将更好地理解本发明。
【附图说明】
在该说明书中参照了以下附图，其中：
图1为根据本发明制成的定子的一个可行实施例的纵向剖面的简图；
图2为图1所示定子的另一个实施例的纵向剖面的简图；
图3为根据本发明布置的用于高压泵的长定子的纵向剖面的简图；
图4为图3所示的装置的局部放大视图；
图5为根据本发明制成的定子的又一个实施例的纵向剖面的简图；
图6为根据本发明的形成定子空腔的管状金属元件的透视图；
图7a和7b为示意图，分别显示根据本发明的用于实施形成管状金属初步形状的步骤的两种方法；
图8为示意图，显示在图7a或7b所示步骤中实施通过液压成形从初步形状形成构成定子空腔的管状金属元件的步骤的第一种方法；并且
图9为示意图，显示在图7a或7b所示步骤中实施通过液压成形从初步形状形成构成定子空腔的管状金属件的步骤的第二种方法。
【具体实施方式】
首先参照图1，其整体由参考标号1表示的用于Moineau泵的定子的一个可行实施例包括一个为细长形状且整体为管状的刚性外壳或壳体2，该壳体的内部固定有一个具有刚性壁的管状金属元件3，它的内部具有所需定子空腔的形状和尺寸。
在图6中给出了元件3的放大的透视图，该图示出了Moineau轮廓更准确的表述，即，一种横截面基本上为椭圆形的螺旋齿轮。在图6中，在一段限制在一个螺旋线圈节距P的长度上表示出元件3；D表示管状元件3的标称直径，以及E表示偏心距。
形成定子空腔的管状元件3由适于其机械结构和该泵所要应用的领域的任意金属制成；尤其是必须如此选择材料，即，金属定子空腔和装在其中的金属转子由相应的具有相配的热膨胀系数的金属材料制成，从而一个部件在幅度和方向上的任何尺寸变化伴随着另一个部件的基本上相同的尺寸变化，由此在宽的温度范围上保持一个大致恒定的正间隙，在深井抽油泵的情况下，这个温度范围可以为300℃(在这方面，请参照文献FR-A-2756018)；同样，对于食品方面的应用而言，定子空腔的金属材料必须相对于产品是惰性的；这对于例如酸性或碱性产品的抽取也是同样的。
例如，可以制造出由UE9型青铜或同等材料或者由316L型不锈钢或同等材料形成定子空腔的管状元件3。
如图1或在图6所示，管状元件3具有相对较厚的壁，即，其壁的厚度为其标称直径的百分之几(例如6％)：对该壁厚的最基本的要求是充分给予管状元件3良好的刚度。
管状元件3以任意适当的方式固定在外壳体上，该方式能够形成具有不可变形的轴线的刚性组件。在图1所示的示例性实施例中，楔入环件4插入在管状元件3和壳体的相应端部之间，并且具体地通过螺纹连接或者优选地通过焊接以机械方式固定在这些部件上。在图4中的放大的局部视图中显示出通过焊接形成的这种组件，其中标号5用来示意性地表示将楔入环件4焊接在管状元件3的前端上的焊缝，标号6用来表示将楔入环件4焊接在壳体2的端部上的焊缝，并且所述楔入环件部分地接合在该壳体中。
如果这样布置的管状元件3不具有足够的纵向刚度，则必须通过装配中间楔入环件来提供一个或多个中间支撑。
在装有根据本发明的定子的泵的某些应用中，可以有利地利用在壳体和管状元件之间存在的空隙以为特定目的而使流体在其中循环流动。具体地说，可以使热流体(例如蒸汽、热水)在其中循环流动，以便加热由转子排出的粘稠/浆状产品并因此使之流化，从而有利于进行这种排出(或者具有例如从深井中泵出的粘稠原油)。然后，如图1中的虚线所示，该壳体适于装配有用于该流体的具有轴向长度的孔，一个为入口孔25a，而另一个为出口孔25b。
同时证实还必须提高组件部件的抗振能力，为此必须借助于图2中所示的解决方案，其中包括用刚性填充材料8(例如热固性树脂、水泥、水泥陶瓷等)填充在管状元件3和壳体2之间的环形间隙7：这导致消除或者至少减轻了该元件3的振动。
为了形成长定子(在Moineau泵中输送压力越高，则连续空腔的数量越多，因此该泵的长度越长)，如上所述地单独生产出的几个定子部分可以通过机械方式首、尾连接在一起。图3以例子的方式描绘出一种通过将两个与图1所示类似的定子1首、尾连接在一起而形成的长定子。可以按照任意适当的方式特别是通过螺纹连接或者优选地通过焊接来进行两个定子1的机械连接。在图4所示的两个定子1的连接区域的放大视图中，标号9用来表示将两个定子首、尾连接在一起的焊缝：为此，对接在一起的环件4的端面是斜切面，并且焊缝9沉积在如此形成的环形凹槽中。
参照图2和3所述的这些布置可以有利地组合起来以形成长定子，例如那些抽取原油的泵中所使用的定子(这些定子的长度例如可以大约为9米)。
对于短定子，形成定子空腔的管状金属元件3其自身可具有足够的刚性，并且壳体2的存在变得是多余的了。如图5所示，该定子1单独由管状元件3构成。
在这种情况下，为了便于将所述管状元件3连接在上游和下游的相邻元件上，需要预先考虑连接(尤其是焊接或螺纹连接)在管状元件3的端部及其外侧上的上述环件4的存在，从而所述环件构成组件凸缘。
管状金属元件3可以通过任意适当的方法制成。但是，其复杂的整体形状以及其内表面(严格地说是构成定子表面的表面)所要求的尺寸精度和表面光洁度质量意味着传统方法对于工业化规模制造而言成本太高和/或耗时太长。
为了克服这个难题，本发明介绍了一种新颖的方法，现在将对该方法进行描述。
首先是管状的金属部分，它为由所要求的金属制成的回转圆柱体，并具有刚性壁(例如，该壁的壁厚可大约为管件外径的6％或在该值以下的范围内)。
首先进行初步的预成形步骤，在该步骤期间，使最初的金属管机械变形，以便形成一种管状的初始形状，该形状在内部上大致具有所需定子空腔的形状和尺寸。例如，在形状方面和尺寸上的近似值可大约为5％。
一个用于进行这个预成形步骤的方案包括如图7a所示的通过对夹在两个固定在压机上的夹钳10之间的管件12施加径向压力(箭头11)来锤打初始管件。夹钳10按照压印该管件以形成螺旋线圈的凹痕或“谷”的方式彼此相对地成形和布置(例如彼此相对地偏置一定角度)。在夹钳10产生局部变形时，必须同时在轴向上(箭头13)和旋转方向(箭头14)上逐步地沿运动的管件进行连续的加工道次，以便跟随Moineau螺旋形的轮廓。
目前优选的另一个方案包括如图7b中所示的在至少两个旋转辊子之间使管件变形。如在前面的方案中那样，管件12绕着其轴线(箭头14)转动。同时，几个辊子21(实际中为两个径向相对的辊子21)彼此相向地挤压，以便局部地压轧在它们之间的管件：在管件绕其自身旋转的同时，这两个辊子21绕着其相应的轴线22(箭头23)转动，并且在管件12和这组辊子21之间发生相对的轴向位移。在图7b所示的例子中，旋转的管件没有轴向移动，而这组旋转的辊子21平行于管件的轴线地位移(箭头24)。
一旦已经制备出初步形状，就进行对该初步形状12确定地成形的最后步骤，以便获得形成定子空腔的管状元件3。根据本发明，这种确定的成形是通过液压成形过程而进行的，也就是说，使初步形状12的一个表面(内面的或外面)受到液压力，考虑到金属壁的刚度，该液压力必须较大，并且被均匀地施加在表面的每个点上，从而该初步形状的壁虽然具有刚度但仍被压靠在它紧密跟随且保持其准确尺寸和形状的参考空腔或压痕上。
根据图8所示的第一实施例，使初步形状12从芯棒15上滑过，该芯棒在外部具有定子空腔所要求的准确形状。该初步形状/芯棒组件设置在填充有液体17的封闭室16(液压成形室)中。通过给该液体加压，将该初步形状12压轧(箭头18)到芯棒15上：该初步形状然后构成管状金属元件3，其内表面形成与芯棒15的外部形状完全一致的形状(通过挤压到内部芯棒上来进行液压成形)。
根据图9所示的第二实施例，将初步形状12插入到一个具有形状与要赋予管状元件3的形状完全一致的空腔20的模具19中，所述管状元件用来形成定子空腔。初步形状12的端部被气密密封，并且初步形状的内部容积中填充有液体17。通过挤压该液体，将初步形状12压轧(箭头18)在型腔20的壁面上：然后这构成管状元件3(通过相对外部模具膨胀而进行液压成形)。
要指出的是，在通过挤压到内部芯棒上而进行液压成形的过程中，管状元件3的内部表面(即严格地说是形成定子空腔自身的表面)与芯棒接触并且直接和精密地采取后者的形状。相反，在通过相对型腔的壁膨胀而进行液压成形的过程中，管状元件3的外表面直接并紧密地与模具壁接触，它将呈现出该壁的形状：管状元件3的内表面没有精确如实地再现该形状，除非很好地控制了该元件3的壁厚，具体地说要使所述壁厚非常地均匀。
例如，该液压成形过程可以在以下条件下进行：
已完成的管状金属元件的内部尺寸：
D＝42.3mm
D+4E＝72.8mm
该元件的平均结构(fiber)的周长：204.8mm
在由液压成形进行变形的期间的收缩率大约为5％
初始管件的平均结构的直径：68.44mm
厚度为3.5mm的初始管件的内径：65mm。
该液压成形过程是通过采用借助液体介质在大约10分钟内其压力升高至4×108Pa左右的水来进行的。
一旦该管状元件3已经形成，就根据以上参考图1至4所指出的，通过例如采用环件4尤其是焊接环件而将该元件3连接在壳体2上并且合理地填充在该元件3和壳体2之间的间隙7来完成定子的组装。
可以利用根据本发明的元件3的制造方法来进行工业化生产，并且允许工业化大规模地生产构成定子空腔的管状金属元件3。因此，本发明的方案使得能够预期以可接受的成本进行装有一个定子的Moineau泵的系列化生产，该定子具有一个能够满足至少一些工业领域的要求并由金属制成的空腔，尤其是在定子和转子之间必须保持一个正间隙的泵。