Плунжерные насосы

Плунжерные насосы: принцип действия, конструкция, типы, применение и технические аспекты

Плунжерный насос представляет собой объемный насос возвратно-поступательного действия, в котором вытеснение жидкости осуществляется за счет циклического движения плунжера (прецизионного поршня) в неподвижном уплотнении. Основное отличие от поршневых насосов заключается в конструкции вытеснителя: плунжер — это гладкий цилиндр, который не имеет уплотнительных элементов (манжет, колец) на своей поверхности. Уплотнение осуществляется за счет сальникового устройства, установленного в крышке цилиндра, через которое скользит плунжер. Это позволяет создавать значительно более высокое давление (до 1000 МПа и выше) по сравнению с другими типами объемных насосов.

Принцип действия и основные конструктивные элементы

Работа плунжерного насоса основана на изменении объема рабочей камеры. Основной цикл состоит из двух тактов: всасывания и нагнетания. При движении плунжера из цилиндра объем камеры увеличивается, давление падает ниже атмосферного, всасывающий клапан открывается под действием перепада давлений, и жидкость поступает в цилиндр. При обратном ходе плунжера объем уменьшается, давление возрастает, всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный открывается, и жидкость выталкивается в напорный трубопровод.

Ключевые элементы конструкции:

• Плунжер (шток): Твердый, полированный цилиндр из высокопрочной, коррозионно-стойкой стали или керамики. Имеет высокий класс чистоты поверхности для минимизации износа сальника.
• Сальниковое уплотнение (сальниковый короб): Узел, обеспечивающий герметичность между движущимся плунжером и неподвижным корпусом. Включает набивку (графит, тефлон, арамид) или торцевые механические уплотнения.
• Рабочая камера (цилиндр): Полость, объем которой изменяется движением плунжера. Изготавливается из износостойких материалов, часто имеет гильзу для замены.
• Клапанная группа: Всасывающие и нагнетательные клапаны (обычно тарельчатого или шарикового типа). От их герметичности и быстродействия напрямую зависит объемный КПД насоса.
• Кривошипно-шатунный механизм (для многоплунжерных насосов): Преобразует вращательное движение вала привода в возвратно-поступательное движение плунжеров. Часто включает мотыль (крейцкопф) для разгрузки плунжера от боковых сил.

Классификация плунжерных насосов

По количеству плунжеров

• Одноплунжерные (плунжерные насосы одинарного действия): Простейшая конструкция, характеризуется пульсирующей подачей.
• Многоплунжерные (сдвоенные, тройные и т.д.): Несколько плунжеров, работающих от общего коленчатого вала со смещением фаз. Это сглаживает пульсации потока и мощности. Наиболее распространены трехплунжерные насосы (триплексы).
• Насосы двойного действия: Жидкость вытесняется при обоих направлениях хода плунжера. Имеют две рабочие камеры с общим плунжером и две клапанные группы. Обеспечивают более равномерную подачу.

По типу привода

• Приводные (кулачковые, кривошипные): Привод от электродвигателя через редуктор или непосредственно. Наиболее распространенный тип для стационарных установок.
• Прямого действия (паровые, пневматические): Рабочий плунжер напрямую соединен с плунжером силового цилиндра (парового или пневматического). Используются там, где необходима безопасность во взрывоопасных средах или есть избыток пара.

По расположению плунжеров

• Горизонтальные: Удобны для обслуживания, часто используются для мощных агрегатов.
• Вертикальные: Более компактны в плане занимаемой площади, часто применяются в морских установках или при ограниченном пространстве.
• Радиальные (осевые): Несколько плунжеров расположены радиально вокруг приводного вала. Компактная конструкция для высокого давления.

Области применения в энергетике и промышленности

Плунжерные насосы незаменимы в задачах, требующих высокого давления при относительно малых и средних расходах.

• Химическая и нефтехимическая промышленность: Дозирование реагентов, катализаторов, подача компонентов под высоким давлением в реакторы, процессы гидроочистки.
• Нефтегазовая отрасль: Закачка воды и химических растворов в пласт для поддержания пластового давления (ППД), дозирование ингибиторов коррозии и гидратообразования, насосы для цементирования скважин.
• Энергетика: Питательные насосы для котлов малой и средней мощности, насосы гидроабразивной резки для очистки теплообменных поверхностей, системы дозирования реагентов для водоподготовки (кислоты, щелочи, аммиак, гидразин).
• Водоочистка и экология: Дозирование флокулянтов, коагулянтов, дезинфектантов на станциях очистки воды и сточных вод.
• Производство: Гидравлические прессы, испытательные стенды высокого давления, машины для мойки и очистки сверхвысокого давления (H.P. и U.H.P.).

Технические характеристики и особенности эксплуатации

Выбор плунжерного насоса определяется комплексом параметров, ключевыми из которых являются давление, подача и свойства перекачиваемой среды.

Сравнительная таблица параметров плунжерных насосов

Параметр	Диапазон значений / Особенности	Примечания
Рабочее давление, P	От 1 до 1000 МПа и более	Основное преимущество данного типа насосов.
Подача (расход), Q	От 0.1 до 1000 л/ч и более (для мощных агрегатов — до сотен м³/ч)	Регулируется изменением частоты ходов (ЧХП) или длины хода плунжера.
Коэффициент подачи (объемный КПД), ηоб	0.85 – 0.98	Зависит от герметичности клапанов и сальника, упругости жидкости и конструкции.
Полный КПД	0.7 – 0.9	Включает объемные, гидравлические и механические потери.
Частота ходов	До 300–500 ход/мин (для приводных)	Более высокие скорости ограничены инерционностью клапанов и явлением кавитации.
Вязкость перекачиваемой среды	До 3000–5000 сСт	Высокая вязкость снижает скорость срабатывания клапанов и требует специальной конструкции.

Регулирование производительности

• Изменение частоты вращения вала приводного двигателя (ЧХП): Наиболее эффективный и современный способ с использованием частотного преобразователя. Позволяет плавно регулировать подачу в широком диапазоне.
• Изменение длины хода плунжера: Реализуется через регулируемый кривошипный механизм. Позволяет изменять подачу от 0 до 100% при постоянной частоте вращения.
• Обвод (байпас): Часть потока с выхода насоса возвращается на вход через регулирующий клапан. Наименее экономичный способ, приводит к потерям энергии.

Пульсации давления и их сглаживание

Возвратно-поступательный принцип работы неизбежно вызывает пульсации давления и расхода в трубопроводе, что может привести к вибрациям, усталостным разрушениям и погрешностям в системах дозирования. Для их сглаживания применяются:

• Газовые (пневмогидравлические) аккумуляторы: Устанавливаются на нагнетательной линии. Газ в верхней части аккумулятора сжимается при пике давления и расширяется при его падении, выполняя роль демпфера.
• Демпферы пульсаций (механические, мембранные): Работают по аналогичному с аккумулятором принципу, но часто имеют предварительно накачанную газовую полость.
• Увеличение числа плунжеров: Трехплунжерная конструкция со сдвигом фаз на 120° обеспечивает наиболее равномерную подачу в базовом исполнении.

Преимущества и недостатки плунжерных насосов

Преимущества:

• Способность создавать исключительно высокое давление.
• Высокий КПД, особенно при работе на номинальных параметрах.
• Подача практически не зависит от противодавления в сети (характеристика Q-H близка к вертикальной).
• Возможность точного регулирования и дозирования.
• Самовсасывающая способность (при условии герметичности клапанов и сальника).
• Пригодность для перекачивания высоковязких, абразивных и химически агрессивных сред (при правильном выборе материалов проточной части).

Недостатки:

• Высокая стоимость изготовления (прецизионные пары, материалы).
• Сложность конструкции и относительно высокая стоимость обслуживания (износ сальников, клапанов).
• Наличие пульсаций потока, требующее установки дополнительного оборудования.
• Большие габариты и масса на единицу мощности по сравнению с центробежными насосами.
• Чувствительность к работе на сухую (требуется обязательная защита).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем принципиально отличается плунжерный насос от поршневого?

Ключевое отличие — в конструкции вытеснителя и уплотнения. У поршня уплотнительные кольца расположены на нем самом, и он движется внутри цилиндра, соприкасаясь с его стенками. Плунжер — это гладкий шток, который движется через неподвижное сальниковое уплотнение, установленное в крышке цилиндра. Плунжерная схема позволяет работать при значительно более высоких давлениях, так как сальник легче поджать, а износ плунжера меньше влияет на зазор.

Как правильно подобрать материал сальникового уплотнения?

Выбор зависит от среды, давления и температуры. Для воды и нейтральных жидкостей среднего давления применяют сальниковые набивки из графита или тефлона (PTFE). Для агрессивных сред (кислоты, щелочи) — специализированные тефлоновые или арамидные набивки. Для высоких давлений и температур предпочтительны торцевые механические уплотнения из карбида кремния/вольфрама или пары «графит-керамика». Необходимо всегда консультироваться с диаграммами химической стойкости материалов.

Каковы основные причины снижения производительности плунжерного насоса?

• Износ или загрязнение всасывающего/нагнетательного клапанов: Приводит к их негерметичности и перетечке жидкости. Требует ревизии и притирки или замены.
• Износ сальникового уплотнения: Вызывает утечки из рабочей камеры. Требует подтяжки или замены сальника.
• Кавитация: Проявляется шумом, вибрацией и падением подачи. Причины: недостаточное давление на всасе, высокая температура жидкости, засорение всасывающего фильтра. Необходимо увеличить давление на входе, охладить жидкость или прочистить фильтр.
• Попадание воздуха в рабочую камеру: Нарушение герметичности на всасывающей линии. Проверить соединения, уровень в расходной емкости.

Как бороться с повышенной вибрацией и шумом насосного агрегата?

Основные источники вибрации: неуравновешенность кривошипно-шатунного механизма и пульсации потока. Меры борьбы:
1. Проверить и отбалансировать вращающиеся части.
2. Убедиться в надежности крепления насоса к фундаменту.
3. Установить гасители пульсаций (аккумуляторы, демпферы) как можно ближе к напорному фланцу насоса.
4. Проверить совпадение осей насоса и двигателя при монтаже.
5. Исключить кавитацию как причину шума.

Когда необходимо применять предохранительный клапан в системе с плунжерным насосом?

Предохранительный клапан является обязательным элементом обвязки плунжерного насоса, поскольку это насос объемного действия. При перекрытии напорной задвижки или засорении трубопровода давление в системе будет расти до тех пор, пока не произойдет поломка насоса или разрыв труб. Клапан настраивается на давление, на 10-15% превышающее рабочее, и обеспечивает сброс жидкости либо на всас, либо в дренаж.

Каковы особенности применения плунжерных насосов для дозирования?

Для дозирования применяются насосы с точным регулированием длины хода (0-100%) и/или частоты вращения. Клапаны должны быть рассчитаны на работу с малыми расходами и обеспечивать высокую герметичность. Часто используются двойные шариковые или тарельчатые клапаны. Для повышения точности на валу привода устанавливают шаговый или серводвигатель. Обязательна установка демпферов пульсаций для обеспечения равномерного потока реагента.