Насосы винтовые (шнековые)

Насосы винтовые (шнековые): принцип действия, конструкция, применение и выбор

Винтовые (шнековые) насосы представляют собой класс объемных роторных насосов, в которых перемещение жидкости или высоковязкой среды осуществляется за счет вытеснения ее одним или несколькими металлическими роторами (винтами), вращающимися внутри статора соответствующей геометрии. Их ключевая особенность — способность обеспечивать непрерывный, безимпульсный поток с минимальным сдвиговым воздействием на перекачиваемую среду, что делает их незаменимыми для широкого спектра задач в энергетике, нефтегазовой отрасли, пищевой и химической промышленности.

Принцип действия и классификация

Основной принцип работы винтового насоса основан на образовании замкнутых полостей между винтами и корпусом (или статором), которые перемещаются от всасывающего патрубка к нагнетательному. Вращение роторов приводит к увеличению объема полости на стороне всасывания (создавая разрежение) и его уменьшению на стороне нагнетания, обеспечивая вытеснение среды.

По количеству и типу взаимодействующих винтов насосы делятся на:

• Одновинтовые насосы (типа «винт-статор» или «прогрессирующая полость»): Имеют один металлический ротор сложной геометрической формы (обычно эксцентричный) и эластичный статор с двухзаходной винтовой полостью. Ротор, совершая планетарное движение, образует изолированные полости, перемещающие среду. Отличаются простотой и способностью перекачивать абразивные среды.
• Двухвинтовые насосы: Оснащены двумя зацепляющимися винтами, вращающимися в противоположных направлениях. Винты не контактируют друг с другом и с корпусом, синхронизация осуществляется через внешнюю зубчатую передачу. Предназначены для перекачки чистых, маловязких и смазывающих сред (топливо, масла) на высоких давлениях и расходах.
• Трехвинтовые насосы: Имеют один ведущий центральный винт и два ведомых, расположенных симметрично. Все винты находятся в зацеплении и вращаются в одном направлении. Обеспечивают исключительно равномерный поток, применяются для перекачки маловязких жидкостей (дизельное топливо, смазочные масла, теплоносители) под высоким давлением.

Конструктивные особенности и основные компоненты

Типичный винтовой насос состоит из следующих ключевых узлов:

• Корпус (статор): Для многовиновых насосов — массивная металлическая деталь с расточенными каналами. Для одновинтовых — металлическая обойма с установленной внутри эластомernой гильзой (статором).
• Роторы (винты): Изготавливаются из высокопрочных сталей с точной механической обработкой. Профиль винта (число заходов, шаг, эксцентриситет) определяет рабочие характеристики насоса.
• Синхронизирующая зубчатая передача: Применяется в двух- и трехвинтовых насосах для обеспечения строгого кинематического зацепления винтов без контакта. Располагается в отдельной масляной камере.
• Торцевые уплотнения или сальниковые набивки: Предотвращают утечку перекачиваемой среды по валу. Выбор типа уплотнения (одинарное, двойное, торцовое, сальник) критически зависит от свойств среды и давления.
• Подшипниковые опоры: Воспринимают радиальные и осевые нагрузки. Могут быть смазываемыми перекачиваемой средой (при условии ее смазывающих свойств) или изолированными с внешней смазкой.
• Приводной вал: Соединяет насос с электродвигателем, часто через упругую муфту.

Технические характеристики и параметры выбора

Выбор винтового насоса для конкретной задачи требует анализа множества взаимосвязанных параметров.

Таблица 1: Ключевые параметры для подбора винтового насоса

Параметр	Описание и единицы измерения	Влияние на конструкцию и выбор
Подача (Расход) (Q)	Объем жидкости, перекачиваемой в единицу времени (м³/ч, л/мин).	Определяет габариты насоса, диаметр и шаг винтов. Подача винтового насоса прямо пропорциональна скорости вращения.
Давление нагнетания (ΔP)	Разность давлений на выходе и входе насоса (бар, МПа).	Определяет количество ступеней (длину винтов), мощность привода, прочность корпуса и тип торцевого уплотнения.
Вязкость перекачиваемой среды (ν)	Кинематическая вязкость (сСт) или динамическая (сПз).	Крайне важный параметр. Высокая вязкость снижает производительность и увеличивает требуемую мощность. Определяет тип насоса (одновинтовой для высоковязких и абразивных сред).
Температура среды (T)	°C	Влияет на выбор материалов (статора, уплотнений), зазоры, необходимость обогрева/охлаждения корпуса.
Содержание абразивных частиц	Концентрация, размер и твердость частиц.	Требует применения износостойких материалов (например, статор из высокопрочного полиуретана), специальных покрытий винтов, упрощенной конструкции (одновинтовые насосы).
NPSH (Кавитационный запас)	Метры столба жидкости.	Винтовые насосы чувствительны к кавитации. Необходимо обеспечить давление на входе, превышающее давление насыщенных паров жидкости.

Сферы применения в энергетике и смежных отраслях

Винтовые насосы нашли широкое применение благодаря своей универсальности.

• Нефтегазовая промышленность: Добыча и транспортировка сырой нефти, в том числе высокой вязкости и с содержанием песка (шнековые насосы для скважин). Перекачка мазута, битума, дизельного топлива, сжиженных газов.
• Энергетика: Подача жидкого топлива (мазута) в котельные установки ТЭЦ и ГРЭС. Перекачка турбинного и трансформаторного масла, топлива для газотурбинных установок. Системы смазки мощных вращающихся механизмов.
• Химическая и нефтехимическая промышленность: Перекачка полимеров, смол, клеев, растворителей, агрессивных химикатов (при условии совместимости материалов насоса).
• Судостроение и транспорт: Перекачка балластных вод, топлива, смазочных масел, вязких грузов на танкерах.
• Пищевая промышленность: Работа с шоколадом, пастами, тестом, жирами, мелассой.

Преимущества и недостатки винтовых насосов

Преимущества:

• Высокая равномерность подачи (безимпульсный поток).
• Самовсасывающая способность (особенно у одновинтовых конструкций).
• Высокая эффективность при работе с вязкими жидкостями.
• Способность перекачивать среды с высоким содержанием газа и абразивных включений (для типа «винт-статор»).
• Реверсивность потока (при реверсировании вращения).
• Низкий уровень шума и вибраций.

Недостатки:

• Высокая сложность изготовления и, как следствие, стоимость.
• Чувствительность к сухому ходу, приводящая к мгновенному износу или заклиниванию.
• Ограничения по температуре, связанные с материалом статора (для одновинтовых насосов).
• Чувствительность к чистоте перекачиваемой среды у многовиновых насосов (двух-, трехвинтовых).
• Высокие требования к точности монтажа и соосности привода.

Особенности монтажа и эксплуатации

Для обеспечения долговечной работы винтового насоса необходимо строгое соблюдение правил.

• Монтаж: Насос должен устанавливаться на жесткое, ровное основание. Обязательна центровка валов насоса и двигателя с использованием индикаторных приборов. На всасывающей линии рекомендуется установка фильтра (ячейка не более 100-200 мкм) и обратного клапана. Диаметр всасывающего трубопровода должен быть не меньше присоединительного размера насоса.
• Пуск в работу: Перед первым пуском и после длительного простоя насос должен быть заполнен перекачиваемой средой. Запрещен пуск «на сухую». Рекомендуется плавный пуск с помощью частотного преобразователя для снижения пусковых нагрузок.
• Эксплуатация:
  • Контроль давления на входе (во избежание кавитации).
  • Мониторинг температуры корпуса и подшипниковых узлов.
  • Контроль за состоянием торцевых уплотнений (отсутствие течей).
  • Соблюдение регламента по замене смазки в синхронизирующей передаче и подшипниках (если они изолированные).
• Техническое обслуживание (ТО): Включает в себя регулярную проверку затяжки крепежных элементов, замену уплотнений и изнашиваемых деталей (статора в одновинтовых насосах), контроль износа винтов и корпуса путем измерения зазоров.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем принципиально отличается одновинтовой насос от трехвинтового?

Одновинтовой насос (прогрессирующая полость) предназначен для работы с высоковязкими, неоднородными, абразивными средами, включая суспензии и пасты. Он имеет эластичный статор. Трехвинтовой насос — это прецизионный аппарат для перекачки чистых, маловязких, хорошо смазывающих жидкостей (масла, топливо) на высокое давление. Все его детали металлические, а точность изготовления на порядок выше.

Можно ли регулировать производительность винтового насоса?

Основной и наиболее эффективный способ регулирования производительности — изменение частоты вращения вала с помощью частотного преобразователя (ЧРП). Дросселирование на выходе не рекомендуется, так как ведет к росту давления, перегрузке привода и ускоренному износу. Объемная производительность прямо пропорциональна скорости вращения.

Почему винтовой насос вышел из строя сразу после пуска? Основные причины.

• Работа «на сухую» (без среды): Отсутствие смазки и охлаждения приводит к задирам и разрушению трущихся пар (ротор-статор, винты) за секунды.
• Кавитация: Недостаточное давление на всасывании вызывает схлопывание пузырьков пара, что приводит к эрозионному разрушению винтов и корпуса.
• Попадание твердых тел: Крупные посторонние частицы, не отфильтрованные на входе, могут привести к заклиниванию роторов.
• Неправильное направление вращения.

Как подобрать материал статора для одновинтового насоса?

Выбор материала статора (эластомера) определяется химической совместимостью с перекачиваемой средой, температурным режимом и абразивностью. Наиболее распространены:
— NBR (нитрил-бутадиеновый каучук): Для масел, топлива, воды, абразивных суспензий. Температурный диапазон: -20°C до +100°C.
— EPDM (этилен-пропиленовый каучук): Для горячей воды, щелочей, кислот, пара. Не подходит для масел и топлива.
— FKM (фторкаучук, Витон): Для агрессивных химикатов, широкий температурный диапазон (-20°C до +180°C). Высокая стойкость.
— Высокопрочный полиуретан: Для высокоабразивных сред, повышенная износостойкость.

Что такое «биение» вала и как оно влияет на работу насоса?

«Биение» (радиальное и торцевое) — это несоосность вала насоса и привода. Оно вызывает вибрации, перегрузку подшипников, ускоренный износ торцевых уплотнений и, в конечном итоге, выход из строя насоса или привода. Допустимое биение указывается производителем (обычно в пределах 0.05-0.1 мм) и должно контролироваться индикатором часового типа при монтаже и периодическом ТО.

Какой срок службы винтового насоса?

Срок службы сильно варьируется в зависимости от условий эксплуатации: агрессивности и абразивности среды, температур, давления, правильности монтажа и обслуживания. При работе на чистом минеральном масле среднего давления трехвинтовой насос может проработать 40-60 тыс. часов. Одновинтовой насос на абразивной суспензии требует замены статора каждые 1000-5000 часов. Ключевые факторы — соблюдение правил эксплуатации и своевременное плановое ТО.