Насосы объемные: принцип действия, классификация и применение в энергетике
Объемные насосы — класс насосов, в которых перемещение жидкости (или газа) осуществляется путем периодического изменения объема рабочей камеры, попеременно сообщающейся со входом и выходом насоса. Ключевое отличие от динамических насосов (центробежных, осевых) заключается в прямом пропорциональной зависимости подачи от скорости движения рабочих органов и в принципиальной способности создавать высокое давление, практически не зависящее от подачи. Данные агрегаты незаменимы для перекачки высоковязких, абразивных, химически агрессивных сред, а также в системах, требующих высокой точности дозирования.
Принцип действия и основные характеристики
Работа объемного насоса основана на циклическом процессе, включающем три фазы: всасывание, перенос и нагнетание. Жидкость захватывается из полости всасывания при увеличении объема рабочей камеры, изолируется от полостей всасывания и нагнетания, затем вытесняется в нагнетательный трубопровод при уменьшении объема камеры. Герметичность между камерами обеспечивается минимальными зазорами или уплотнительными элементами.
Основные эксплуатационные параметры:
- Подача (Q) — объем жидкости, подаваемой в единицу времени. Для большинства типов является величиной, линейно зависящей от частоты вращения/хода и практически независимой от давления.
- Давление нагнетания (P) — определяется сопротивлением гидравлической системы, против которого работает насос. Теоретически не ограничено для объемного насоса и лимитируется лишь прочностью конструкции, мощностью привода и утечками.
- Объемный КПД (ηv) — отношение фактической подачи к теоретической. Снижается из-за утечек (обратных перетеков) через зазоры, которые увеличиваются с ростом давления и снижением вязкости.
- Вязкость рабочей среды (ν) — критический параметр. Повышение вязкости, как правило, снижает утечки и повышает ηv, но одновременно увеличивает гидравлические потери и требуемую мощность привода.
- Поршневые/плунжерные насосы: Основной тип для высоких давлений (до 1000 МПа и более). Плунжер (длинный цилиндрический шток) перемещается в уплотняющей сальниковой коробке, а жидкость контактирует только с цилиндром и клапанами. Применяются в водоочистке (дозирование реагентов), энергетике (гидроиспытания), нефтегазовой отрасли.
- Диафрагменные насосы: Рабочая среда отделена от приводного механизма гибкой диафрагмой (металлической или полимерной). Полная герметичность, возможность перекачки агрессивных, абразивных или стерильных сред. Широко используются для химического дозирования, перекачки шламов.
- Шестеренные насосы (с внешним и внутренним зацеплением): Простейший и самый распространенный тип. Две шестерни, вращаясь в зацеплении, отсекают жидкость во впадинах между зубьями и корпусом и переносят ее из зоны всасывания в зону нагнетания. Применяются для перекачки масел, топлив, битумов, полимеров.
- Винтовые насосы: Один или несколько винтов (шнеков), вращаясь в обойме, создают перемещающиеся вдоль оси полости. Обеспечивают безударную, практически пульсационную подачу даже для высоковязких и содержащих механические включения сред. Критически важны в энергетике для перекачки турбинного масла систем регулирования, топочного мазута.
- Пластинчатые (шиберные) насосы: Ротор с радиальными подвижными пластинами размещен эксцентрично в корпусе. При вращении пластины выдвигаются, формируя камеры переменного объема. Подходят для средних давлений, часто используются в гидроприводах станков и как вакуумные насосы.
- Роторно-поршневые насосы (радиальные и аксиальные): Имеют высокую удельную мощность и точность регулирования. Являются основой современных гидравлических приводов (гидромоторы и насосы в турбинных установках, системах управления).
- Перистальтические (шланговые) насосы: Жидкость полностью изолирована в гибком шланге, по которому перемещаются обжимные ролики. Высокая стерильность, простота обслуживания. Применяются для дозирования химикатов на ТЭС и АЭС, перекачки шламовых вод.
- Характеристики рабочей среды: Вязкость, температура, наличие абразивных частиц, коррозионная активность, смазывающая способность. Для мазута применяют подогрев и винтовые насосы. Для реагентов — диафрагменные или перистальтические.
- Требования к подаче и давлению: Необходимо строить рабочую точку, учитывая, что для объемного насоса давление — это функция сопротивления системы. Обязательна установка предохранительного клапана на нагнетательной линии для защиты от заблокированного потока.
- Самовсасывание: Большинство роторных насосов обладают хорошим самовсасыванием, что важно для установок, расположенных выше уровня перекачиваемой жидкости (топливоподача).
- Материалы исполнения: Для агрессивных сред (кислоты, щелочи) применяются сплавы (Hastelloy, дуплексная сталь), керамика, фторопласты. Для абразивных шламов — износостойкие покрытия или твердые сплавы.
- Управление производительностью: Основные методы — изменение частоты вращения вала (частотный привод) и изменение рабочего объема (для регулируемых аксиально-поршневых и пластинчатых насосов). Дросселирование на выходе недопустимо и приводит к аварии.
Классификация и типы объемных насосов
Объемные насосы подразделяются на две основные группы: возвратно-поступательные и роторные.
1. Насосы возвратно-поступательного действия
Преобразуют вращательное движение привода в возвратно-поступательное движение рабочего органа. Характеризуются пульсирующей подачей, что часто требует установки демпферов (газосодержащих или пружинных).
2. Роторные насосы
Имеют вращающиеся рабочие органы, движение которых создает перемещающиеся вдоль корпуса замкнутые объемы. Подача более равномерна, чем у поршневых насосов.
Сравнительный анализ типов насосов
| Тип насоса | Типичный диапазон давлений, МПа | Типичный диапазон вязкости, сСт | Преимущества | Недостатки | Типовое применение в энергетике |
|---|---|---|---|---|---|
| Плунжерный | 10 – 1000 | 1 – 1000 | Сверхвысокое давление, высокая точность дозирования | Высокая пульсация, сложность конструкции, большие габариты | Дозирование реагентов (КОАГУЛЯНТЫ, ЩЕЛОЧЬ), ГИДРОИСПЫТАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ |
| Шестеренный | 0.5 – 25 | 10 – 100 000 | Простота, надежность, низкая стоимость, самовсасывание | Высокий износ при работе на абразивах, шумность | Подача жидкого топлива (мазут, печное топливо), перекачка масел в системах смазки |
| Одновинтовой (шнековый) | 0.5 – 20 | 100 – 500 000 | Бесшумность, минимальная пульсация, бережное перекачивание | Высокая чувствительность к сухому ходу, сложность изготовления винтовой пары | Перекачка мазута высокой вязкости, шламов, турбинного масла |
| Перистальтический | 0.1 – 1.5 | 1 – 10 000 | Полная изоляция среды, простота обслуживания, хорошее дозирование | Ограниченный ресурс шланга/рукава, среднее давление | Дозирование коррозионных реагентов, отбор проб, химическая водоподготовка |
| Аксиально-поршневой | 10 – 70 | 10 – 500 | Высокий КПД, широкий диапазон регулирования скорости и давления | Высокая чистота рабочей жидкости требовательна, сложность и стоимость | Привод систем регулирования турбин (ЭГПМ), силовые гидросистемы |
Критические аспекты выбора и эксплуатации в энергетике
Выбор объемного насоса для энергетического объекта требует учета ряда специфических факторов.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем принципиально отличается работа объемного насоса от центробежного при изменении сопротивления сети?
При увеличении сопротивления сети (закрытие задвижки) центробежный насос уменьшает подачу, а давление возрастает (работа перемещается по характеристике). Объемный насос будет пытаться поддерживать практически постоянную подачу, а давление будет расти линейно вплоть до срабатывания предохранительного клапана или остановки двигателя по перегрузке. Поэтому объемные насосы никогда не запускают с закрытой задвижкой на выходе.
Почему для перекачки высоковязкого мазута предпочтительнее винтовой насос, а не шестеренный?
Винтовой насос создает ламинарный, без внутреннего перемешивания, поток с постоянной скоростью, что минимизирует гидравлические потери на трение при высокой вязкости. Шестеренный насос создает более турбулентный поток в зоне зацепления, что при очень высоких вязкостях приводит к перегреву, повышенному износу и значительным потерям мощности. Кроме того, винтовые насосы менее чувствительны к попаданию мелких абразивных частиц.
Какие предохранительные устройства обязательны в системе с объемным насосом?
Обязательна установка предохранительного клапана, отрегулированного на давление, не превышающее максимально допустимое для насоса и трубопровода. Клапан должен быть установлен как можно ближе к выходному фланцу насоса, и его слив должен быть организован обратно в приемную емкость или безопасный дренаж. Также рекомендуется установка байпасной линии с регулирующим клапаном для поддержания минимального необходимого расхода.
Как влияет вязкость жидкости на производительность и мощность объемного насоса?
С ростом вязкости объемные утечки через зазоры уменьшаются, что может незначительно повысить фактическую подачу (объемный КПД). Однако одновременно резко возрастают механические потери (трение в зазорах и в приводе) и гидравлическое сопротивление в каналах. В результате потребляемая мощность двигателя существенно увеличивается. Поэтому при работе на высоковязких жидкостях часто требуется установка двигателя с запасом по мощности и, возможно, система подогрева для снижения вязкости до рационального уровня.
Что такое «сухой ход» и почему он опасен для роторных объемных насосов?
«Сухой ход» — работа насоса без перекачиваемой жидкости. В объемных насосах жидкость выполняет не только рабочую, но и смазывающую, а часто и охлаждающую функцию. При отсутствии среды резко возрастает трение в зазорах и между трущимися парами (шестерни, винты, ротор-статор), что за секунды приводит к перегреву, задирам, схватыванию материалов и полному разрушению рабочих органов. Для защиты обязательна установка датчиков наличия среды на всасывании или датчиков давления/расхода с блокировкой привода.
Заключение
Объемные насосы представляют собой широкий и технологически сложный класс оборудования, решающий задачи, недоступные для динамических насосов. Их правильный выбор, основанный на глубоком анализе параметров среды, требований процесса и условий эксплуатации, является залогом надежной и экономичной работы критических систем энергетического объекта: от топливоподачи и химической водоподготовки до систем регулирования и смазки турбоагрегатов. Эксплуатация требует понимания их принципиальных отличий и обязательного оснащения системами защиты от превышения давления и работы без среды.