Насосы одновинтовые: принцип действия, конструкция, применение и технические характеристики
Одновинтовой насос (шнековый насос, эксцентриковый винтовой насос, насос типа «прогрессирующая полость») — это объемный роторный насос, предназначенный для перекачивания высоковязких, абразивных, чувствительных к сдвигу жидкостей, а также сред с высоким содержанием твердых включений. Его работа основана на создании герметичных, перемещающихся вдоль оси полостей между статором и ротором.
Принцип действия и кинематика
Рабочий орган насоса состоит из двух основных элементов: металлического ротора (винта) с однозаходной винтовой поверхностью и эластичного статора с двухзаходной винтовой полостью. Ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета. При вращении ротора внутри статора точка контакта между ними перемещается, создавая серию изолированных полостей, которые последовательно перемещаются от всасывающего патрубка к нагнетательному. Объем этих полостей постоянен, что обеспечивает равномерный, пульсационный-free поток жидкости, пропорциональный скорости вращения.
Конструкция и основные компоненты
Типичный одновинтовой насос включает следующие узлы:
- Приводная часть: Электродвигатель, редуктор (при необходимости), соединительная муфта. Часто используется карданный или эксцентриковый вал для передачи вращения ротору.
- Рабочая пара (гидравлическая часть):
- Ротор: Изготавливается из высокопрочных, износостойких материалов (закаленная сталь, нержавеющая сталь, покрытия типа хрома, нитрида титана). Имеет форму однозаходного винта.
- Статор: Представляет собой обойму с внутренней двухзаходной винтовой полостью. Материал – высокопрочная эластомерная смесь (NBR, EPDM, FKM, Urethan) запрессованная в металлическую гильзу. Выбор эластомера критически зависит от химической совместимости с перекачиваемой средой.
- Корпус (станина): Обеспечивает соосность и жесткость конструкции, имеет фланцы или резьбовые патрубки для подключения трубопроводов.
- Шпиндель (вал): Передает вращение от привода к ротору, работает в условиях знакопеременных изгибающих нагрузок.
- Уплотнение вала: Применяются сальниковые уплотнения с набивкой или торцевые механические уплотнения (single или double). Для агрессивных или абразивных сред может использоваться герметизация затопленным валом или диафрагменный привод.
- Шарнирное соединение: Компенсирует эксцентриситет между вращающимся валом и ротором (универсальный шарнир, шаровой шарнир, кривошип).
- Энергетика (ТЭС, ТЭЦ): Перекачка мазута (в том числе подогретого), реагентов для водоподготовки (известковое молоко, суспензии активированного угля), шламовых отходов, пастообразных золоуловителей.
- Нефтегазовая промышленность: Добыча нефти (штанговые и погружные винтовые насосы), перекачка сырой нефти, парафинистых отложений, буровых растворов, нефтесодержащих шламов.
- Химическая и нефтехимическая промышленность: Полимеры, смолы, клеи, красители, суспензии катализаторов, агрессивные реагенты.
- Водоочистка и экология: Подача флокулянтов и коагулянтов высокой вязкости, перекачка осадков и илов (в т.ч. метантенковых), обезвоженного шлама.
- Горнодобывающая промышленность: Густые пульпы, гидросмеси, флотационные реагенты, хвосты обогащения.
- Пищевая промышленность: Шоколад, тесто, фарши, пасты, жиры, концентраты.
- Способность перекачивать среды чрезвычайно высокой вязкости (до 1 000 000 сП и более).
- Беспульсационный, пропорциональный скорости вращения поток.
- Высокая самовсасывающая способность (до 8-9 м.вод.ст.).
- Низкая чувствительность к наличию твердых включений и абразива.
- Щадящее перекачивание, минимальный сдвиг и разрушение структуры продукта.
- Реверсивность потока (при реверсировании вращения).
- Высокий КПД при работе с вязкими жидкостями.
- Ограниченное давление на одну ступень (требуется многоступенчатая конструкция для высоких напоров).
- Ограничения по температуре, обусловленные эластомером статора.
- Чувствительность к работе «на сухую» — мгновенный выход статора из строя.
- Относительно высокий износ рабочей пары при перекачке высокоабразивных сред.
- Сложность замены рабочей пары (статора) по сравнению с заменой крыльчатки центробежного насоса.
- Как правило, более высокая начальная стоимость по сравнению с центробежными насосами для простых задач.
- Регулярный контроль состояния уплотнения вала (течь, температура).
- Контроль вибрации и шума (увеличение может указывать на износ шарнира или рабочей пары).
- Контроль потребляемого тока (рост тока при постоянной производительности указывает на увеличение момента, часто из-за заклинивания или износа статора).
- Своевременную замену рабочей пары. Признаки износа: падение производительности при неизменной скорости, рост проскальзывания.
- Смазку шарнирных соединений и подшипников согласно регламенту.
Ключевые технические характеристики и параметры выбора
Выбор одновинтового насоса требует анализа ряда взаимосвязанных параметров.
Таблица 1: Основные параметры для подбора насоса
| Параметр | Описание и единицы измерения | Влияние на выбор |
|---|---|---|
| Подача (Производительность), Q | Объем жидкости, перекачиваемый в единицу времени (м³/ч, л/мин). | Определяет габарит насоса и скорость вращения. Подача прямо пропорциональна скорости вращения и объему полости. |
| Напор, H | Суммарное давление, создаваемое насосом (бар, м.вод.ст., Па). | Определяет количество ступеней (длину рабочей пары). Одна ступень (одна пара «виток ротора – впадина статора») создает определенное давление, обычно 4-8 бар. Напор прямо пропорционален количеству ступеней. |
| Вязкость среды, ν | Кинематическая вязкость (сСт) или динамическая вязкость (сП). | Высокая вязкость снижает производительность (проскальзывание потока) и увеличивает требуемую мощность привода. Требуется расчет поправочных коэффициентов. |
| Содержание твердых частиц | Размер, форма, концентрация и абразивность частиц. | Влияет на выбор материала ротора (твердое покрытие) и эластомера статора (например, износостойкий уретан). Определяет конструкцию уплотнения. |
| Химическая агрессивность среды | pH, наличие масел, растворителей, окислителей. | Критичен для выбора материала статора (эластомера) и материала корпусных деталей (нержавеющая сталь, дуплекс, сплавы). |
| Температура среды, T | °C | Определяет выбор эластомера статора и тип уплотнения. Превышение температурного предела ведет к растрескиванию или набуханию статора. | NPSH (кавитационный запас) | Метры водяного столба. | Одновинтовые насосы чувствительны к кавитации. Необходимо обеспечить подпор на всасывании, особенно для высоковязких жидкостей. |
Таблица 2: Соответствие материалов статора свойствам среды
| Материал эластомера статора | Стойкость к абразиву | Химическая стойкость | Температурный диапазон | Типичное применение |
|---|---|---|---|---|
| Нитрильный каучук (NBR) | Хорошая | Масла, вода, топливо | -20°C до +100°C | Нефтепродукты, шламы, сточные воды |
| Этилен-пропиленовый каучук (EPDM) | Удовлетворительная | Кислоты, щелочи, горячая вода, пар | -30°C до +130°C | Химические реагенты, пищевые продукты |
| Фторкаучук (FKM/Viton) | Удовлетворительная | Агрессивные химикаты, кислоты, углеводороды | -20°C до +180°C | Химическая промышленность, ВПИ |
| Высокоизносостойкий уретан (AU) | Отличная | Умеренная (масла, вода) | -20°C до +60°C | Абразивные шламы, пульпы, керамические суспензии |
Области применения в энергетике и смежных отраслях
Преимущества и недостатки одновинтовых насосов
Преимущества:
Недостатки:
Монтаж, эксплуатация и техническое обслуживание
Правильный монтаж и эксплуатация определяют ресурс насоса. На всасывающей линии обязательна установка фильтра (ячейка не более 80% от минимального зазора в насосе). Трубопроводы должны быть выровнены и закреплены без напряжения на фланцы насоса. Запрещен запуск без заливки перекачиваемой средой. При запуске необходимо обеспечить плавный пуск (частотный преобразователь, устройство плавного пуска). Регулирование производительности осуществляется только изменением скорости вращения вала (частотным приводом).
Техническое обслуживание включает:
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем одновинтовой насос принципиально отличается от центробежного?
Одновинтовой насос — объемный. Он вытесняет фиксированный объем жидкости за каждый оборот, создавая давление за счет «продавливания» среды. Его производительность линейно зависит от скорости и почти не зависит от давления. Центробежный насос — динамический. Он создает давление за счет центробежной силы, его производительность сильно зависит от противодавления в системе (характеристика насоса H-Q). Для вязких жидкостей КПД центробежного насоса резко падает, а одновинтовой сохраняет эффективность.
Как правильно подобрать материал статора для конкретной среды?
Выбор основывается на трех ключевых факторах: химическая совместимость, температура и абразивность. Необходимо запросить у производителя насоса или поставщика эластомеров таблицы химической стойкости. Обязательно проводить испытание образца материала в реальной среде при рабочей температуре на предмет набухания, усадки или потери механических свойств. Для абразивных сред предпочтение отдается твердым эластомерам (уретан), для химически агрессивных — специализированным каучукам (FKM, EPDM).
Почему насос теряет производительность со временем?
Основные причины: 1) Износ рабочей пары (статор теряет эластичность, увеличиваются внутренние зазоры, растет перетечка (проскальзывание) с нагнетания на всасывание). 2) Износ шарнирного соединения, приводящий к неполному контакту ротора и статора. 3) Кавитационный износ на входе в рабочую пару. 4) Частичное или полное разрушение статора из-за химической несовместимости или перегрева.
Можно ли регулировать производительность одновинтового насоса задвижкой на напорной линии?
Нет, это недопустимо и опасно. Поскольку одновинтовой насос является насосом объемного типа, закрытие задвижки приведет к линейному росту давления в системе до момента срабатывания предохранительного клапана или поломки насоса (разрыв трубопровода, поломка вала, разрушение статора). Единственный корректный способ регулирования производительности — изменение скорости вращения вала при помощи частотного преобразователя.
Какой запас на всасывании (NPSH) требуется для одновинтового насоса?
Требуемый кавитационный запас (NPSHr) для одновинтовых насосов, как правило, невелик (0.5-3 м.вод.ст.), но он критически важен. Недостаточный NPSH приводит к кавитации в зоне контакта ротора и статора, вызывая их ускоренный эрозионный износ, вибрацию и шум. Для высоковязких жидкостей требуемый подпор должен быть увеличен, так как вязкость затрудняет заполнение полостей на всасывании. Всегда необходимо выполнять расчет доступного NPSH (NPSHa) с запасом не менее 0.5 м относительно NPSHr насоса.
Что такое «сухой ход» и почему он опасен?
«Сухой ход» — работа насоса без перекачиваемой жидкости. Для одновинтового насоса это аварийный режим. Эластомерный статор и металлический ротор работают в плотном контакте. Жидкость выполняет роль смазки и охлаждающей среды. При отсутствии жидкости возникает сухое трение, приводящее к мгновенному перегреву и «прихватыванию» эластомера, его обгоранию и разрушению за считанные секунды. Обязательна установка защиты от «сухого хода» (датчики давления на всасе, расходомеры, датчики тока).
Как продлить срок службы рабочей пары при перекачке абразивных шламов?
1) Выбор наиболее износостойкого материала (уретановый статор, ротор с твердым покрытием). 2) Минимизация скорости вращения насоса (использование частотного привода для работы на оптимальных, низких оборотах при требуемой производительности). 3) Обеспечение стабильной и достаточной подачи среды на всасывание для предотвращения кавитации, которая усиливает абразивный износ. 4) Регулярный реверсивный режим работы (если технология допускает) для равномерного износа поверхностей рабочей пары.