Насосы винтовые поверхностные
Насосы винтовые поверхностные: конструкция, принцип действия и сфера применения в энергетике
Винтовые поверхностные насосы, также известные как шнековые насосы, представляют собой тип объемных роторно-вращательных насосов. Их работа основана на вытеснении жидкости одним или несколькими металлическими винтами (роторами), вращающимися внутри статора с соответствующей геометрией. В энергетике, нефтегазовом секторе, водоснабжении и промышленности они являются критически важным оборудованием для перекачивания высоковязких, абразивных, содержащих механические примеси или чувствительных к сдвигу жидкостей.
Принцип действия и конструктивные особенности
Основной принцип работы винтового насоса заключается в создании замкнутых полостей между винтом (ротором) и внутренней поверхностью статора. Ротор, выполненный из высокопрочной стали, имеет форму однозаходного винта. Статор, как правило, представляет собой двузаходную эластомерную втулку, запрессованную в металлический корпус. Геометрия ротора и статора подобрана таким образом, что при вращении ротора эти полости перемещаются вдоль оси насоса от всасывающего патрубка к нагнетательному, обеспечивая непрерывный и равномерный поток жидкости без пульсаций.
Ключевые конструктивные элементы винтового поверхностного насоса:
- Ротор (винт): Изготавливается из закаленной стали, хромируется или покрывается другими износостойкими материалами. Имеет высокую точность исполнения.
- Статор: Состоит из металлической гильзы и внутренней полости, сформированной из эластомера (чаще всего NBR, EPDM, витон, H-NBR). Эластомер обеспечивает герметичность зацепления и адаптацию к износу.
- Приводной вал и карданный вал/шарнирное соединение: Передают вращение от двигателя к ротору, компенсируя эксцентриситет движения.
- Торцевое уплотнение или сальник: Предотвращает утечку перекачиваемой среды вдоль приводного вала.
- Корпус: Обычно литой, из чугуна, стали или нержавеющей стали, рассчитан на рабочее давление.
- Подача (Q): Объем жидкости, перекачиваемой в единицу времени (м³/ч, л/мин). Зависит от частоты вращения и геометрического объема полостей.
- Напор (H): Максимальное давление, создаваемое насосом, выраженное в метрах водяного столба (м) или барах (Bar, атм). Определяется количеством ступеней (витков винта) и длиной винтовой пары.
- Частота вращения (n): Обычно находится в диапазоне 150-1500 об/мин. Для абразивных сред рекомендуются пониженные скорости.
- Допустимая вязкость: Винтовые насосы эффективно работают с жидкостями от 1 до 1 000 000 сСт и более.
- Температура перекачиваемой среды: Ограничивается типом эластомера статора (обычно от -20°C до +120°C).
- Мощность привода (N): Рассчитывается исходя из подачи, напора, вязкости и плотности жидкости.
- Способность перекачивать жидкости с широким диапазоном вязкости и высокой степенью заполнения.
- Самовсасывающая способность (до 8-9 метров водяного столба).
- Плавный, безударный и практически бесшумный поток без пульсаций.
- Высокая эффективность при работе с вязкими жидкостями по сравнению с центробежными насосами.
- Возможность перекачивания сред с высоким содержанием абразивных частиц и большим количеством газа.
- Реверсивность потока (при изменении направления вращения ротора).
- Ограниченная скорость вращения и, как следствие, подача для низковязких сред.
- Высокая чувствительность к работе «на сухую» — приводит к мгновенному перегреву и разрушению эластомера статора.
- Ограничения по температуре и химической стойкости, накладываемые материалом статора.
- Относительно высокая стоимость ремонтных комплектов (ротор-статор).
- Более сложный монтаж и требование к соосности привода по сравнению с некоторыми другими типами.
- Нефтегазовая промышленность: Перекачивание сырой нефти, мазута, нефтешламов, паст, дизельного топлива, добавок для буровых растворов.
- Теплоэнергетика и ЖКХ: Подача жидкого топлива (мазута) в котельные, перекачивание густых смазок, шламов, илов, осадков сточных вод.
- Химическая промышленность: Работа с полимерами, смолами, клеями, красителями, суспензиями, агрессивными химикатами (со специальным материалом статора).
- Пищевая промышленность: Перекачивание паст, шоколада, теста, жиров, мелассы.
- Характеристики перекачиваемой среды: Вязкость, плотность, температура, содержание абразива, размер твердых включений, химическая агрессивность.
- Режим работы: Постоянный или циклический, необходимость регулирования подачи (частотный привод).
- Материальное исполнение: Подбор пары ротор-статор под конкретную среду.
- Обязательная установка предохранительного клапана на линии нагнетания, так как насос является объемным и при перекрытии выхода давление возрастет до разрушения.
- Запрет на работу «всухую». Для защиты необходимы датчики давления или протока.
- Правильный запуск: перед первым пуском и после длительного простоя насос должен быть заполнен перекачиваемой средой.
- Соблюдение рекомендуемой скорости вращения для конкретной вязкости среды.
- Регулярный контроль износа пары ротор-статор по падению производительности.
Классификация и основные технические параметры
Винтовые насосы классифицируются по количеству заходов винтовой пары. Наиболее распространены в промышленности одновинтовые насосы (тип «ротор-статор»). Также существуют двух- и трехвинтовые насосы, где винты находятся в зацеплении друг с другом без статора, но они менее пригодны для абразивных сред.
Основные технические параметры, определяющие выбор насоса:
Преимущества и недостатки винтовых поверхностных насосов
Преимущества:
Недостатки:
Сферы применения в энергетике и смежных отраслях
Винтовые насосы находят широкое применение благодаря своей универсальности.
Выбор и эксплуатация: ключевые аспекты
Правильный выбор насоса определяет его ресурс и экономическую эффективность. Необходимо учитывать:
Таблица 1: Выбор материала статора в зависимости от перекачиваемой среды
| Материал статора | Химическая стойкость | Температурный диапазон | Типичные области применения |
|---|---|---|---|
| Нитрильный каучук (NBR) | Нефтепродукты, масла, вода, смазки | -20°C до +100°C | Мазут, дизельное топливо, масла, вода |
| Этилен-пропиленовый каучук (EPDM) | Кислоты, щелочи, перегретый пар, горячая вода | -30°C до +120°C | Химические реагенты, горячая вода, щелочи |
| Фторкаучук (FKM, Витон) | Высокая стойкость к углеводородам, кислотам, ароматике | -20°C до +150°C | Агрессивные химикаты, ароматические углеводороды |
| Высоконаполненный нитрил (H-NBR) | Высокая износостойкость, масло- и бензостойкость | -15°C до +120°C | Сильно абразивные среды с содержанием нефтепродуктов |
Важные требования к эксплуатации:
Сравнение с центробежными и шестеренными насосами
Таблица 2: Сравнительный анализ типов насосов для вязких жидкостей
| Параметр | Винтовой насос (одновинтовой) | Центробежный насос | Шестеренный насос |
|---|---|---|---|
| Эффективность на вязких жидкостях | Очень высокая, слабо падает с ростом вязкости | Резко падает при увеличении вязкости (>100 сСт) | Высокая, но падает с ростом вязкости из-за внутренних утечек |
| Пульсация потока | Отсутствует | Отсутствует | Присутствует (зависит от конструкции) |
| Чувствительность к абразивам | Умеренная (зависит от материалов) | Низкая (высокий износ рабочего колеса) | Очень высокая (заклинивание шестерен) |
| Самовсасывание | Есть | Нет (только при заполненном корпусе) | Хорошее |
| Регулирование подачи | Изменение скорости (ЧП) | Задвижка, изменение скорости | Изменение скорости |
| Стоимость эксплуатации | Средняя (регулярная замена ротор-статорной пары) | Низкая | Низкая/Средняя |
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Как определить износ пары ротор-статор?
Основной признак — снижение фактической производительности насоса при неизменной частоте вращения и открытой задвижке нагнетания. При критическом износе насос перестает создавать давление или осуществлять самовсасывание. Для точной диагностики проводят замеры подачи и давления и сравнивают с паспортными кривыми.
Можно ли регулировать подачу винтового насоса задвижкой на выходе?
Нет, это недопустимо. Винтовой насос — это насос объемного типа. Перекрытие выхода приводит к резкому росту давления, перегрузке привода и может вызвать разрушение трубопровода или насоса. Регулирование осуществляется только путем изменения скорости вращения вала с помощью частотного преобразователя или заменой шкивов (для ременного привода).
Какой тип привода предпочтительнее: прямой или ременной?
Прямой привод (через муфту) более компактен и эффективен. Однако ременной привод позволяет легко изменять скорость вращения ротора в широких пределах (заменой шкивов), что полезно для подбора оптимального режима под разную вязкость. Также ременная передача выполняет роль демпфера, сглаживая ударные нагрузки и незначительную несоосность.
Почему насос теряет самовсасывающую способность?
Основные причины: износ ротор-статорной пары, подсос воздуха через уплотнение вала или всасывающий трубопровод, засорение всасывающей линии, недостаточное заполнение корпуса насоса перед пуском (остаточный воздух). Также причиной может быть слишком высокая вязкость жидкости при низкой температуре.
Как правильно хранить запасной ротор-статорный комплект?
Ротор должен храниться в смазанном состоянии (консервационная смазка) в сухом месте. Статор из эластомера чувствителен к озону, теплу и деформации. Его следует хранить в оригинальной упаковке, вдали от источников тепла и прямых солнечных лучей, в свободном состоянии (без сжатия или растяжения). Срок хранения ограничен и зависит от материала (обычно 3-5 лет).
Какие уплотнения вала лучше: сальниковое набивное или торцевое механическое?
Торцевое механическое уплотнение (ТМУ) более современно, обеспечивает лучшую герметичность, не требует регулировки и обслуживания в процессе работы, минимизирует утечки. Сальниковая набивка дешевле, ремонтопригодна в полевых условиях, но допускает минимальную капельную утечку для смазки и охлаждения набивки, требует периодической подтяжки. Выбор зависит от среды (ТМУ не для всех абразивных суспензий), бюджета и требований к экологии.