Насосы винтовые вертикальные

Насосы винтовые вертикальные: конструкция, принцип действия и области применения

Винтовые вертикальные насосы, также известные как насосы с эксцентрическим шнеком или насосы типа «Mohno» (по имени изобретателя Рене Муано), представляют собой класс объемных роторных насосов. Их ключевая особенность — вертикальное расположение рабочего органа и возможность работы на значительной глубине, определяемой длиной вертикального вала. Эти агрегаты предназначены для перекачивания высоковязких, загрязненных, абразивных и чувствительных к механическим воздействиям сред из скважин, колодцев, резервуаров и других емкостей.

Принцип действия и конструктивные особенности

Рабочий процесс основан на вытеснении жидкости вращающимся однозаходным металлическим ротором (винтом) и неподвижной эластомерной статорной обкладкой, имеющей двухзаходную винтовую полость. Ротор имеет эксцентриситет относительно оси статора. При его вращении между поверхностями ротора и статора образуются последовательно открывающиеся и закрывающиеся полости, которые перемещают перекачиваемую среду вдоль оси насоса от всасывающего патрубка к нагнетательному. Герметичность полостей обеспечивается эластичностью статора и создаваемым давлением.

Конструкция вертикального винтового насоса включает несколько ключевых модулей:

• Головка насоса (приводная часть): Содержит упорный подшипниковый узел, воспринимающий осевую нагрузку от ротора и столба жидкости, радиальные подшипники, торцевое уплотнение или сальник для герметизации вала. Монтируется на опорной плите.
• Вертикальный приводной вал: Передает вращение от двигателя к ротору. Вал размещен внутри колонны из труб (штанговой колонны), которая одновременно является напорным трубопроводом. Для центрирования и предотвращения биения используются промежуточные опорные подшипники, часто с водяной смазкой.
• Штанги (карданные валы) или шлицевое соединение: Обеспечивают соосность и передачу крутящего момента между секциями вертикального вала, компенсируя возможные отклонения.
• Рабочая пара «ротор-статор» (гидравлическая секция): Сердцевина насоса. Ротор изготавливается из высокопрочной стали с хромированным или твердым покрытием. Статор представляет собой металлическую гильзу с запрессованной внутрь эластомерной обкладкой (обычно из резины на основе NBR, HNBR, FKM, EPDM в зависимости от среды).
• Всасывающий патрубок или кожух: Обеспечивает подвод перекачиваемой среды к рабочей паре.

Ключевые технические характеристики и параметры выбора

При подборе вертикального винтового насоса для конкретной задачи необходимо анализировать комплекс взаимосвязанных параметров.

Таблица 1. Основные параметры выбора вертикального винтового насоса

Параметр	Описание и единицы измерения	Влияние на конструкцию и работу
Подача (Q)	Объем жидкости, перекачиваемой в единицу времени (м³/ч, л/мин).	Определяет типоразмер рабочей пары (диаметр ротора, шаг винтовой линии) и частоту вращения.
Напор (H)	Суммарная энергия, сообщаемая потоку, выраженная в метрах столба жидкости (м).	Определяет количество ступеней (длину) рабочей пары и длину вертикального вала. Напор прямо пропорционален количеству ступеней.
Глубина погружения (установки)	Расстояние от точки установки головки насоса до динамического уровня жидкости (м).	Определяет длину валовой колонны и штанги, а также выбор типа промежуточных опор. Критичен для расчета прогиба вала.
Вязкость перекачиваемой среды (ν)	Кинематическая вязкость (сСт) или динамическая вязкость (сП).	Высокая вязкость снижает производительность, увеличивает требуемый крутящий момент и мощность двигателя. Требует подбора специальных профилей и материалов статора.
Температура среды	Рабочая температура перекачиваемой жидкости (°C).	Влияет на выбор материала статора (термостойкость эластомера), тепловое расширение компонентов и зазоры.
Содержание абразивных частиц	Концентрация и твердость механических примесей (песок, шлам).	Диктует применение износостойких материалов ротора (карбид вольфрама), специальных твердых эластомеров (например, полиуретан) и оптимизированных зазоров.
Агрессивность среды	Химический состав (наличие масел, растворителей, кислот, щелочей).	Определяет химическую стойкость материала статора (тип эластомера).

Преимущества и недостатки вертикальных винтовых насосов

Преимущества:

• Способность перекачивать жидкости с широким диапазоном вязкости (от 1 до 1 000 000 сП и более) и высоким содержанием твердых частиц (до 60-70% по объему).
• Высокая всасывающая способность и возможность работы на больших глубинах (десятки и сотни метров) без дополнительных устройств подпора.
• Щадящее, безударное перекачивание, минимальное разрушение структуры продукта (сохранение хлопьев, капсул в пищевых и химических продуктах).
• Самовсасывание (способность создавать вакуум на всасе после остановки).
• Плавная, непульсирующая подача, пропорциональная частоте вращения.
• Возможность реверса потока (при реверсивном приводе).

Недостатки и ограничения:

• Ограниченная максимальная температура перекачиваемой среды (обычно до +120°C, реже до +150°C), определяемая стойкостью эластомера статора.
• Чувствительность к работе «на сухую»: даже кратковременная работа без жидкости приводит к быстрому перегреву и износу статора из-за потери смазки и охлаждения.
• Высокие радиальные нагрузки на приводной вал при больших глубинах, требующие точного центрирования и установки промежуточных опор.
• Сравнительно низкий КПД при работе с маловязкими жидкостями (вода) по сравнению с центробежными насосами.
• Высокая стоимость ремонтных комплектов (ротор-статор) и необходимость их периодической замены как основного расходного материала.

Области применения в энергетике и смежных отраслях

Вертикальные винтовые насосы нашли широкое применение в задачах, где требуется подъем сложных сред с глубины или из емкостей.

• Водоподготовка и водоочистка: Перекачивание высоковязких химических реагентов (полиэлектролиты, флокулянты), шламовых вод, осадков из отстойников и сгустителей.
• Топливно-энергетический комплекс: Откачка мазута и тяжелых топлив из резервуаров, перекачивание нефтешламов, дренаж сборных емкостей на ТЭЦ и котельных.
• Геотермальная энергетика: Подъем высокотемпературных геотермальных рассолов, часто с высоким содержанием солей и абразивных частиц.
• Горнодобывающая промышленность: Откачка пульп, гидросмесей, шламов из шахт, карьеров и скважин.
• Химическая и нефтехимическая промышленность: Перекачивание полимеров, смол, паст, клеев, смазок, растворителей из реакторов и танков.
• Пищевая промышленность: Транспортировка теста, фаршей, джемов, шоколада, жиров из технологических емкостей.

Особенности монтажа, эксплуатации и технического обслуживания

Правильный монтаж критичен для долговечной работы насоса. Необходимо обеспечить строгую вертикальность установки. Отклонение от вертикали приводит к повышенному износу промежуточных опор и биению вала. При большой длине вала (глубине) используются направляющие трубы или тросы для стабилизации. Обязательна проверка соосности приводного вала и вала насоса.

Эксплуатационные требования:

• Запуск: Перед первым пуском и после длительного простоя необходимо залить всасывающую полость и рабочую пару перекачиваемой жидкостью для смазки.
• Защита от «сухого хода»: Обязательна установка датчиков уровня или давления на всасывании с блокировкой пуска.
• Контроль параметров: Мониторинг тока двигателя (косвенный показатель нагрузки и износа), давления на выходе, вибрации.

Техническое обслуживание: Основная задача — контроль износа рабочей пары и подшипниковых узлов. Износ ротора и статора приводит к падению производительности и напора. Регламентная замена уплотнений вала, проверка затяжки фундаментных болтов, смазка подшипников в головке насоса — обязательные процедуры.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Как определить, что рабочая пара (ротор-статор) изношена и требует замены?

Основные признаки: значительное падение производительности (подачи) при неизменной частоте вращения; снижение развиваемого давления (напора); повышение потребляемого тока двигателя при той же вязкости среды; появление вибрации или шума; утечка продукта через уплотнение вала из-за повышения давления в зоне износа. Для точной диагностики проводят замеры производительности и давления и сравнивают с паспортными кривыми.

2. Можно ли использовать один и тот же насос для перекачки жидкостей с разной вязкостью и химической агрессивностью?

Конструктивно — да, но с обязательной заменой рабочей пары на соответствующую среде. Для разных химических сред потребуются статоры из разных эластомеров (NBR для воды и масел, EPDM для щелочей, FKM для кислот и углеводородов). Для жидкостей с высокой вязкостью (>10 000 сП) часто применяют роторы и статоры с уменьшенным шагом для снижения крутящего момента.

3. Как правильно подобрать материал статора для абразивных сред?

Для умеренно абразивных сред (песок) часто используют износостойкие резины с твердостью по Шору А 70-85. Для высокоабразивных применений (буровой шлам, зола) применяют полиуретаны или резины, наполненные карбидом кремния, а также композитные статоры. Параллельно используют роторы с твердым покрытием (карбид хрома, вольфрама). Важна также оптимизация зазора: для абразивных сред он часто делается больше, чтобы частицы могли проходить, не застревая и не вызывая заклинивания.

4. Каковы основные причины выхода из строя вертикальных винтовых насосов?

• Работа «на сухую»: Быстрый перегрев и сгорание статора.
• Кавитация: Недостаточное давление на всасывании, приводящее к образованию пузырьков пара и ударному разрушению материала статора.
• Неправильный монтаж (несоосность, отклонение от вертикали): Приводит к повышенному износу подшипников, вала, вибрациям.
• Превышение допустимого давления: Вызывает деформацию статора, повышенные нагрузки на вал и привод.
• Несовместимость материала статора с химическим составом среды: Набухание, растрескивание или растворение эластомера.

5. В чем принципиальное отличие вертикального винтового насоса от погружного скважинного насоса центробежного типа?

Центробежный скважинный насос — динамический, он перекачивает чистые или слабозагрязненные маловязкие жидкости (вода) за счет центробежной силы, создаваемой рабочим колесом. Он имеет высокий КПД для воды, но не может работать с вязкими или абразивными средами, чувствителен к песку. Вертикальный винтовой насос — объемный, он вытесняет жидкость, что позволяет ему работать с крайне широким спектром сред по вязкости и загрязненности, но с меньшим КПД на воде. Также винтовой насос обладает самовсасыванием, в то время как центробежный перед пуском необходимо заливать.

Заключение

Вертикальные винтовые насосы являются незаменимым техническим решением для задач подъема и перекачивания сложных жидкостей с глубины или из емкостей в энергетике, химической, добывающей и перерабатывающей отраслях. Их успешная эксплуатация основывается на точном подборе конструкции, материалов (особенно эластомера статора) и параметров под конкретные условия: свойства среды, глубину, требуемую производительность и напор. Соблюдение строгих правил монтажа, обеспечение защиты от «сухого хода» и проведение регулярного технического обслуживания с контролем состояния рабочей пары являются залогом длительного и безотказного срока службы данного оборудования. Понимание принципов работы и ограничений этих насосов позволяет инженерам-энергетикам и технологам эффективно интегрировать их в технологические процессы, минимизируя эксплуатационные риски и затраты.