Винтовые насосы

Винтовые насосы - справочная информация

Все винтовые насосы относятся к насосам объемного типа и известны с античных времен (первая конструкция восходит к Архимеду). В отличие от поршневых и плунжерных насосов, служащих для решения таких же задач, винтовые насосы обеспечивают равномерность потока. Также они нагнетают высокое давление без большого количества каскадов, что существенно упрощает конструкцию.

Расход для таких насосов составляет от 1 до 80 м3/ч, а напор составляет до 70 м. Вязкость перекачиваемой жидкости колеблется от 10 000 до 1 млн. сстокс. 

Рис. 1 Различные виды винтовых насосов

Если сравнить их с центробежными насосами, то винтовые насосы имеют свой ряд преимуществ. Перекачиваемый поток не подвержен завихрениям, а, следовательно, не будет и вспенивания жидкости. Также скорость потока практически не зависит от вязкости перекачиваемой среды, на скорость не влияет и наличие твердых включений. Понятие «винтовой насос» часто используют не только по отношению к автономным агрегатам, а также к элементам сложных машин и производственных линий, выполняющих схожие функции. По сути, обычная бытовая мясорубка также является классическим винтовым насосом. Конструкция шнеков и скоростной режим их вращения зависит от того, какая жидкость будет перекачиваться. Большое количество шнеков позволяет при помощи незначительного увеличения объёма рабочей камеры, получить в несколько раз большую производительность.

Принцип действия и принципиальная схема устройства винтовых насосов

Винтовые насосы устроены по аутентичной принципиальной схеме, а также подразделяются на три основных типа в зависимости от количества шнеков в системе.

 

1. Принцип работы винтовых насосов.

Ротор вращается в статоре, при этом постоянно образуется свободная полость для нагнетания потока перекачиваемой среды, происходит передача от впускового канала к выпускному. Привод на ротор идёт от электрического двигателя, при этом обязательно должна присутствовать промежуточная муфта. Статор должен быть обязательно устойчив к механическим повреждениям и агрессивным средам, поэтому винтовые насосы могут быть использованы для перекачки различных жидкостей. Возможность противотока обычно в этих насосах полностью отсутствует. Это возможно благодаря точному расчётному объёму и форме всех рабочих полостей, однако, противоток может возникать при перекачивании жидкостей, не подходящих по характеристикам для данного типа и модели насоса.

Принцип действия этого типа насосов основан на передвижении среды вдоль оси винта в полостях между резьбой и стенками рабочей полости. Винтов может быть несколько, что позволяет создавать закрытое пространство при зацеплении и препятствовать противотоку. Получается, что рабочая камера имеет переменный объём, за счёт чего и происходит перекачивание от точки впуска к точке выпуска. Насосы этого типа считаются самовсасывающими, поэтому во избежание разрыва трубопровода они обязательно оснащаются регулируемым клапаном и байпасом. Также отличием можно считать усиленное уплотнение, которое достигается при помощи сальника или плотной торцевой втулки.

Особенностью этих насосов за счёт такого принципа работы является полное отсутствие пульсации. Это также обеспечивается и конструкцией, ведь перекачиваемые единичные объёмы одинаковы по всей длине шнека.

 

2. Основные детали для реализации принципиальной схемы устройства.

Условно такой насос можно разделить на подвижную и неподвижную части. В роли ротора выступает стальной винт, а в роли статора – неподвижная камера из полимерного материала.

 

 

Рис. 2 Принципиальная схема устройства винтового насоса

1 – выходной патрубок, 2 – опорная стойка, 3 – монтажная плита (рама), 4 – шпилька, 5 – статор в гильзе, 6 – рабочая камера, 7 – входной патрубок, 8 – стойка, 9 – редуктор, 10 – электродвигатель, 11 – ротор, 12 – втулка, 13 – палец, 14 – хомут, 15 – кольцо, 16 – шарнирный вал, 17 – защитный чехол, 18 – переходной вал, 19 – корпус торцевого уплотнения, 20 – торцевое уплотнение, 21 – резиновое кольцо, 22 – крепежные элементы

Вся работа выполняется парой ротора и статора, силовая установка представлена парой мотора и редуктора, всё это заключено в корпус. Ротор, по сути, является единственным подвижным элементом в насосе. Он представляет собой спираль с определенным расчётами количеством заходов. Статор имеет форму внутренней резьбы, при этом количество заходов должно быть больше на 1, чем у ротора. Равное количество заходов сделало бы невозможным процесс перекачки. Каждая полость герметизирована специальным уплотнительным материалом, проходящим по контактной границе статора и ротора. Без этого уплотнения эффективное перекачивание невозможно. Рабочая пара мотора и редуктора используется для привода на рабочие органы насоса, передача при этом осуществляется на героторную пару  через шарнирное соединение. Соединение между этими деталями может выполняться при помощи каленых стальных пальцев, либо через кардан. Ротор – токарное изделие, изготавливается из высокопрочной стали, а статор – толстый силовой кожу, покрытый эластомером. Для улучшения уплотнения и ликвидации возможности утечки из потока, корпус может быть эластичным, и он может иметь конический либо цилиндрический корпус. Недостатком эластичного корпуса является ограничение давления при перекачке. Также эти корпуса чаще выходят из строя. Помимо основных частей, насосы также состоят из большого количества второстепенных типовых деталей – прокладок, втулок, подшипников, крепежных элементов и т.д.

3. Устройство одношнековых насосов и их особенности. Это насосы объёмного типа. Рабочая часть состоит из гибкой обоймы, на которой проточена винтовая поверхность с двумя заходами. В полости обоймы вращается стальной ротор, на котором нарезана однозаходная резьба. Способны обеспечивать подачу до 650 кубометров час, нагнетая давление до 55 бар. Рабочая температура перекачиваемых сред от -35 до +375 градусов. Преимуществами являются высокий КПД по объёму, возможность большой частоты вращения приводных частей, высокая ремонтопригодность и широкие возможности по всасыванию вязких сред. Условно одношнековые насосы можно разделить на короткие моноблочные конструкции, и насосы с удлиненным шнеком. Первая разновидность более компактна в размерах, но имеет ограничения до 10 000 сстокс по вязкости перекачиваемой среды, а вторая используется для перекачки жидкостей с очень большой вязкостью.

Сфера использования:- Перекачивание особо вязких сред в пищевом производстве – вплоть до теста и растопленного сахара.- Перекачивание тяжелых нефтяных фракций.- Откачка шламов и пульп на горно-обогатительных комбинатах.- Откачка газовых конденсатов при добыче природного газа.- Применяются в коммунальных хозяйствах для откачки ила и сточных вод.- Используются для перекачки кислот и щелочей, а также расплавов солей металлов, бетонов и взвесей.- Могут использоваться для перекачивания пастообразных продуктов, гидросмесей, нейтральных и агрессивных химических сред. Обычно установка состоит из насоса, двигателя и соединительных элементов, объединенных общей рамой. Эти насосы используют строго в горизонтальном положении. Когда винт с однозаходной резьбой вращается в двухзаходной резьбе статора, то возникают полости, которые и содержат перекачиваемую среду, а она уже движется строго вдоль винта в сторону выпуска.

4. Устройство двухшнековых насосов и их особенности. Также считаются насосами объёмного типа. В отличие от одношнековой схемы, в них стоит два ротора, один ведущий, другой ведомый, а резьба на них имеет очень сложную форму. Перекачиваемая среда при этом подаётся дополнительным насосом с так называемым бесконечным ходом поршня. Тандем шнеков называют винтовой парой, валы которой вращаются в противоположных направлениях. Винты на валах – съёмные, и меняются очень просто. Это существенно расширяет возможности насосов этого типа. Двухшнековые насосы могут работать как от стандартных электросетей, так и от дизельных двигателей.

 

 

 

Рис. 3 Рабочая пара винтов. Вал ведущего винта значительно длиннее

Могут обеспечивать подачу сред до 2250 кубометров в час, нагнетать давление до 110 бар при температуре среды от -40 до +375 градусов. Среди преимуществ стоит перечислить высокий КПД по объёму, увеличенная способность к всасыванию, возможность перекачивать сложные эмульсии без изменения их физических свойств.

Сфера использования:- Перекачивание морской воды, также загрязненной нефтепродуктами, маслами растительного происхождения и химически активных жидкостей.- Используются на промежуточных дожимных пунктах на нефтепроводах высокого давления, а также на установках для перегонки нефти.- Используются для перекачки особо вязких сред, таких как гудроны, смолы, краски, загущенные олифы, расплавы солей и полимеров.- В основном применяются на добыче нефти, в топливной энергетике, в кораблестроении, в химической промышленности.

В конструкции этого типа насосов обязательно наличие дополнительного насоса, двигателя, трансмиссии, гибких соединительных муфт. Всё это смонтировано на общей раме.

5. Устройство мультифазных насосов и их особенности. Сложная разновидность винтовых насосов, предназначенных для разнородных жидкостей со значительной примесью газов. Например, такие условия возникают при добыче полезных ископаемых, откачивании разжиженной глины из глубоких скважин, при работе магистральных нефтепроводов. При этом в терминологии используется выражение «пластовые жидкости», т.е. это смеси, которые в процессе транспортировки горизонтально, могут расслаиваться.

Рис. 4 Мультифазный винтовой насос на нефтеперерабатывающем заводе

Обычно этот тип насосов имеет 1 или 2 шнека, обеспечивает подачу до 450 кубометров в час, давление до 250 бар, а рабочая температура может доходить до 350 градусов. Мультифазные насосы служат промежуточными агрегатами для перекачки сред, с возможным содержанием газа до 95%. Это необходимо там, где по месту получения такой смеси удаление газа сжиганием или перегонкой невозможно. Эти насосы существенно снижают давление на верхнее устье скважины. Их разрабатывают таким образом, чтобы они потребляли мало энергии и имели высокую абразивную стойкость.

6. Устройство трехшнековых насосов и их особенности. Это также насос объёмного типа, рабочими органами которых являются три винта с двухзаходной резьбой, вращающиеся в обойме. Используется мощное торцевое уплотнение. Трехшнековые насосы можно использовать как в горизонтальном, так и в вертикальном положении. Они могут обеспечивать подачу до 850 кубометров в час и давление до 320 бар. Температура рабочей среды – от -20 до +300 градусов. Применяются для перекачки неагрессивных жидкостей. Ввиду сложности устройства наличие абразивов в перекачиваемой среде нежелательно. Их огромное давление используют для подъёма жидкости на поверхность из шахт и скважин. Они используются в топливных системах крупных судов и для снабжения гидравлических прессов. По сравнению с двухшнековой и одношнековой разновидностью отличаются повышенной долговечностью. Для защиты насоса от избыточного давления необходимо использование системы предохранительных клапанов. На всасывающем патрубке обязателен многоступенчатый фильтр. Из-за большого давления эти насосы требуют использования толстого корпуса из стали, алюминия или даже чугуна.

Сфера использования винтовых насосов

Преимущества винтовых насосов

Недостатки винтовых насосов