Винтовые насосы: устройство и применение¶

Винтовой насос — объёмный гидравлический механизм, в котором перекачиваемая среда перемещается вдоль оси вращения одного или нескольких винтовых роторов, заключённых в корпус. Рабочим элементом служит винтовая пара: ведущий ротор и ответная поверхность (обойма или второй винт), образующие замкнутые полости, которые при вращении непрерывно перемещаются от всасывающего патрубка к нагнетательному. Насосы этого типа относятся к классу объёмных роторных машин и применяются для перекачивания жидкостей с высокой вязкостью, а также сред, содержащих твёрдые или газообразные включения.

¶История

Принцип винтового перемещения жидкости был запатентован в 1930-х годах. В 1930 году французский инженер Рене Муано получил патент на одновинтовой насос с эластичной обоймой, который впоследствии получил его имя. Независимо от него в 1930-е годы американский инженер Карл Циммерман разработал многовитовые конструкции для судостроения. В СССР работы по винтовым насосам велись с 1930-х годов; в 1940–1950-е годы были созданы серийные образцы для нефтяной и судостроительной промышленности. Широкое распространение в нефтедобыче винтовые насосы получили во второй половине XX века, когда возникла потребность в подъёме тяжёлых и обводнённых нефтей.

¶Классификация

По числу роторов различают:

• Одновинтовые (насосы Муано) — один металлический винт вращается внутри резиновой или полимерной обоймы с винтовой полостью.
• Двухвинтовые — два винта с противоположным направлением нарезки, синхронизированные шестернями.
• Трёхвинтовые — центральный ведущий винт и два ведомых, служащих для уравновешивания давления.
• Многовинтовые — с числом роторов четыре и более, применяются реже.

По назначению выделяют насосы для вязких сред, для абразивных суспензий, для пищевых продуктов, а также погружные установки для нефтедобычи.

¶Устройство и принцип работы

Основные узлы насоса — корпус, винтовые роторы, обойма (для одновинтовых), уплотнения вала, подшипники и привод. В одновинтовом насосе металлический ротор имеет форму однозаходной винтовой поверхности, а обойма — двухзаходной, благодаря чему между ними образуются герметичные камеры. При вращении ротора эти камеры перемещаются вдоль оси, захватывая жидкость на входе и вытесняя её на выходе. Подача получается практически непрерывной и равномерной, без пульсаций, характерных для поршневых машин.

В многовитовых конструкциях жидкость движется в замкнутых полостях между винтами и стенками корпуса. Синхронизирующие шестерни предотвращают касание роторов друг о друга, а смазка трущихся пар обеспечивается самой перекачиваемой средой.

¶Характеристики

Ключевые параметры винтовых насосов:

Насосы допускают перекачивание жидкостей с температурой от −40 до +200 °C, устойчивы к наличию механических примесей и газа до определённой доли. Реверсирование потока возможно при изменении направления вращения.

¶Преимущества и недостатки

К достоинствам относят:

• равномерную подачу без пульсаций;
• способность работать с высоковязкими и абразивными средами;
• самовсасывание;
• компактность при высоких давлениях;
• бережное отношение к перекачиваемому продукту (важно для пищевой и нефтяной отраслей).

Недостатки:

• чувствительность к сухому ходу (обойма и ротор быстро изнашиваются без смазки);
• ограничение по температуре для эластичных обойм;
• сложность изготовления винтовых поверхностей;
• необходимость синхронизации в многовитовых схемах.

¶Применение

Винтовые насосы используются в нескольких отраслях:

• Нефтедобыча — погружные установки для подъёма тяжёлой и обводнённой нефти, а также для внутрипромысловой перекачки.
• Нефтепереработка и химия — транспортировка вязких продуктов, битумов, мазута, смол.
• Пищевая промышленность — перекачивание шоколада, паст, творога, сиропов, где важна целостность продукта.
• Судостроение — топливные и масляные системы.
• Строительство и горное дело — подача растворов, бетона, шламов.
• Водоснабжение и водоотведение — перекачка сточных вод с включениями.

¶Особенности эксплуатации

Для одновинтовых насосов критично наличие смазки между ротором и обоймой: работа «на сухую» приводит к быстрому износу. При перекачивании абразивных сред применяют износостойкие обоймы и роторы с защитными покрытиями. В нефтяных погружных установках насос комплектуется электродвигателем с маслозаполнением и гидрозащитой. Регулирование подачи чаще всего осуществляется изменением частоты вращения привода.

¶Винтовые насосы в России

В России винтовые насосы выпускаются рядом машиностроительных предприятий, в том числе для нефтегазового комплекса. Погружные винтовые установки применяются на месторождениях Западной Сибири и в других регионах с трудноизвлекаемыми запасами. Разработкой и производством занимаются как крупные заводы, так и специализированные конструкторские бюро. Отдельное направление — импортозамещение узлов и обойм для ранее закупленного иностранного оборудования.

Источники: техническая документация насосного оборудования, отраслевые справочники по нефтегазовому машиностроению, материалы профильных научно-технических изданий.