Шнековые насосы

При упоминании термина «насос», простой обыватель наверняка представит себе устройство, используемое для перекачки воды по трубопроводу. Но в быту и промышленности рабочая среда может быть разной по своим физико-химическим характеристикам, техническим условиям перемещения. Поэтому часто требуется специфическое оборудование, такое как шнековые или винтовые насосы. Их конструкция, принцип действия отличается от привычных центробежных агрегатов, позволяя работать в более сложных условиях.

Рис.1. Винтовой насос классической компоновки в разрезе

Устройство, особенности работы

По принципу действия шнековый насос относится к категории объемных машин. Для таких агрегатов характерно попеременное заполнение рабочей камеры перекачиваемой средой с последующим выталкиванием ее в напорную магистраль. Отсюда, так называемый, циклический (пульсационный) процесс работы. То есть, в отличие от тех же центробежных машин, подача происходит не равномерным потоком, а отдельными порциями.

Конструкций шнековых машин существует предостаточно, но классическая компоновка, представленная на иллюстрации внизу наиболее показательна с точки зрения набора узлов, ключевыми из которых являются:
•    Корпус, где находится приводной вал вместе с подшипниками (1) и уплотнением (2). Хвостовик вала выполнен со шпоночным пазом для соединения с электродвигателем (на рисунке отсутствует, но является неотъемлемой частью агрегата);
•    Промежуточная камера, где находится тяга (4) с концевыми соединительными шарнирами для передачи крутящего момента на основной рабочий орган машины;
•    Героторная пара. Это комбинация неподвижной обоймы или статора (6), а также вращающегося винтового ротора (5).

Рис.2. Типовая схема винтового насоса

Если проанализировать иллюстрацию вверху, особенно ее рабочий отсек (героторную пару), то можно увидеть характерные промежутки или камеры между витком винта и обоймой. В ней как раз и содержится единичный объем перекачиваемой среды – порция. Проворачиваясь, ротор двигает ее из одной камеры в следующую, вбрасывая, в итоге, в напорную магистраль. Благодаря постоянной площади полостей, вместе с шагом винта определяющих их единичный объем, шнековый насос обладает ровным потоком.

На той же иллюстрации можно увидеть еще одну характерную особенность конструкции, а именно эксцентриситет или отклонение осевых линий винта и обоймы.
Исторически этот принцип перекликается с винтом Архимеда – прообразом современного шнека, который ранее использовался для порционной подачи воды из низколежащих водоемов на оросительные каналы. Такие устройства широко эксплуатировались на побережье, особенно в Голландии, Швеции, на севере Германии.

Классификация шнековых машин

В розничной или оптовой торговой сети имеется широкая гамма винтовых насосов, отличающихся друг от друга общей конструкцией, отдельными узлами, комплектацией, используемыми материалами и техническими характеристиками. Последние могут значительно разниться, даже если с виду агрегаты похожи или имеют габариты одного порядка.
Исходя из этого, критериев для классификации можно подобрать массу, но чаще все ключевым является количество рабочих роторов:
1.    Одновинтовые. В конструкции используются однозаходный ротор и эластичная обойма, внутренняя поверхность которой имеет двухзаходную винтовую форму. Они более просты по изготовлению и сборке, относительно компактны, обладают высокими КПД, всасывающей способностью. Рабочие параметры находятся на уровне до 600 м3/ч и 50 бар, при температуре среды -40…+350°С;
2.    Двухвинтовые. Обойма такого шнекового насоса содержит два ротора – ведущий и ведомый – с особой двухсторонней нарезкой. Валы вращаются в обратных направлениях, обеспечивая подачу вплоть до 2200 м3/ч и напор свыше 100…110 бар. Чаще всего их используют для перекачки вязких, эмульсионных сред, например, смеси воды с нефтью, продуктов ее перегонки, лакокрасочных материалов;
3.    Трехвинтовые. Обойма содержит три винта с двухзаходной нарезкой. Такая комбинация позволяет добиться подачи на уровне 800 м3/ч и напора до 320 бар. Чаще всего применяют эти машины для перемещения неабразивных жидкостей, мазута, технических масел. Обладают высокой долговечностью;
4.    Мультифазные. Это агрегаты с одним, двумя или тремя роторами, которые приспособлены для перекачки жидкостно-газовых смесей с содержанием последних на уровне 97 %. Обладают пониженным энергопотреблением и высокой стойкостью к абразивным частицам.

Сами героторные пары бывают четырех типов, обеспечивая разные уровни производительности и дифференциального давления. Например, обоймы «S» и «L» видов имеют поперечное сечение винтового канала в форме скругленного прямоугольника, а роторы – круга. Отличия между ними заключаются в длине шага спирали (во втором случае он больше). Аналогичная закономерность наблюдается и для пар типа «D» и «P». У них также наблюдается разницы в шаге винта, но он имеет продолговатое, овальное сечение, а статор – треугольное, скругленное у вершин.

Область применения

Шнековые насосы широко используются промышленностью. Кроме упомянутой ранее нефтегазовой и химической отраслей, они находят применение в пищепроме (перекачка вязких молочных, винных продуктов, кондитерского сырья), химводоочистке (реагенты, растворы), строительстве (перемещение цементных растворов).
Также часто шнековые насосы используются в быту, для скважин. Если отталкиваться от места установки, то они бывают погружными (вертикальной компоновки, которые опускаются в скважину) и горизонтальными (устанавливаются на поверхности вблизи устья).

О том, как действует такой винтовой агрегат, можно судить по следующему видео, где представлено детище Кафедры органического синтеза и нано технологий НТУ ХПИ (Харьков). Как можно наблюдать, в контуре циркулирует вязкая жидкость с большим количеством примесей: