Устройство винтового насоса, особенности конструкций и принцип действия

Все существующие насосы делятся на две большие категории: динамические, у которых камера имеет стабильный объём, а жидкость движется под силовым воздействием — и объёмные. Принцип работы объёмных насосов заключается в изменении объёма рабочей камеры, и по конструктивному решению они бывают возвратно-поступательные и роторные (вращательные). Вот к числу ротационных и относятся винтовые агрегаты, обеспечивающие движение жидкости за счёт вращения лопастей винта. Устройство винтового насоса и принцип его работы мы и рассмотрим в этой статье.

Особенности винтовых насосов

У объёмных насосов есть немало положительных качеств: большая высота всасывания; способность нагнетать высокое давление; перекачка жидкости, практически не сопровождающаяся перемешиванием. Такие насосы имеют компактные размеры, у них не слишком много движущихся частей и нет клапанов, что упрощает их изготовление и процесс эксплуатации.

Основными элементами роторных насосов являются:

1. Ротор (он же винт) — вращающийся орган, приводимый в действие электромотором.
2. Статор — орган с приёмной и нагнетательной полостями, постоянно находящийся в неподвижности.
3. Отсекатель. Это рабочая часть камеры, своеобразно дозирующая объём жидкости при нагнетании.

Достоинством винтовых насосов является то, что они объединяют в себе отличную всасывающую способность поршневых конструкций (разновидность роторных насосов), и плавную безударную работу, как у центробежных. По этой причине им приходится выполнять наиболее сложную для насосного оборудования задачу — обеспечение стабильно высокого напора при перекачке вязких жидкостей.

Разновидности

Винтовой насос может иметь не один вращающийся орган, а бывает ещё и многовинтовым. В этом случае, кроме ведущего винта есть ещё и ведомые, сопрягающиеся между собой спиральным зацеплением.

• Начиная вращаться, ведущий винт приводит в действие и ведомый, что даёт возможность создавать на выходе более высокое давление. Соответственно, у многовинтовых насосов наибольший коэффициент полезного действия, хотя в производственных целях чаще используют одновинтовые агрегаты.
• В целом, одновинтовые модели можно разделить на насосы с высокой производительностью, пригодные для перекачки жидкостей в больших объёмах, и насосы винтовые шнековые, используемые для обслуживания мобильной тары (бочек, еврокубов, конусных емкостей). Основное их различие заключается в назначении.
• Шнековые насосы имеют рабочую часть тонкого диаметра, позволяющую установить насос с погружением в жидкость через заливное отверстие тары, тогда как роторные не погружаются. Но конструкция у них схожая, обе модификации являются самовсасывающими, и одинаково хорошо приспособлены для перекачки вязких жидкостей.

Конструкция и принцип действия винтового насоса

Каким бы ни был винтовой насос, он всегда имеет две части: первая подвижная состоит из мотора и редуктора, и вторая статическая, внутри которой и обеспечивается перемещение жидкости при заданном напоре и в определённом количестве.

• В качестве электрического привода в винтовых насосах чаще всего используют асинхронные моторы закрытого типа, мощность которых, в зависимости от масштаба агрегата, может достигать 20 кВт при частоте оборотов 1500 в минуту. Пневматические двигатели, работающие на сжатом воздухе, ставят только на ручные бочковые насосы.

Обратите внимание: Большинство современных производителей предлагают электрические двигатели, оснащённые частотным преобразователем. Это небольшой встроенный или подключаемый прибор предупреждает возникновение скачков напряжения и токовых перегрузок, защищает двигатель от холостого хода, контролирует количество включений и выключений, инициируемых датчиком давления.

• Кроме того, винтовой насос обязательно оснащается редуктором, снижающим число оборотов при передаче энергии от двигателя к механической части. При этом повышается крутящий момент, что очень важно при перекачке масс высокой плотности и вязкости, а иногда даже меняется и направление вращения вала мотора.
• Редуктор, состоящий из последовательно зацепленных друг с другом колёс, имеет переменный размер. Со стороны двигателя диаметр лопасти всегда меньше. Увеличиваясь в диаметре ближе к насосной части, редуктор и обеспечивает наибольший крутящий момент при сниженной угловой скорости.
• Основной характеристикой винтового насоса является, так называемое, передаточное отношение. Оно показывает, во сколько раз уменьшились обороты двигателя, и вырос крутящий момент.
• Чем выше цифра передаточного отношения, тем более вязкую и плотную массу насос сможет перекачивать. Производители предлагают редукторные насосы с различным передаточным отношением, что даёт возможность подобрать модель для выполнения самых разных задач.
• Подбирать агрегат необходимо так, чтобы его мотор при перемещении вязкой жидкости из ёмкости в рабочую камеру, не перегружался. Но если учесть, что жидкость нужно ещё транспортировать на определённое расстояние, важно правильно рассчитать и необходимую мощность двигателя.

Примечание: Сама по себе мощность мотора не определяет величину напора насоса — здесь наибольшее значение имеет конструкционная особенность статической части.

Механическая часть насоса

В статической части винтовой насос имеет такое устройство. Между ротором насоса и валом двигателя есть переходной вал с шарнирами на концах, за счёт которого они взаимодействуют. Именно он является связующим звеном, через которое крутящий момент передаётся от двигателя к винту насоса.

• Чтобы шарниры не контактировали с перекачиваемой средой, механизмы помещены в герметичные кожухи. Сам вал находится внутри корпуса насоса, имеющего цилиндрическую форму. С одной стороны он через фланцы соединён со статором, а с другой — с подшипниковым механизмом.
• В верхней части корпуса насоса располагается напорный патрубок с фланцевым или резьбовым соединением. Чаще всего он подающий, но если перекачка жидкости предусмотрена по принципу реверса, патрубок наверху корпуса может быть и всасывающим.
• В конструкциях некоторых горизонтальных промышленных насосов может быть предусмотрен байпас — перепускной канал для обхода основной линии, позволяющий регулировать напор потока. Например, при наличии электромагнитного клапана, в момент его перекрытия двигатель насоса может не выключаться, а продолжать спокойно работать.

Благодаря байпасу жидкость перекачивается по кругу, подаваясь из напорного участка обратно во всасывающий патрубок. Тем самым, до момента включения в работу клапана, на напорном участке насоса поддерживается нормальное давление.

Шнековая конструкция винтового насоса

Если перекачиваемая жидкость настолько вязкая, что имеет нетекучую пастообразную консистенцию, вместо патрубка может быть установлен воронкообразный загрузочный бункер. В этом случае, карданный (передаточный) вал внутри корпуса заменяется транспортировочным шнеком — отсюда и название таких насосов «шнековые».

• Шнек тоже крепится на шарнирах, но кроме передачи крутящего момента он ещё перемещает продукт от загрузочного бункера к героторной (шнековой) паре. Так называют наиболее важный узел винтового насоса, состоящий из неподвижного гильзообразного статора и спиралевидного вращающегося ротора.
• Гильза обычно стальная, равномерно защищена изнутри слоем эластомера. Слои неразделимо соединены между собой методом вулканизации. Ротор (червяк) имеет спиральную форму, изготовлен из высокопрочного металлического сплава, и является цельной деталью.

• Во время работы насоса спираль постоянно контактирует с обоймой за счёт циклоидального зацепления. Шнековая пара крепится к корпусу насоса фланцами, и тоже оснащается подающим или всасывающим патрубком. На торце, со стороны привода насоса, имеется механическое уплотнение, располагающееся между шарниром шнека и подшипниковым корпусом.

Примечание: Корпус подшипников — это узел из пары радиально-упорных подшипников, установленных на переходном валу. С одной стороны он соединён с редуктором, зацепляясь шлицами или шпонкой, а с другой через шарнир контактирует с валом насоса.

Из чего делают детали винтовых насосов

Различные части насоса подвергаются неодинаковым нагрузкам, поэтому для их изготовления подбираются такие материалы, которые обеспечат не только длительный срок службы, но и адекватную стоимость. Хотя, многое зависит и от назначения насоса.

Если он предназначен для пищевой промышленности, корпус, который контактирует с перекачиваемым продуктом, выполняется из нержавеющей стали (низкоуглеродистой аустенитной). В остальных случаях корпуса изготавливают из ковкого чугуна с графитовыми добавками, который обеспечивает корпусу не только коррозионную стойкость, но и благодаря своей пластичности, исключает появление трещин.

Для изготовления внутренней части статора обычно используют синтетические эластомеры и полимеры: бутадиен-нитрильный или этилен-пропиленовый каучук, фторопласт PTFE. Эти материалы обладают высокой химической устойчивостью, легко адаптируются как к высоким, так и к низким температурам и не боятся их перепада. Вращающиеся детали: ротор и карданный вал, а так же защитный кожух для шарнирных соединений обычно выполняются из нержавеющей стали.

Область применения винтовых насосов — заключение

Так как винтовые насосы приспособлены для перекачки вязких масс, их применяют в самых разных сферах промышленности.

• Наибольшее применение они нашли в пищепроме, так как здесь плотные и вязкие субстанции встречаются чаще всего. Это сливочные и растительные масла, кисломолочные продукты, сгущённое молоко, мёд, варенья и джемы, шоколад, майонезы, томаты и многое другое.
• В виноделии с помощью винтовых насосов перекачивают ягоды винограда. В косметической промышленности тоже много вязких продуктов: кремы, помады, шампуни, краски для волос.
• Огромное значение данный вид насосов имеет для нефтяной промышленности, где приходится перекачивать и саму нефть, и её производные в виде мазута или битума.
• В химической промышленности винтовыми насосами перекачивают краски, масла, чернила, моющие средства. Они находят применение и в целлюлозно-бумажной промышленности, где необходимо перекачивать размоченную в воде целлюлозу, флоакулянты и красители.
• На городских очистных сооружениях с помощью такого оборудования могут перекачиваться шламы, известковое молоко, ил, химреагенты для очистки воды.

В бытовых канализационных системах оборудование такого типа не применяют — разве что, винтовой скважинный насос может быть использован при промывке ствола или очистке заилившегося колодца.