Винтовой насос: техническое описание и принцип работы

Винтовой насос принцип работы

Винтовой насос — это насос объемного типа, механическая составляющая которого состоит:

1. из неподвижных частей – статора и корпуса насоса,
2. из подвижной части в виде узла, вращающегося внутри корпуса насоса, состоящего из ротора, соединительной тяги, направляющего вала и других соединительных деталей.

Статор представляет собой внутреннюю двузаходную спираль, состоит из металлической гильзы и соединенного с ней эластомерного материала. Ротор имеет форму внешней спирали и, как правило, изготавливается из высокопрочной стали.

Функционирует насосный агрегат за счет движения винта (ротора) – при его вращении между винтом (ротором) и обоймой (статором) образовываются полости (или рабочие камеры подачи насоса), которые передвигают перекачиваемую среду в сторону выхода насоса.

Винтовые насосы применяют для перекачивания вязких жидкостей. Они производительны и обеспечивают высокий напор.

Далее в статье более подробно рассматривается устройство всех частей и деталей винтового насоса, а также описание работы винтового насоса.

Устройство винтового насоса

Одновинтовые насосы условно можно разделить на насосы высокой производительности для перекачивания больших объемов продукта и шнековых насосов для бочек и других емкостей. Основное различие между этими двумя видами в их предназначении. Первые имеют массивную конструкцию и предназначены для перекачивания большого объема жидкости при этом, не погружаясь ни одной из своих частей в емкость. Вторые, наоборот, имеют в своей конструкции погружную часть определенного диаметра, которую можно установить в заливное отверстие бочки. Тем не менее, данные насосы имеют схожую конструкцию, являются самовсасывающими и способны перекачивать вязкие жидкости.

Любой винтовой насос условно можно разделить на две части. Первая часть приводит в движение рабочий орган насоса, и, заставляет тем самым насос перекачивать жидкость. В нее входит двигатель и редуктор. Вторая – механическая часть насоса, благодаря которой и происходит перекачивание жидкости с определенной производительностью и напором.

Двигатель винтового насоса

В качестве привода винтового насоса, чаще всего, используются асинхронные электрические двигатели закрытого типа. Мощность электродвигателя может достигать 15-20 кВт, а частота вращения вала варьируется от 300 до 1500 оборотов в минуту. Многие производители винтовых насосов могут предложить насос с электродвигателем, который оснащен частотным преобразователем. В случае если частотный преобразователь стандартного образца, то он, как правило, крепится на вертикальной части тележки, на которой находится сам винтовой насос. Это сделано для тех случаев, когда одним насосом необходимо перекачивать жидкость с разных емкостей. В случае когда нет необходимости в передвижении насоса его устанавливают стационарно и в таком случае используют частотные преобразователи с беспроводным блоком управления. Кроме электрических двигателей на винтовых насосах устанавливают пневматические двигатели, работающие от сжатого воздуха. Они, как правило, встречаются у бочковых вертикальных насосов и по своей конструкции напоминают пневмодвигатели центробежных бочковых насосов.

Редуктор винтового насоса

Как правило, все винтовые насосы в своей конструкции оснащены понижающими редукторами. Редуктор является связующим звеном между двигателем и механической частью. Он служит для изменения числа оборотов приходящих от электродвигателя к самому насосу. Понижающий редуктор уменьшает количество оборотов и увеличивает крутящий момент. Иногда встречаются редукторы, которые могут изменять направление вращения вала электродвигателя. Величина крутящего момента очень важна, когда перекачиваемая жидкость имеет большую вязкость и плотность. Конструктивно редуктор состоит из нескольких зубчатых колес, которые находятся в последовательном зацеплении друг с другом, при том, что диаметр колеса со стороны электродвигателя всегда меньше, чем диаметр колеса со стороны насосной части. Именно поэтому редуктор на выходе всегда имеет крутящий момент больше, а угловую скорость ниже.

Мотор-редуктор винтового насоса

Вместе электродвигатель и редуктор называют мотор-редуктором. Наиболее важной характеристикой в данном случае является передаточное отношение. Она показывает, во сколько раз вырос крутящий момент и во сколько раз уменьшились обороты передаваемые электродвигателем. Производители винтовых насосов предлагают мотор-редукторы с различным передаточным отношением, которые подходят практически под любую задачу. При подборе мотор-редуктора следует придерживаться следующего правила: чем вязкость и плотность перекачиваемого продукта выше, тем выше должно быть передаточное отношение, ведь именно в этом случае будет высокий крутящий момент и ниже угловая скорость рабочего органа насоса. Насос сможет забрать вязкую жидкость из емкости в рабочую камеру, не перегружая электродвигатель. Тут также не менее важна мощность самого электродвигателя, ведь жидкость еще нужно подать на расстояние. Впрочем, необходимый напор насоса определяет не только мощность электродвигателя, а также конструктивные особенности механической части.

Механическая часть винтового насоса

Основными составляющими механической части винтового насоса можно считать ротор, статор, вход/выход насоса с резьбовым соединением, корпус подшипников, механическое уплотнение и карданное соединение. Все эти детали последовательно соединены друг с другом и находятся внутри специальных опор.

Карданный вал винтового насоса

Карданный вал, его еще называют «тяга», с обоих концов имеет шарниры. Один шарнир, через переходной вал, соединяет «тягу» с мотор-редуктором, второй шарнир — с ротором насоса. Карданный вал является связующим звеном по передаче крутящего момента от двигателя к ротору. Кроме этого, так как карданный вал имеет шарнирное соединение, то крутящий момент может передаваться под углом относительно оси вала электродвигателя. Чтобы механизм шарниров не контактировал с перекачиваемой жидкостью во время работы насоса, они помещены в специальные герметичные кожухи выполненные из того же материала что и «тяга».

Корпус винтового насоса

Карданный вал находится внутри цилиндра, который является корпусом насоса. Корпус фланцами соединен, с одной стороны, со статором насоса, а с другой стороны с подшипниковым корпусом.

Патрубок винтового насоса

Сверху корпуса насоса располагается напорный патрубок, который может иметь резьбовое или фланцевое соединение. Поскольку винтовые насосы могут перекачивать жидкость реверсивно, то этот патрубок вполне может быть не подающим, а всасывающим. Кроме этого патрубок насоса бывает в виде загрузочной воронки (бункера).

Бункер винтового насоса

Загрузочные воронки (или бункер) применяют, когда перекачиваемый продукт имеет большую вязкость, пастообразен, не обладает свойствами текучести. В этих случаях карданный вал заменяют вспомогательным транспортировочным (питательным) шнеком, который также имеет шарнирное соединение. Вспомогательный шнек кроме передачи крутящего момента перемещает продукт, загружаемый в воронку к героторной паре.

Героторная пара винтового насоса

Героторная пара – это важнейший узел винтового насоса, который состоит из подвижной части – ротора и неподвижной части – статора. Статор, как уже было описано выше,  – это стальная гильза во внутренней части, имеющая спиралевидный равномерный эластомерный слой, получаемый в результате процесса вулканизации. Металл корпуса статора и внутренний эластомерный слой нераздельно соединены друг с другом.

В зависимости от назначения героторной пары, статор может быть изготовлен из различных материалов. В винтовом насосе статор иногда называют обоймой и гильзой, а ротор – винтом, шнеком, червяком. Отсюда и другие встречающиеся названия винтовых насосов – шнековые насосы, героторные насосы, червячные насосы, эксцентриковые насосы.

Ротор – это винт, который совершает вращательное движение внутри статора. Ротор это цельная деталь, но ее условно можно разделить на две части. Первая часть это головка крепления ротора к карданному валу. Вторая – это сам тело ротора имеющее форму спирали и во время работы насоса находящийся в постоянном контакте с обоймой.

Статор и ротор – это пара трения имеющая внутреннее циклоидальное зацепление. Героторная пара винтового насоса, крепится фланцами к корпусу насоса. На конце, в зависимости от направления вращения ротора, имеет всасывающий или подающий патрубок.

Торцевое механическое уплотнение

Для герметизации привода конструкцией предусмотрены торцевые механические уплотнения для насосов. Оно находится между шарниром «тяги» и корпусом подшипников.

Подшипниковый корпус насоса

Подшипниковый корпус – это узел, состоящий из двух радиально-упорных подшипников и переходного вала, который, с одной стороны, соединен с мотор-редуктором с помощью шпонки или шлицев, а с другой стороны шарнирно с карданным валом.

Байпас для насоса

Горизотальный винтовой насос конструктивно может быть с байпасом. Данная модификация насоса используется, когда в напорной линии дополнительно установлено устройство регулирования потока (например электромагнитный клапан). Байпас позволяет не отключать каждый раз двигатель насоса, когда клапан в линии подачи перекрывается. При перекрытии клапана насос продолжает работать и перекачивает жидкость по кругу из напорного патрубка обратно во всасывающий, тем самым позволяя избежать превышения давления на участке от насоса до клапана.

Геометрия героторных пар

Производительность винтового насоса зависит от объема замкнутых полостей героторной пары и числа оборотов мотор-редуктора, а создаваемый насосом напор от числа замкнутых полостей на единицу длины героторной пары и мощности электродвигателя. Так как характеристики винтового насоса, во многом, зависят от геометрии героторных пар, рассмотрим этот вопрос подробнее.

Есть несколько конструктивных геометрических факторов, непосредственно влияющих на выходные характеристики винтового насоса, а также на ограничения возможности их использования. Такими факторами можно считать: количество замкнутых полостей героторной пары, диаметр поперечного сечения ротора (и статора соответственно), объем замкнутых полостей между ротором и статором.

При равной длине героторной пары возможны различные модификации по количеству замкнутых полостей. Для примера рассмотрим два варианта исполнения винтовой пары при одинаковом диаметре и равной длине.

Вариант с большим количеством замкнутых объемов обладает плавной подачей продукта из-за относительно низкой скорости потока при увеличенном значении напора, а также высокой всасывающей способностью. Кроме этого из-за увеличенной площади входного сечения возможно перекачивание частиц большего размера. Также стоит отметить, что такая конструкция героторной пары максимально исключает возможность утечку жидкости из нее после останова насоса.

Преимуществом конструкции с меньшим количеством замкнутых объемов является высокая производительность. Это связано с тем, что объем каждой конкретной полости, в данном случае, больше, чем в первом варианте. Данная конструкция имеет высокие объемные характеристики при длительном межремонтном периоде благодаря длинной линии контакта между ротором и статором.

Поэтому при конструировании и подборе винтового насоса под ту или иную задачу потребителя, в первую очередь необходимо руководствоваться геометрией героторной пары и характеристиками мотор-редуктора.

Работа винтового насоса

Насос подключается к электрической цепи или пневматической линии. При включении насоса вал электродвигателя начинает вращение с определенным количеством оборотов в минуту. Вращение вала электродвигателя через муфтовое соединение передается на вал редуктора. Зубчатые колеса редуктора, находящиеся в последовательном зацеплении, снижают количество оборотов на выходе из редуктора и увеличивают крутящий момент. Через переходной вал, находящийся в подшипниковом узле, угловая скорость мотор-редуктора передается на карданный вал или транспортировочный шнек, который в свою очередь через шарнирное соединение приводит в движение ротор насоса.

Рассмотрим вариант работы винтового насоса, где патрубок со стороны героторной пары является всасывающим, а патрубок со стороны корпуса насоса – напорным. Направление вращения подвижных частей насоса происходит соответствующее данной схеме (справа — налево или против часовой стрелки, если смотреть на торец ротора со стороны всасывания жидкости). Винт вращается в статоре. Так как центр вращения ротора смещен относительно центральной оси статора на величину эксцентриситета, а эластомерный слой статора имеет спиралевидную форму, со стороны входа жидкости в насос образуется полость разряжения. Жидкость всасывается в это пространство. Ротор делает поворот на 90 градусов и данная полость с находящейся в ней жидкостью герметично замыкается в то время как сама жидкость получает перемещение внутри статора героторной пары. При повороте статора на 90 градусов, кроме замыкания полости с жидкостью, образуется новая разряженная полость, в которую поступает определенный объем жидкости.

При каждом следующем повороте винта в героторную пару поступает новая порция жидкости, а поступившая ранее жидкость получает все большее и большее перемещение. Так как тело ротора также имеет спиралевидную форму по всей своей длине, то в сопряжении со статором оно образует несколько замкнутых объемов. Именно по этим объемам и перемещается жидкость при вращении ротора, удаляясь от точки всасывания, а так как эти полости герметичны перекачиваемая жидкость не может перетекать обратно — к всасывающей стороне. Далее перекачиваемая жидкость под давлением поступает из героторной пары в корпус насоса и выходит из насоса через напорный патрубок. В том случае, если подвижные части насоса вращаются по часовой стрелке, то патрубок корпуса насоса является всасывающим, а патрубок героторной пары – нагнетательным.