Высокоэффективные винтовые насосы.
На самом раннем этапе своего развития человек пытался механизировать способы подъема воды для более быстрого и эффективного орошения, поэтому первые насосы появились еще в глубокой древности. Сейчас разнообразное насосное оборудование помогает решать множество задач и проблем, возникающих в промышленности, сельском хозяйстве и строительстве. Без него современная жизнь практически невозможна. Достаточно отметить, что насосы потребляют около 20% всей вырабатываемой в мире электроэнергии. При выборе наиболее подходящего типа насоса из всего многообразия предлагаемых вариантов большое внимание уделяется его эффективности и совместимости с характеристиками рабочего процесса.
Все насосы, предназначенные для перекачивания жидких сред, можно подразделить на два вида в зависимости от характера воздействия его рабочих органов на жидкость: динамические насосы, к которым относятся центробежные, осевые, вихревые, шнековые и струйные, и объемные, включающие такие разновидности как поршневые, винтовые, шестеренные и др. При сравнении центробежных и винтовых насосов, двух самых характерных представителей этих групп, становится очевидным, что первые заметно уступают вторым по эффективности. КПД винтовых насосов остается на 36% больше, чем центробежных, при этом потребляемая мощность сокращается на 120 кВт, что позволяет существенно снизить затраты на электроэнергию.
Во всем мире из нефтяных скважин на поверхность поднимают около 3 млрд куб. м нефти и конденсата в год. Затраты на их эксплуатацию составляют одну из основных статей расхода в высокоразвитых странах. Этим объясняется большая заинтересованность нефтедобывающих предприятий в поиске самых эффективных способов эксплуатации скважин. Одним из возможных решений этой проблемы является использование винтовых насосов Colfax, прекрасно справляющихся с задачами перекачки маслянистых вязких жидкостей с высоким содержанием песка, газа и воды и обеспечивающих высокую эффективность технологического процесса.
Высокая производительность, простота эксплуатации и технического обслуживания, способность перекачки жидкостей с различным уровнем вязкости, коррозионная стойкость предопределили широкое их распространение.
В предыдущем номере мы постарались осветить области применения и принцип работы двухвинтовых насосов, и сейчас остановимся на следующей разновидности этого класса - трехвинтовых насосах Colfax/Allweiler, Imo. Они отличаются наибольшей производительностью, однако мало подходят для работы с агрессивными жидкостями и оборудованием с низким давлением на входе, оставляя эти задачи в компетенции двухвинтовых насосов.
Трехвинтовые насосы Colfax/Allweiler, Imo. Области применения
.
Среди всех видов винтовых насосов трехвинтовые получили самое широкое распространение в промышленности. Наиболее часто они используются в гидравлических подъемниках, при подаче мазута к форсункам, в системах смазки машинного оборудования, в качестве гидравлических компонентов силового привода, а также на нефтеперерабатывающих заводах для перекачки горячих вязких жидкостей - битума, гудрона и мазутного топлива.
Кроме того, трехвинтовые насосы Colfax находят широкое применение в трубопроводных системах перекачки сырой нефти, в системах заполнения барж и кораблей, в качестве насосов подачи топлива в камеру сгорания газотурбинных двигателей.
Современные трехвинтовые насосы Colfax могут создавать давление нагнетания жидкости более 310 бар при расходе 750 куб. м/ч. Они очень надежны в эксплуатации и обладают чрезвычайно высоким КПД. Благодаря последним разработкам, в производстве появились герметичные бессальниковые насосы с электромагнитными приводами. Они позволяют производителям существенно сократить объемы вредных выбросов и не выходить за предельно допустимые нормы, установленные законодательством.
Трехвинтовые насосы Colfax неприхотливы в эксплуатации, они отличаются высокими показателями надежности и длительным сроком службы, а также обеспечивают низкий уровень шума и удобный доступ ко всем элементам конструкции для ремонта (фото).
Устройство и принцип действия
Трехвинтовые насосы Colfax проектируются в двух основных конфигурациях: одностороннего и двухстороннего всасывания. Насосы первого типа используются при низком или среднем расходе жидкости, но могут развивать любой напор. Второй вид, представляющий собой два параллельных насоса в одном корпусе, предназначен для относительно большого расхода жидкости при напоре не выше средних показателей.
Конструкция трехвинтовых насосов Colfax предусматривает только одно механическое уплотнение вала, на котором установлены один или два подшипника, удерживающие вал. Осевые и радиальные гидравлические силы направлены навстречу друг к другу и взаимно компенсируются, обеспечивая внутренний гидравлический баланс, благодаря чему нагрузка на подшипник сводится к минимуму.
Все насосы этого типа, за исключением самых маленьких моделей, не способных развивать большой напор, оснащены сменными втулками, в которых вращаются винты. Мелкие и капитальные ремонтные работы уплотнений и подшипников, а также всех частей, подверженных износу, могут быть оперативно проведены на месте без остановки технологического процесса.
Центральный ведущий винт берет на себя всю нагрузку по перекачке жидкости. Два других ведомых винта совместно с центральным приводом образуют отделенные друг от друга полости между нарезками и обоймой, в которые поступает жидкость. Это обеспечивает постепенное нарастание давления. Однако полости изолированы друг от друга не полностью - между роторами предусмотрены зазоры, через которые происходят утечки. Поскольку весь процесс подачи жидкости обеспечивается работой центрального винта, крутящий момент, передаваемый на ведомые роторы, расходуется только на преодоление вязкой среды при передвижении жидкости в канале.
Форма винтов, находящихся под воздействием гидравлических сил, влияет на величину напора, развиваемого насосом. Заданную форму винтам придают обработкой на 5-координатном станке с ЧПУ, которая обеспечивает трехмерное управление и высокую точность изготовления. Силы от воздействия внешних диаметров ведомых роторов на внутренний диаметр главного ротора направлены навстречу друг к другу, поэтому данные участки необходимо подвергнуть термообработке, чтобы в процессе работы они могли выдержать циклическое нагружение. В дальнейшем профили винтов подвергаются дополнительной термообработке до твердости 58 HRc, благодаря чему задачами, где требуется сохранять низкую скорость процесса перекачки, например при большом расходе и степени вязкости среды или в случае, если на входе допускается только малое давление.
Высокая скорость работы насоса необходима при подаче маловязких жидкостей. Во время перемещения таких сред на участках ведомых винтов, подверженных нагрузкам, образуется гидродинамическая пленка жидкости, оказывающая сопротивление радиальным гидравлическим силам. По такой же схеме работают и гидродинамические подшипники скольжения, применяемые в турбостроении.
В некоторых случаях трехвинтовые насосы должны перекачивать жидкость под давлением 310 бар, вследствие чего различные части насоса испытывают на себе влияние больших нагрузок. Благодаря гидравлическому балансу создается равновесие воздействующих сил в двух плоскостях, что сводит к минимуму нагрузки на подшипники и обеспечивает оборудованию больший срок службы.
Для достижения гидравлического баланса осевых сил в насосах одностороннего типа используют прием компенсатора, который может подаваться в двух местах. В первом случае на центральном винте, с нагнетательной стороны винтовой нарезки устанавливается уравновешивающий поршень (фото). Диаметр поршня подбирается в соответствии с диаметром нарезки ведущего винта, воспринимающей давление нагнетания. В результате противодействующие i силы взаимно уравновешивают друг друга, что позволяет насосу работать в режиме баланса сил. Уравновешивающий поршень вращается в неподвижной втулке, в которой предусматривается небольшой зазор. Втулка изготавливается из прочных металлов и имеет покрытие, защищающее от эрозии. Ведущая сторона вала внутренне или внешне присоединяется к входному каналу насоса. При этом механическое уплотнение, воспринимающее номинальное давление на входе насоса, очищается от загрязняющих частиц благодаря утечкам через рабочий зазор.
Во втором случае выходное давление концентрируется на нагнетательных сторонах ведомых винтов. С помощью различных приспособлений оно подается к небольшим разгрузочным полостям на входе ведомых роторов (фото). Таким образом, создается противодавление, уравновешивающее осевые силы в насосе и обеспечивающее осевой баланс. Эффективное пространство лишь немного уступает площади выхода, поэтому встречные осевые силы, воздействующие на ведомые винты, приблизительно равны. Вследствие этого дополнительные винты работают на сжатие. Если под воздействием какой-либо силы они передвигаются к области разгрузки, то снижение давления на область уплотнительного кольца и заплечика или гидростатической площади контакта возвращает их в исходное положение.
Для гидростатических торцовых поверхностей ведомых роторов предусматривается специальная защита от коррозии, возникающей при перекачивании загрязненных жидкостей. Для придания большей прочности их подвергают процессу азотирования либо изготавливают из стойкого к коррозии карбида вольфрама. Затем их подбирают к размеру входа ведомых винтов, при этом обязательно остается запас на деформацию. Втулка по внутреннему диаметру и область заплечика также укрепляются азотированием. Оба технологических приема предназначены для повышения износостойкости деталей от мельчайших частиц абразивных примесей.
В трехвинтовых насосах Colfax благодаря симметричному расположению винтов нагрузки на центральный ротор сбалансированы в радиальном направлении. Внутри каждого витка давление распространяется равномерно, и радиальные силы перестают действовать, поскольку все участки воспринимают одинаковую нагрузку. На ведущем винте, как правило, устанавливается шариковый подшипник, чтобы сократить осевой зазор и обеспечить бесперебойную работу торцевого уплотнения, однако нагрузки на него несущественны.
Радиальный баланс ведомых винтов достигается благодаря образованию гидродинамической жидкостной пленки, выполняющей функцию подшипников. Отклонение ведомых винтов от соосности приводит к тому, что жидкость перетекает в сужающийся зазор и образуется заторможенный слой. Он оказывает давление на внешние диаметры винтов в направлении, противоположном радиальной гидравлической нагрузке.
Чем выше вязкость, тем больше толщина пограничного слоя и тем больший перепад давления может держать зазор. Благодаря пленке ведомые роторы удерживаются в положении в отверстиях корпуса, что снимает необходимость в системе подшипников. Если перепад давления увеличивается, то винты перемещаются радиально к стенкам окружающих отверстий.
Большее отклонение от несоосности приводит к увеличению давления на пограничный слой и сохраняет радиальный баланс ведомых винтов. Когда давление на входе очень высоко, например, на промежуточных усилительных станциях в системах трубопровода нефти, используются специальные технологии обеспечения баланса, например изменение площади уравновешивающего поршня. Они позволяют свести радиальные силы к минимальному значению.
При всей своей универсальности и гибкости в применении трехвинтовые насосы могут использоваться все же не во всех случаях. Так, они сильно подвержены коррозийному износу, несмотря на то, что изготавливаются из самых прочных на сегодняшний день материалов, таких как никелевая сталь. Здесь им на помощь приходят двухвинтовые насосы Colfax/ Warren, Houttuin, которые прекрасно справляются с задачей перемещения агрессивных жидкостей и также обеспечивают высокую производительность.
В дополнение к названным выше преимуществам винтовые насосы Colfax обладают и целым рядом других достоинств. Они обеспечивают пропорциональную подачу жидкости, неизменность продукта в процессе перемещения, ровный поток на выходе и минимальный уровень шума. Кроме того, насосы позволяют изменять направление перекачки, обладают простой конструкцией и не загрязняют окружающую среду. Благодаря своей эффективности и неприхотливости в эксплуатации винтовые насосы Colfax незаменимы для решения многих промышленных задач.
С 2002 года эксклюзивным поставщиком винтовых насосов и всех других типов насосного оборудования Colfax Corporation / ALLWEILER (Германия), HOUTTUIN (Голландия), IMO (США), WARREN (США) предприятиям нефтегазового, химического, энергетического комплексов России и стран СНГ является Группа компаний АЛЛЬРУС.
С.П. Субботин, А.В. Мурашкин, П.В. Кислейко – ЗАО «Гидродинамика»
Актуальная информация про насосы на сайте компании Энергодрайв: каталог промышленного насосного оборудования с фото и популярные вопросы про продукцию.
