Шнековый насос, или как его ещё называют - винтовой, является одной из разновидностей роторно-зубчатых насосов. Напор нагнетаемой жидкости в нём создаётся за счёт её вытеснения вращающимися внутри статора одним или несколькими винтовыми металлическими роторами.

Шнековый насос можно легко получить из шестерённых, если увеличить в них угол наклона зубьев и уменьшить число зубьев шестерён.

Принцип работы шнекового насоса

За счёт перемещения жидкости между поверхностью корпуса и винтовыми канавками вдоль оси винта происходит её перекачивание. Винты входят своими выступами в канавки смежного винта и тем самым не дают жидкости перемещаться назад.

Область применения шнекового насоса

Его используют для перекачивания пара, газа, их смесей и жидкостей различной степени вязкости.

Впервые шнековые насосы были внедрены в производство в 1936 году. Их простая конструкция позволяет работать, в том числе и при наличии механических примесей с вязкими флюидами при давлении до 30 МПа. Подобные характеристики важны при решении различных практических задач.

Установки винтовых насосов в больших количествах используются в скважинах по добыче метана из угольных пластов для откачивания оттуда воды. Они также пригодны для добычи воды, нефти и использования в других газовых скважинах.

Конструктивные особенности шнековых насосов

С целью повышения качества уплотнений и снижения числа утечек в шнековых насосах применяются конический или цилиндрический эластичные корпуса. Конический винт надёжно прижимается пружиной и давлением от перекачиваемой жидкости, что значительно сокращает утечки. Однако, насосы с эластичным корпусом выдерживают куда меньшее давление, чем их аналоги с металлическими корпусами. Для насоса с коническим винтом подойдёт и жёсткий корпус.

Наиболее распространённый вид шнековых насосов - трёхвинтовые насосы.

На практике они нашли наиболее широкое применение.

К их характерным преимуществам относятся:

• равномерная подача жидкости (газа, пара);
• способность перекачивать жидкости с твёрдыми включениями, не повреждая их;
• способность к самовсасыванию жидкостей;
• без множества каскадов нагнетания есть возможность получить высокое давление на выходе;
• низкий уровень шумов при работе;
• хорошая сбалансированность механизма.

Недостатками данного вида являются:

• высокая стоимость и степень сложности изготовления насоса;
• невозможность отрегулировать рабочий объём;
• недопустимость использования вхолостую (без перекачиваемой жидкости).

Принцип действия, который имеют насосы винтовые

Современные насосы винтовые по принципу действия относятся к объемным роторным гидромашинам. Рабочие органы представляют собой винтовую пару с внутренним зацеплением. Подвижный элемент рабочей пары, винт (ротор), совершает планетарное движение в обойме (статоре).

Обойма имеет внутреннюю винтовую поверхность с шагом в два раза больше шага винта. Находясь в постоянном контакте, обойма и винт образуют несколько замкнутых полостей по длине винт - обойма. При вращении винта полость со стороны всасывания увеличивается в объеме и в ней создается разряжение, под действием которого осуществляется заполнение полости транспортируемой средой. Дальнейшее вращение винта перемещает отсеченные объемы транспортируемой среды в сторону нагнетания.

При установленной частоте вращения винта скорость движения транспортируемой среды и производительность, которую имеют насосы винтовые в процессе работы, постоянна, т.к. неизменно проходное сечение винтом и обоймой.

Винтовые (шнековые) насосы являются насосами объемного типа действия, конструкция которых позволяет создавать стабильное давление и допускают регулировку производительности без потери номинального давления. Винтовые насосы имеют длительный срок эксплуатации, высокий КПД, надежны и универсальны при работе с широким спектром задач.

Винтовой шнековый насос представляет собой устройство, в котором напор нагнетательного материала создается благодаря вытеснению перекачиваемой жидкости одним либо несколькими винтовыми металлическими роторами, которые вращаются внутри статора, выполненного из эластомера в соответствующей форме.

Производство винтовых (шнековых) насосов требует точного изготовления деталей, таких как рабочая пара - ротор и статор, при разработке и изготовлении которых используется специальное высокоточное оборудование. Компьютерный расчет с использованием специальных программ - гарантия высокого качества, которое увеличивает срок работы оборудования и снижает энергозатраты при работе насоса.

Винтовые насосы используются для работы как с густыми, вязкими и тягучими массами, так и при перекачке низковязких продуктов. В зависимости от конструкции насоса и его материального исполнения, возможно перекачивать смолы, пасты, масла, пищевые продукты, абразивные или даже агрессивные жидкости так, чтобы частицы, входящие в их состав, не дробились и не разрушались, смешиваясь с базовой жидкостью.

Винтовые насосы предназначены для работы в пищевых производствах, горнорудной либо химической промышленности, переработки сточных вод в муниципальной и производственной сфере, нефтехимических производствах, откачки шламовых отложений, для работы в газо- и нефте- добыче, кораблестроении, везде где требуется надежное и простое оборудование для постоянной работы, неприхотливое в эксплуатации и подлежащее простому обслуживанию и ремонту. Применения для данного типа насоса практически бесконечны, благодаря своей особой конструкции, применяемым материалам, техническим особенностям и особым рабочим механизмам.

Преимущества винтовых насосов

• Наиболее равномерная подача жидкости среди всех объемных насосов. Отсутствие пульсации;
• Перекачивание жидкостей с содержанием твердых веществ, примесей и абразивов, мультифазные среды с большим содержанием газа;
• Перекачивание продуктов с низкой и высокой вязкостью (1 мПа*с до 5 млн. мПа*с);
• Перекачивание агрессивных (рН от 1 до 14) и токсичных сред;
• Винтовые насосы являются самовсасывающими;
• Давление не зависит от скорости работы насоса (регулировка производительности);
• Бесшумная работа;
• Простота в обслуживании.

Винтовой насос - насос, в котором напор нагнетаемой жидкости достигается посредством вытеснения жидкости винтовыми роторами (одним или несколькими), совершающими обороты внутри статора соответствующей формы. По характеру воздействия рабочих органов, винтовые насосы относятся к объемным.

Винтовые насосы относятся к роторно-зубчатым и могут быть изготовлены из шестеренных насосов через сокращение числа и увеличение угла наклона зубьев шестерен.

Типы винтовых насосов. Одновинтовые, двухвинтовые, трехвинтовые.

Одновинтовые насосы – являются горизонтальным насосом объемного типа. Основные комплектующие таких насосов – статичная резиновая обойма, имеющая двухзаходную винтовую поверхность и однозаходный винт, изготовленный из металла, совершающий вращательные движения в обойме. Во время вращения, между винтом и поверхностью обоймы создаются полости, куда сначала засасывается перекачиваемая жидкость, а затем движется вдоль оси винта к полости нагнетания.

Двухвинтовые насосы – используются, в основном, при перекачивании морской, пресной и минеральной воды с примесью нефтепродуктов.

Двухвинтовые мазутные насосы – используются, в основном, при перекачивании мазута и прочих вязких жидкостей. Данный тип насосов имеет одинарное торцевое уплотнение, рубашку обогрева, прочная часть изготовлена из конструкционной стали.

Трехвинтовые насосы – используются, в основном, при перекачивании неагрессивных жидкостей, которые имеют смазывающую способность и не содержат абразивные механические примеси. Минимальный показатель вязкости ограничен смазывающей способностью жидкости, максимальный – мощностью электродвигателя и всасывающей способностью насоса.

Отличия шнековых и винтовых насосов

В одну группу с винтовыми насосами, часто объединяют шнековые, благодаря тому, что оба типа насосов относятся к насосам вытесняющего действия. Однако, по характеру воздействия рабочих органов, шнековые насосы относятся к динамическим.

Основным компонентом шнекового насоса является героторная (винтовая) пара, которая определяет свойства насосного агрегата, а также обуславливает механизм его работы. Винтовая пара состоит из статичного элемента-статора и подвижной части – ротора. Статор является внутренней спиралью с числом заходов «m+1». Данный элемент сделан из эластомера и объединен с железной обоймой. Ротор является наружной спиралью с числом заходов «m». Данный элемент изготовлен из стали с дальнейшим покрытием или без него. Наиболее распространенной классической моделью являются насосы с двухзаходным статором и с однозаходным ротором.

Принцип действия шнекового насоса

Винтовые эксцентриковые шнековые насосы обладают множеством качеств, которые делают их незаменимыми при работе с неоднородными вязкими веществами, веществами с различными примесями, а также на тех участках, где просто невозможно использование других насосных установок вследствие разных подоснов. Данные насосы являются самовсасывающими и не требуют «заливки», другими словами, перекачиваемое вещество не является рабочим телом.

Шнековые эксцентриковые насосы могут перекачивать неоднородные вещества с различными примесями. Размер допустимых включений зависит от размера закрытых полостей между ротором и статором. Одному вращению ротора соответствует определенный размер перекаченного вещества, что позволяет осуществлять тонкую настройку агрегата. В насосах данного типа не случается пульсации или разрывов потока, не смотря на то, что они способны выдерживать любые производственные нагрузки при стойком давлении.

Основные узлы

Конструкция винтовых насосов включает такие элементы как: приводной мотор-редуктор, переходная стойка, пара статор-ротор, выходной напорный патрубок, камера, шарнир, уплотнительное устройство вала.

Основная рабочая часть винтовой насосной установки – винтовая пара. Внутри статора, изготовленного из эластомера находится металлический ротор винтообразной формы. Вращательные движения робота приводят к изменению объема полостей внутри пары и перекачиваемая жидкость перемещается вдоль оси насоса. Жидкость вытесняется, а изменение объема в полостях создает всасывающий эффект.

Принцип действия винтового насоса

Винтовой насос состоит из ротора (единственной движущейся детали, число заходов «m») и статора (внутренней спирали, число заходов «m+1»). Жидкость перекачивается путем перемещения вдоль оси винта, не имея возможности перемещаться назад благодаря замкнутому пространству, которое создают винты при вхождении винтовыми выступами в канавки смежного винта.

Температура

Тип статора насоса определяет максимальный уровень рабочей температуры жидкости.

Помимо этого, температура может определяться природой жидкости и условиями функционирования насосной установки.

Параметры забора жидкости

Винтовая насосная установка является самовсасывающей, в том числе, при небольших объемах подачи, а при работе с водой с такими показателями температуры как 20 °C, удельным весом 1 и уровнем вязкости 1°, создаваемый ею напор составляет 7 м водного столба.

Характеристики подачи

Винтовые насосы функционируют по объемному принципу с прямым вытеснением жидкости, что способствует постоянной, ровной и не подверженной резким колебаниям подачи потока вещества.

Допустимые для работы жидкости

Винтовые насосы имеют повышенный уровень химической и механической устойчивости благодаря тому, что статор выполнен из эластомерного материала. Данные насосы используются для перекачки любых жидкостей, обладающих аномальной (неньютоновской) вязкостью. Помимо этого, винтовые насосы способны перекачивать жидкости, содержащие твердые частицы (кроме абразивных) без ущерба для уровня производительности.

Пусконаладка и регулировка

В целях защиты статора насоса необходимо залить в насос жидкость для перекачки. После этого, необходимо проверить, что запорные клапаны входного и выходного патрубков насоса открыты. В случае, если насос имеет двигатель постоянного действия с регулируемой частотой вращения, для регулировки скорости потока вещества, непосредственно на насосе необходимо установить нужную скорость подачи или установить регулировочный клапан между его входом и выходом.

Меры безопасности

При включении насоса, необходимо соблюдать ряд мер безопасности. Включение насоса без заливки среды может привести к деформации статора, поэтому запрещается включение насоса без жидкости!

Следует, также, избегать регулировки величины подачи насоса путем закрытия подающего клапана, т.к. это приводит к деформации приводного механизма и двигателя, в случае, если они не имеют реле защиты от перегрузок.

Основные параметры, которые следует учитывать при выборе насоса

Для того, чтобы выбрать наиболее подходящий насос для вашего производства, необходимо учитывать ряд ключевых параметров. В первую очередь, необходимо определить тип установки насоса и то, каким образом насос будет использоваться в системе. Помимо этого, важно учитывать скорость подачи потока перекачиваемой жидкости (л/мин или м³ /ч.), показатель общего давления напора подачи (бар), а также показатель высоты столба жидкости под всасывающим патрубком насоса (NPSN). К перечню ключевых параметров, которые необходимо учитывать при выборе насоса также относится природа перекачиваемого вещества (химсостав, плотность, вязкость, pH, температура), а также уровень содержания в нем взвешенных твердых частиц и степень абразивности. Кроме того, следует учитывать уровень напряжения питания и частоту сети для подключения двигателя, а также тип передаточного механизма между двигателем и насосом.

Особенности конструкции

• Долговечность. Винт приводится в движение электродвигателем и при вращении не контактирует с внутренней поверхностью корпуса насоса. Это снижает трение до минимума, за счёт чего и обеспечивается длительный срок службы.
• Среда перемещается в насосе с постоянным осевым направлением течения. Благодаря этому на выходе насос будет выдавать продукт ровным потоком, без пульсаций. Насос имеет низкие показатели шумового загрязнения. Так же, поскольку движущиеся части насоса обладают низкой энерцией, то пусковой момент и вибрация будут иметь низкие значения.
• Насос имеет высокую всасывающую способность.
• В целях обеспечения безопасной работы насоса, двигателя, системы трубопроводов, все насосы повышенной мощности оснащены предохранительными клапанами. В случае, если рабочее давление превышает максимальное давление, на которое рассчитана система (например, нагнетающий трубопровод), срабатывает предохранительный клапан и излишки продукта будут направлены через байпас обратно в камеру всасывания.

Преимущества винтового насоса

Винтовые насосы обладают рядом преимуществ перед насосными установками других типов. Так, в отличие от центробежных, винтовые насосы перекачивают жидкость ровным, не пульсирующим потоком, что позволяет не перемешивать жидкость и сохранять ее структуры.

В отличие от импеллерных, самовсасывающие винтовые насосы лучше работают с более густыми веществами, а так же на выходе имеют показатели давления вплоть до 4-24 бар.

Перед поршневыми и плунжерными насосами, преимущество винтовых насосов заключается в равномерной подаче жидкости, а также способность перекачивать смеси из жидкой и твердой фаз, не повреждая твердые включения.

Среди ряда преимуществ винтовых насосов, следует отметить высокую способность данных установок к самовсасыванию, а также простоту конструкции, которая делает удобным обслуживание насоса. Насос состоит из трех главных частей: нержавеющего винта, резиновой обоймы и уплотнения вала. Подача жидкости в винтовом насосе пропорциональна скорости вращения, что обеспечивает несложную регулировку параметров насоса при наличии частотного привода. Конструкция обоймы с саморегулируемым зазором обеспечивает высокое давление насоса при небольшом габарите. При увеличении давления зазор между рабочей поверхность винта и обоймы остается постоянным.

Как и прочие виды объемных насосов, винтовые обладают способностью к самовсасыванию жидкости с глубины до 10 метров. Кроме того, винтовые насосные установки имеют оптимально сбалансированный механизм и, как результат, низкий уровень шума. Данные типы насосов неприхотливы в эксплуатации.

Применение в промышленности

Первые модели винтовых насосов появились в 1920х и через 10 лет были применены на производстве. Максимальный показатель рабочего давления насосов данного типа может составлять до 30-35 МПа.

Винтовые насосы используются для перекачивания жидкостей различной вязкости, газа, пара, а также их смесей. Как следствие, винтовые насосы получили широкое применение в сфере переработки отходов, производства табачных изделий, текстильной и бумажной промышленности, обработки металлов, пищевой и химической промышленности.

С 1980х установки винтовых насосов начали активно применяться при добыче нефти и до сих пор являются одной из наиболее перспективных технологий в данной отрасли.

Винтовые насосы используются для перекачки нефтепродуктов без механических примесей: мазута, нефти, масла, дизельного топлива, парафина и других жидкостей, обладающих смазывающей способностью.

Специально для пищевой, химической и фармацевтической промышленности были разработаны санитарные одновинтовые эксцентриковые насосы. Данные изделия имеют классическую комплектацию с шарнирными герметичными узлами, что обеспечивает прочность агрегата, а также простоту эксплуатации и сервисного обслуживания.

Винтовой насос

Внутреннее устройство трёхвинтового насоса

Винтовой или шнековый насос - насос , в котором создание напора нагнетаемой жидкости осуществляется за счёт вытеснения жидкости одним или несколькими винтовыми металлическими роторами , вращающимся внутри статора соответствующей формы.

Винтовые насосы являются разновидностью роторно-зубчатых насосов и легко получаются из шестерённых путём уменьшения числа зубьев шестерён и увеличения угла наклона зубьев .

Конструкция винтов в двухвинтовом насосе. Жидкость перемещается вдоль оси насоса

Принцип работы

Перекачивание жидкости происходит за счёт перемещения её вдоль оси винта в камере, образованной винтовыми канавками и поверхностью корпуса. Винты, входя винтовыми выступами в канавки смежного винта, создают замкнутое пространство, не позволяя жидкости перемещаться назад.

Область применения

Предназначен для перекачивания жидкостей различной степени вязкости , газа или пара, в том числе и их смесей.

Эти насосы могут работать при давлениях до 30 МПа .

Впервые введенные в практику в 1936 году, винтовые насосы имеют простую конструкцию, могут работать в присутствии механических примесей и с вязкими флюидами, что бывает необходимо при решении различных практических задач. Большое число установок винтовых насосов (УВН) используется для удаления воды из скважин, добывающих метан из угольных пластов, прежде всего, благодаря их способности перекачивать жидкости с механическими примесями. Однако винтовые насосы пригодны и для других газовых скважин, а также для добычи воды и нефти.

Конструктивные особенности

Для улучшения качества уплотнений и снижения утечек иногда применяется цилиндрический или конический эластичный корпус. В последнем случае конический винт прижимается пружиной, а иногда ещё и давлением перекачиваемой жидкости. Однако насосы с эластичным корпусом способны выдерживать меньшие давления чем насосы с металлическим корпусом. В насосах с коническими винтами можно обойтись жёстким корпусом.

Наиболее распространёнными являются трёхвинтовые насосы.

Преимущества

• равномерная подача жидкости, в отличие от насосов поршневых и плунжерных;
• способность перекачивать смеси из жидкой и твёрдой фаз без повреждения твёрдых включений в жидкости;
• как и другие объёмные насосы, винтовые обладают способностью к самовсасыванию жидкости;
• возможность получить высокое давление на выходе без множества каскадов нагнетания;
• хорошая сбалансированность механизма и, как следствие, - низкий уровень шума при работе.

Недостатки

• сложность и высокая стоимость изготовления насоса;
• нерегулируемость рабочего объёма ;
• так же, как и другие виды объёмных насосов, винтовые нельзя пускать вхолостую без перекачиваемой жидкости, так как в этом случае повышается коэффициент трения деталей насоса и ухудшаются условия охлаждения; в результате насос может перегреться и выйти из строя.

Литература

1.Схиртладзе А.Г., Иванов В.И., Кареев В. Н. Гидравлические и пневматические системы. - Издание 2-е, дополненное. М.: ИЦ МГТУ "Станкин", "Янус-К", 2003 г. - 544 с.

2.Ли Джеймс, Никенс Генри, Уэллс Майкл. Эксплуатация обводняющихся газовых скважин. Технологические решения по удалению жидкости из скважин / Перевод с английского. - М.: ООО "Премиум Инжиниринг", 2008. - 384с., ил. (Промышленный инжиниринг).

См. также

• Винтовые насосы PCM

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Винтовой насос" в других словарях:

Роторный насос с рабочими органами в виде одного ведущего и обычно двух ведомых винтов, находящихся в зацеплении. При вращении винтов жидкость, отсеченная во впадинах винтовой нарезки, перемещается вдоль винтов и выталкивается в напорный патрубок … Большой Энциклопедический словарь

винтовой насос - Роторно вращательный насос с перемещением жидкой среды вдоль оси вращения рабочих органов. [ГОСТ 17398 72] Недопустимые, нерекомендуемые червячный насос Тематики насос EN screw pump DE Schraubenspindelpumpe FR Pompe a vis … Справочник технического переводчика

Роторный насос с рабочими органами в виде одного ведущего и обычно двух ведомых винтов, находящихся в зацеплении. При вращении винтов жидкость, отсечённая во впадинах винтовой нарезки, перемещается вдоль винтов и выталкивается в напорный патрубок … Энциклопедический словарь

винтовой насос - sraigtinis siurblys statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. screw pump vok. Schraubenpumpe, f rus. винтовой насос, m pranc. pompe hélice, f … Automatikos terminų žodynas

винтовой насос - sraigtinis siurblys statusas T sritis Energetika apibrėžtis Rotacinis siurblys, turintis sukamojo judesio darbinius elementus. Sraigtinio siurblio korpuse yra vienas varantysis ir dar vienas, du arba keturi varomieji sraigtai. Didinant slėgį,… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

Роторный насос с вращат. движением рабочих органов (винтов). В корпусе В. н. имеются один ведущий и один, два или четыре ведомых (уплотнительных) винта. Зазор между нарезками винтов и корпусом мал. Линия зацепления винтов в пределах одного шага… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Гидравлическая машина, рабочим органом которой является винт: служит для подачи жидкости, в том числе с повышенной вязкостью. В. н. представляет собой разновидность роторных Насосов, называется также червячным. В корпусе В. н. имеется… … Большая советская энциклопедия

Насос, винтовой - Винтовой насос Ндп. Червячный насос Роторно вращательный насос с перемещением жидкой среды вдоль оси вращения рабочих органов Смотреть все термины ГОСТ 17398 72. НАСОСЫ. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Назначение и техническая характеристика

Установки погружных винтовых сдвоенных электронасосов предназначены для добычи нефти преимущественно повышенной вязкости и газосодержания.

В настоящее время отечественной промышленностью выпускаются электропогружные винтовые насосы для добычи нефти следующего параметрического ряда:

УЭВН5-12-1200

УЭВН5-12-1500

УЭВН5-16-1200

УЭВН5-16-1500

УЭВН5-25-1000

УЭВН5-25-1500

УЭВН5-63-1200

УЭВН5-100-1000

УЭВН5-100-1200

УЭВН5-200-900.

Показатели применимости установок:

Максимальная кинематическая вязкость, м 2 /с - 1*10-3

Максимальное содержание попутной воды, % - 99

Максимальное содержание свободного газа на приёме насоса, % по объёму-50

Максимальная массовая концентрация твердых частиц, г/л - 0,8

Микротвердость частиц, HRC не более - 55

Максимальная температура, °С - 110.

Винтовые насосы характеризуются основными гидравлическими параметрами: напор, давление, мощность, КПД.

В приведенных ниже табл. 2 и 3 представлены технические характеристики установок электропогружных винтовых насосов и самих насосов.

Принцип действия винтового насоса

В объемном насосе рабочий процесс основан на вытеснении жидкости из рабочей камеры, герметично отделенной от полости всасывания и нагнетания. Насосы этого типа имеют большую жесткость характеристик при изменении параметров, возможность перекачивания небольших объемов жидкостей при высоких давлениях, а также жидкостей с широким диапазоном значений вязкости и жидкости с газовой составляющей.

Надежность и долговечность работы в заданных условиях служат одними из решающих факторов при выборе типа насоса.

Отличительная особенность одновинтового насоса как насоса роторного типа заключается в наличии развитых поверхностей трения, мест со щелевым уплотнением. Отсюда вывод, что обеспечение режима жидкостного трения между ротором и статором является необходимым и достаточным условием высокого ресурса насоса.

Рассмотрим условия работы насоса при установившемся режиме (n=const).

На обеспечение режима жидкостного трения будут влиять геометрические параметры винтовых поверхностей ротора и статора и в конечном итоге зазор между ними, свойства материалов и чистота обработки поверхностей ротора и статора, скорость перемещения ротора в статоре; свойства перекачиваемой среды; обеспечение теплового баланса поверхностей скольжения в пределах, допускаемых выбранными материалами. Наиболее часто используется максимально простое конструктивное и технологическое решение одновинтового насоса: ротором служит винт, а статором - обойма насоса. Винт металлический, а обойма - резино-металлическая с внутренней поверхностью из синтетического каучука или другого эластомера.

Винт в обойме совершает сложное планетарное движение. Он вращается не только вокруг своей оси О 2 , его ось одновременно перемещается по окружности диаметром, равным двум эксцентриситетам (2е) в обратном направлении. Это второе движение винта вызывается его качением на отрезке 2-3 и скольжением на отрезке 5-6 стенок обоймы. Неподвижное зубчатое колесо m с внутренним зацеплением и центром О 1 , являющимся осью обоймы, имеет диаметр D = 4е. По нему без скольжения катится колесо n диаметром d 1 = 2e, которое принадлежит винту и вращается вокруг своей оси в обратном направлении. Во время вращения винта центр любого его поперечного сечения непрерывно перемещается по прямой от верхнего положения А до нижнего положения В и обратно. Это перемещение сверху вниз совершается за один оборот винта, причем точка на окружности n, перемещаясь внутри неподвижной окружности m, описывает гипоциклоиду. Если диаметр перемещающейся окружности равен половине диаметра неподвижной окружности, то гипоциклоида преобразуется в прямую линию AВ длиной, равной диаметру неподвижной окружности m.

При качении окружности n по окружности m в направлении по часовой стрелке из положения 1 в положение 5 круг К (сечение винта) движется вниз, причем он вращается против часовой стрелки и скользит но стенке 6-5 обоймы. Прямая АВ поворачивается на определенный угол, отвечающий форме и шагу винтовой линии обоймы.

Геликоидальная поверхность винта (рис. 16) образуется перемещением окружности К, вдоль оси винта О-О при условии, что центр окружности перемещается по винтовой линии М-М. отстоящей от оси О-О на величину эксцентриситета е винта.

Внутренняя поверхность обоймы образуется винтообразным движением плоскости поперечного сечения 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 (см. рис. 14), которая вращается вокруг оси О 1 обоймы и соразмерно перемещается вдоль этой оси.

Полный поворот этой плоскости на 360° при равномерном перемещении ее вдоль оси обоймы составит длину шага обоймы

где t - шаг винта.

Между винтом и обоймой образуются замкнутые полости (см. рис. 15), которые заполняются перекачиваемой жидкостью. Сечение этих полостей имеет форму полумесяца.

Вместе с вращением винта полости или камеры, наполненные жидкостью, перемещаются вдоль оси обоймы из приемной полости в полость нагнетания, причем за каждый оборот винта жидкость в камере переместится в осевом направлении на длину шага обоймы Т.

Сечение, заполняемое жидкостью, постоянно по длине обоймы и определяется площадью прямоугольника со сторонами 4е и D или

где D - диаметр винта.

При частоте вращения n оборотов теоретическая подача, насоса

а действительная подача

Qg = Qt ?об = 4eDTn ?об,

где? об - объемный КПД одновинтового насоса.

Оптимальным законом распределения давления по длине обоймы должна быть эпюра 1 в форме треугольника ОАБ (рис. 17), где ОБ - длина обоймы, а р - заданное давление. На практике могут быть нежелательные отклонения. Так, гипотенуза 2 треугольника ВАБ показывает, что рабочее давление р насоса распределяется не на всю длину насоса ОБ, а лишь на крайние витки ВБ. Это значит, что натяг в рабочих органах велик и эластомер будет интенсивно разрушаться.

Гипотенуза 3 треугольника А"ОБ показывает, что насос собран с зазором и не развивает заданного давления р, что также неприемлемо. Оптимален вариант, когда давление р распределяется по всей длине обоймы равномерно.

Экспериментальные кривые 4, 5, 6 и 7 сняты на идентичных по натягу насосах с различной длиной обоймы. Фактические данные хорошо корреспондируются с теоретической эпюрой 1 и подтверждают возможность получения пропорционального нарастания давления по длине обоймы. Учитывая, что на максимальном достигнутом давлении в 250 кгс/см 2 насос не будет иметь достаточного ресурса, на основании многолетнего опыта рекомендуется брать в расчет перепад давления между соседними камерами: ? р = 45-50 м.

Длина обоймы L связана с напором насоса Н, шагом винта и перепадом давления между соседними камерами следующей зависимостью:

L = (H / ? р + 2) t

Под натягом понимается разность между диаметром поперечного сечения винта и внутренним диаметром обоймы. Если эта разность отрицательна, имеется зазор в этой рабочей паре.

Винтовой насос (ВН), являющийся устройством для перекачки жидкости, был разработан в начале 1920-х годов для перекачки вязких жидкостей и растворов. С самого начала винтовые насосы получили широкое применение в самых разных условиях использовались в различных отраслях промышленности (химической, пищевой, металлообрабатывающей, бумажной, текстильной, табачной, отходоперерабатывающей и нефтяной).

С момента первых серьезных попыток применения винтовых насосов для механизированной добычи в начале 1980-х годов, происходило их постепенное внедрение в нефтяной промышленности.

К 2003 г. винтовые насосы работали в самых разнообразных условиях и вариантах заканчивания в более чем 40 000 скважин по всему миру, от Аляски до Южной Америки, от добычи легкой нефти и угольного метана в российских Нижневартовске и Новокузнецке до Австралии, от отдаленных минеральных источников в горах Японии до наземных и морских скважин в Африке и Индонезии. Ниже приведены стандартные варианты и условия применения винтовых насосов:

Тяжелая нефть
Плотность в градусах по API Абсолютная вязкость 500 - 50000 сП
Содержание песка до 50%, сниженное до 3-5% при стабильном дебите

Нефть средней плотности
Плотность в градусах по API 18 - 30
Абсолютная вязкость Ограничения по содержанию CO2 и H2S

Легкая нефть
Плотность в градусах по API >30
Ограничение по содержанию ароматических углеводородов
Температурные ограничения

Вода
Обезвоживание угольного метана (CBM)
Обезвоживание природного газа
Водозаборные скважины
- Отопление жилых помещений
- Промышленные источники минеральных вод
Закачка воды - заводнение

Системы винтовых насосов обладают рядом отличительных особенностей, которые могут сделать их более предпочтительными для механизированной добычи по сравнению с другими имеющимися техническими средствами. Вот наиболее значимые из этих особенностей:
- КПД систем винтовых насосов составляет 50 - 70%
- Низкие капитальные затраты и расходы на электроэнергию
- Возможность перекачивания жидкостей с высоким уровнем вязкости, большим содержанием твердых частиц и свободного газа
- Низкие значения внутренних градиентов скорости сдвига, ограничивающие эмульгирование жидкости
- Отсутствие клапанов или деталей с возвратно-поступательным движением позволяет предотвратить закупоривания, газовые пробки или износ узлов
- Несложный монтаж и эксплуатация, минимальный объем необходимого обслуживания
- Небольшие габариты и низкий уровень шума приводной установки на устье.

Системы винтовых насосов имеют ряд определенных ограничений по условиям применения. Основными из этих ограничений являются производительность, высота подъема жидкости и совместимость резиновых деталей с откачиваемыми жидкостями. Ниже приведен краткий перечень ограничительных условий применения и эксплуатационных проблем, связанных с использованием систем ВН.
- Производительность: 1-800 м3/день (5000 баррелей/день)
- Высота подъема жидкости: 3000 м (9800 футов)
- Температура: 150°C (300°F)
- Тенденция к возникновению неустранимых повреждений эластомерных деталей при работе насоса без жидкости даже очень непродолжительное время.
- Воздействие некоторых жидкостей приводит к разбуханию и порче эластомерного материала

Использование усовершенствованного оборудования и материалов позволяет существенно расширить диапазон применения винтовых насосов новых моделей. Во многих случаях, ВН является не только единственно возможным вариантом механизированной эксплуатации, но и может стать весьма эффективным с экономической точки зрения при оптимальной конфигурации и правильной эксплуатации.

Основные принципы работы винтового насоса

Винтовой насос является объемным насосом, состоящим из двух компонентов - ротора и статора (Рис. 1). Ротор имеет форму наружной спирали с числом заходов "n" и обычно изготавливается из высокопрочной стали (Рис. 2). Ротор является единственной движущейся деталью насоса. Статор представляет собой внутреннюю спираль с числом заходов "n+1" (Рис. 3) и состоит из стального кожуха-трубы с неразъёмно соединенным со стенками трубы эластомерным элементом. Ротор имеет на один заход меньше чем статор.

Когда они собраны вместе, группа двояковыпуклых полостей, спирально огибающая ротор снаружи, тянется вдоль винтовой линии насоса (Рис. 4). Каждая полость герметично отделена от расположенных рядом полостей с помощью уплотнительных линий. Уплотнительные линии образуются вдоль линии контакта между ротором и статором (показана красным цветом) и являются важным моментом для эффективной работы насоса. Рис. 4 показывает две отдельные полости на одном шаге статора под углом 180° друг к другу в насосе с однозаходным ротором.

Принцип действия винтового насоса

При вращении ротора происходит постоянное открытие и закрытие полостей и их перемещение от приема к подаче насоса. Площадь полости между ротором и статором остается постоянной на любом сечении по всей длине насоса, что обеспечивает непульсирующий поток. Объем полости определяется как площадь закачки (площадь поперечного сечения полости) умноженная на шаг статора. Осевая линия ротора смещена от оси статора на постоянную величину, называемую "эксцентриситет". Для насоса с однозаходной геометрией эксцентриситет равен разнице между большим и малым диаметрами ротора деленной на два. Площадь полости насоса с однозаходной геометрией равна малому диаметру ротора умноженному на 4 и умноженному на эксцентриситет. Объем полости определяется как функция площади полости умноженная на шаг статора.
Площадь полости = d x 4e
Объем полости = d x 4e х шаг статора

Характеристика по давлению и изменение подачи насоса при изменении давления

Номинальный уровень дифференциального давления винтового насоса является суммой номинальных уровней давления каждой отдельной ступени. Хотя это и является несколько произвольным определением, ступенью обычно называют длину одного шага статора. Обычно уровень номинального давления для отдельной ступени находится в диапазоне 66-100 psi. Комбинация а) максимального уровня давления, который может быть создан в одной полости и б) числа полостей в насосе определяет его предельное давление. Давление, которое может быть создано в каждой полости, является функцией компрессионной подгонки ротора и статора, физических характеристик эластомерного элемента, длины шага статора и свойств прокачиваемой жидкости. Для винтового насоса, при прочих равных условиях, более высокое давление для каждой ступени обычно означает более низкую долговечность статора.

Наиболее часто используемым способом измерения эксплуатационной характеристики насоса является расчет объемного кпд насоса, определяемого как разница между исходной подачей насоса при нулевом напоре и подачей при номинальном напоре разделенная на исходную подачу при нулевом напоре. Разница в уровнях подачи при нулевом и номинальном напорах определяется как "изменение подачи насоса при изменении давления". Изменение подачи насоса при изменении давления возникает, когда находящаяся под высоким давлением жидкость нарушает компрессионную подгонку между прилегающими полостями и прорывается между уплотнительной линией ротор/статор. Это приводит к общему снижению уровня подачи насоса, который является постоянным для данной величины дифференциального давления.