Винтови помпи

Конструкции и приложения

   Винтовите помпи са ротационни, обемни помпи, които намират широко приложение в различни сфери на промишлеността. Подходящи са за транспортиране на високо- или нисковискозни флуиди, а също така за транспортиране на флуиди със съдържание на твърди частици и свободен газ. Широко прието е мнението, че първата винтова помпа е конструирана от Архимед. Конструкцията се използва и до днес, под името Архимедова помпа, и намира немалко приложение. С оглед на все по-високите изисквания към съвременните винтови помпи по отношение на експлоатацията и поддръжката, производителите на винтови помпи са изправени пред редица предизвикателства свързани с достигане на по-високо налягане, висока ефективност, по-добра износоустойчивост и корозионна устойчивост и т. н. В отговор на високите изисквания при производството на винтови помпи се въвеждат прецизни техники на производство, използват се подходящи материали и др. В резултат, съвременните винтови помпи се характеризират с плавна и безшумна работа, а течността се нагнетява без пулсации. Отличават се с висока производителност, лесна експлоатация и техническо обслужване, корозионна устойчивост, ниски енергийни разходи. Коефициентът на полезно действие на винтовите помпи обикновено е в диапазона от 60 до 80%. Всички тези характеристики предопределят широкото им разпространение.

Принцип на работа
Както е добре известно, работата на винтовите помпи се основава на въртенето на работния винт, познат и като ротор, във винтовия статор. Винтовата линия на работния винт има профил, подобен на профила на повърхнината на статора. Роторът се явява единствената движеща се част на помпата. За изработването му често използвани материали са неръждаема или закалена стомана, а за статора - еластичен материал или гумено покритие. Сред широко използваните материали за изработването на корпуса на помпата са стомана и чугун. Формата и размерите на работния винт и на статора са такива, че при поставянето на работния винт в статора да се образуват последователни канали, които са херметично отделени с помощта на уплътнителни линии, образуващи се по линията на контакт между ротора и статора. Те играят важна роля за ефективната работа на помпата. При постъпването на течността през входа на помпата, следствие от въртеливото движение на работния винт, тя преминава през тези канали и се нагнетява през изхода. Преминаването на течността през каналите не води до настъпването на изменения в нейната структура. Тъй като площта на каналите между ротора и статора остават постоянни при всяко сечение по цялата дължина на помпата, това осигурява равномерен поток без пулсации. Характерна особеност на винтовите помпи е, че понеже те работят на обемен принцип, не се нуждаят от смукателен клапан. Отсъствието на клапани или детайли с възвратно-постъпателно движение позволява да се предотвратят запушвания, образуване на въздушни тапи или износване на възлите.

Видове конструкции
Винтовите помпи обикновено са с един, два или повече работни винта, въртящи се около оста си по посока на часовниковата стрелка или обратно. Различните конструкции винтови помпи могат да включват един неподвижен работен винт с един или повече въртящи се винтове. Поради факта, че с всяко завъртане, винтовите помпи осигуряват определен обем течност, те се считат за подходящи за различни измервателни приложения.
Като основен недостатък на винтовите помпи обикновено се посочва фактът, че тъй като принципът им на действие предполага механичен контакт между ротора и статора, това създава предпоставки за по-бързото им износване.
Размерите на работния винт и задвижването на помпата оказват влияние върху изпомпването. Капацитетът на винтовите помпи може да бъде определен на база на размерите на помпата, размерите на повърхността на винтовете и скоростта на въртене на ротора. В приложения, в които се използват многостъпални ротори, натоварването е разпределено между няколко работни винта. Редица фактори, свързани със задвижването, потока, както и характеристиките на транспортираната течност, могат да повлияят на нивото на потока и на премествания през каналите обем течност. Транспортирането на по-малко вискозни флуиди позволява използването на помпи с по-ниска мощност на задвижващото устройство в сравнение с транспортирането на високовискозни флуиди. Вискозитетът на транспортирания поток може да окаже влияние върху скоростта и мощността на помпата. Като индикатор за недобрата работа на помпата служат намаляване на нивото на потока или увеличаването на шума. Сред условията за гарантиране на ефективна работа на помпата е всеки ротор да се върти със скорост, позволяваща пълното запълване на всеки винтов канал.

Двувинтови помпи
Двувинтовите помпи са хидравлично балансирани и транспортират течността без пулсации. В конструкцията на помпата са включени два работни винта - един задвижващ и един задвижван. Двата винта са с противоположна посока на спиралите, което създава аксиален хидравличен баланс, дължащ се на симетрията и лагерите на помпата не са изложени на аксиални сили. Работните винтове нямат контакт по между си. Транспортираната течност при постъпването си в помпата се разделя на две и запълва каналите на винтовия профил, като всеки от работните винтове транспортира половината от течността. От двете си страни работните винтове са лагерувани, обикновено с търкалящи лагери, за преодоляване на радиалните хидравлични товари, които не са балансирани по друг начин.
Въртящият момент се предава от задвижващия към задвижвания работен винт посредством зъбни колела. Зъбните колела служат за синхронизиране на винтовите канали така, че половината от входящата енергия да се предаде от задвижващия към задвижвания винт. В повечето конструкции зъбните колела и лагерите са извън транспортираната течност. Те не зависят от смазочните свойства на течността нито от нейната чистота. За смазването на зъбните колела обикновено се използват смазочни масла, докато за лагерите - грес или масла. За предпазване на лагерите и зъбните колела се използват единични и двойни механични уплътнения.
Тъй като между винтовете няма контакт, двувинтовите помпи могат да се използват за транспортиране на всякакви течности - от вода до тежък суров петрол. Подходящи са също за транспортиране на замърсени и високовискозни течности.

Тривинтови помпи
Сред винтовите помпи, тривинтовите са едни от най-широко използваните и разпространените в промишлеността.
Типични техни приложения са в хидравлични подемни линии, в системи за смазване на машинно оборудване, при транспортиране на петролни горива, в нефтохимическата промишленост за изпомпване на горещи вискози флуиди като битум, катран, мазут и др.
Винтовите помпи обикновено се произвеждат като едностранно или двустранно засмукващи. Едностранно засмукващите се използват за ниски или средни дебити на потока и от ниско до много високо налягане. Двойно засмукващите реално са две паралелни помпи в един корпус, използвани за средни до високи дебити при ниско до средно налягане. В конструкцията на тривинтовите помпи се включват три работни винта. Задвижващият винт обикновено е позициониран в центъра между другите два задвижвани винта и реално извършва цялата работа, свързана с изпомпването. Страничните работни винтове образуват отделени една от друга камери между каналите, в които постъпва течността. Това дава възможност за ефективно възпрепятстване на бързото нарастване на налягането в помпата и осигурява постепенното му повишаване. Камерите, обаче, не са напълно изолирани една от друга, поради което се получават утечки. Тъй като централният работен винт извършва цялата работа по транспортирането на течността, въртящият момент, предаван към задвижваните работни винтове, е необходим само за преодоляване на вискозитета на средата при предвижване на течността. При тривинтовите помпи изпомпваният флуид създава бариера между въртящите се елементи, предотвратявайки контакта между тях, предпазвайки ги от триене и износване.
Вътрешният хидравличен баланс е такъв, че аксиалните и радиалните хидравлични сили се противопоставят и неутрализират взаимно. По този начин значително се намалява натоварването на лагерите.
Обикновено за задвижваните работни винтове се предвижда специална защита от корозия, каквато опасност възниква при транспортирането на замърсени течности. Като цяло тривинтовите помпи имат малко движещи се части, което рефлектира в дълъг експлоатационен живот и лесна поддръжка.

Възможни приложения
Немалкото предимства и отличителни характеристики на винтовите помпи ги правят подходящи за редица приложения. Те могат да бъдат използвани за транспортиране на течности с различни характеристики като абразивни среди, емулсии, течности съдържащи твърди частици, нееднородни течности и т. н. Температурата на транспортирания флуид може да достига 90 или 120 оС в зависимост от режима на работа. Най-честите им приложения са в хранително-вкусовата промишленост, където се използват както за изпомпване на плодови сокове, масло, подправки и др., така и за дозиране на кетчуп, майонеза, горчица и т. н. Широко използвани са при преработката на мляко и при производството на вино и бира. С винтовите помпи могат да се транспортират и перилни и миещи препарати.
Могат също така да се използват за транспортиране на чисти или замърсени води. Подходящи са за изпомпване на грунтови води и води, съдържащи значително количество пясък. Широко използвани са в пречиствателните станции за отпадни води, където се използват за транспортиране на утайки и отпадни води, за дозирано подаване на химикали за пречистване на вода, на деминерализирана вода и др. Винтовите помпи намират широко приложение и в тежката и нефтената промишленост.

Недостатъци
Наред с многото предимства като проста конструкция, лесно обслужване, висока самозасмукваща способност, възможност за създаване на голяма налягане и т.н., винтовите помпи имат и някои недостатъци и ограничения в тяхното използване. Сред основните ограничения са производителността, височината на изпомпване на течността и съвместимостта на еластомерните изделия с изпомпваните течности.