Двухвинтовые насосы

Двухвинтовой насос для перекачки сред с переменной вязкостью

Среды с переменной вязкостью и требования к насосу

Йогурт после ферментатора, мазут в котельной, глазурь на кондитерской линии — вязкость этих продуктов меняется в разы по ходу процесса. У мазута зависимость от температуры настолько крутая, что остывание линии на 30 °C загущает его в 10–50 раз. Центробежный насос в таких условиях уходит с рабочей точки и теряет подачу. Объёмные насосы других типов подачу держат, но каждый заперт в своём диапазоне вязкости. Двухвинтовой насос создавался под задачи, где среда в начале смены течёт как вода, а к концу — как паста: он перекрывает диапазон от долей сантипуаза до сотен тысяч. Чтобы понять, откуда берётся такая широта диапазона, достаточно посмотреть на геометрию проточной части.

Принцип работы и независимость подачи от вязкости

Рабочие органы — два винта, профили которых входят в зацепление без касания. Валы вращают синхронизирующие шестерни, вынесенные в отдельную масляную камеру; они же удерживают зазоры между винтами и корпусом в пределах 0,1–0,2 мм. Витки образуют замкнутые камеры. При вращении камеры перемещаются вдоль оси от всасывающего патрубка к нагнетательному, и за каждый оборот вытесняется фиксированный объём. Подача определяется оборотами, а не сопротивлением сети — в этом принципиальное отличие от центробежной схемы.

Объёмный КПД исправной винтовой пары — 85–95 %. Остальное — проскальзывание: обратный переток жидкости через зазоры под действием перепада давления. На вязких средах зазоры уплотняются самим продуктом, и переток почти исчезает. На маловязких он растёт, поэтому воду и растворители перекачивают на повышенных оборотах — обратному перетоку остаётся меньше времени. Поток на выходе не пульсирует. Продукт движется вдоль оси без сжатия и резких изменений направления, поэтому сдвиговые нагрузки минимальны. Насос самовсасывающий и переносит газосодержание до 60 % объёма без срыва подачи. Полнее всего эти свойства раскрываются там, где одна машина должна качать и продукт, и моющий раствор.

Один насос для продукта и для CIP-мойки

В гигиеническом исполнении двухвинтовая схема решает задачу, недоступную большинству объёмных машин: перекачку продукта и прокачку моющих растворов одним оборудованием. Продукт идёт на низких оборотах, с минимальным сдвигом — творожный сгусток и фруктовые наполнители доходят до фасовки без разрушения структуры. CIP-мойке нужна турбулентность. Тот же насос разгоняется частотным преобразователем до 2500–3000 об/мин и работает возвратным насосом CIP-контура; отдельная центробежная машина для мойки и её обвязка из схемы исключаются.

За совмещение приходится платить приводом. Двигатель и преобразователь подбирают с запасом мощности: на низких частотах падает обдув самовентилируемого двигателя, на высоких оборотах по воде растёт потребление на создание напора. Двухвинтовые насосы гигиенических серий выпускают на подачи до 300 м³/ч и давления 16–25 бар; крупные типоразмеры пропускают включения до 40 мм. Исполнение сертифицируется по EHEDG и 3-A, материалы контактных частей соответствуют требованиям FDA. Совсем другие требования предъявляет нефтяная сторона применения.

Нефтепродукты и мультифазные потоки

В энергетике и нефтепереработке за двухвинтовой схемой закреплены тёмные нефтепродукты: мазут, битум, гудрон. Сложность этих сред — не агрессивность, а реология. Насос, подобранный на мазут при +100 °C, после простоя линии встречает среду в десятки раз гуще — объёмный принцип позволяет продолжить перекачку, изменится только потребляемая мощность. Для битума корпуса выполняют с рубашками парового или масляного обогрева; рабочие температуры доходят до 200 °C.

Промышленные двухвинтовые насосы строят на подачи свыше 1000 м³/ч и давления до 40 бар. Отдельное направление — мультифазная перекачка на промыслах: смесь нефти, попутного газа и пластовой воды идёт одним потоком, без сепаратора на устье. Та же способность прокачивать газожидкостную смесь используется и скромнее — при зачистке резервуаров, когда всасывающая линия захватывает воздух. Возможности обоих исполнений опираются на одни и те же конструктивные решения.

Конструкция и материалы

Корпус для нефтепродуктов отливают из чугуна или углеродистой стали, для пищевых и химических сред — из нержавеющей стали AISI 316L с полированной проточной частью. Винты выполняют из нержавеющих сталей, для абразивных сред — с упрочняющими наплавками. Шестерни синхронизации и подшипники работают в масляной камере, отделённой от проточной части уплотнениями валов: смазка не контактирует с продуктом.

Герметичность по валам держат торцевые уплотнения — одинарные на нейтральных средах, двойные с затворной жидкостью на кристаллизующихся, токсичных и склонных к полимеризации. Эластомеры подбирают под среду: EPDM — водные растворы и CIP-химия, FKM (фторкаучук) — жиры и углеводороды, HNBR — нефтепродукты. На нагнетании обязателен предохранительный клапан или байпас. Объёмный насос при закрытой задвижке наращивает давление, пока не разрушится самый слабый элемент линии, — клапан закрывает этот сценарий. Остальные риски связаны не с давлением, а с износом.

Что ограничивает ресурс двухвинтового насоса

Сухой ход. Винты не касаются ни друг друга, ни корпуса, поэтому короткая работа без продукта проточную часть не повреждает. Разрушается другое — пара трения торцевого уплотнения: без плёнки жидкости ей хватает нескольких минут. На линиях с риском опорожнения всасывания ставят реле протока или датчик сухого хода.

Термический шок уплотнений. Типовой сценарий отказа на пищевых линиях: после щелочной мойки при 80–85 °C в насос подают холодное ополаскивание. Кольца пары трения трескаются от перепада температуры. Проблему снимает CIP-программа с плавным снижением температуры между стадиями.

Абразив. Твёрдые частицы, проходящие через зазоры с перетоком, постепенно их раскрывают. Каждая сотая доля миллиметра сверх номинала увеличивает проскальзывание, и подача при тех же оборотах падает — на маловязких средах особенно быстро. Для абразивных сред выбирают пониженные обороты и наплавленные винты, а износ отслеживают по падению подачи при фиксированной частоте вращения.

Шестерни синхронизации. Их износ смещает винты друг относительно друга вплоть до касания профилей. Регламентная замена масла удаляет продукты износа из зацепления и обходится дешевле замены винтовой пары.

Последнее ограничение — цена. Двухвинтовая конструкция дороже кулачковой и тем более центробежной, поэтому она оправдана там, где один насос заменяет два, где вязкость меняется в широких пределах или продукт не переносит пульсаций и сдвига.

Купить двухвинтовой насос в Украине

ООО «ИНЖИНИРИНГОВЫЕ СИСТЕМЫ» поставляет двухвинтовые насосы для пищевых, химических и нефтяных применений. Подбор ведётся по фактическим данным процесса: вязкость в рабочем и крайних режимах, температура, NPSH всасывающей линии, программа мойки. Заказчик получает расчёт рабочей точки, документацию на материалы контактных частей и протоколы испытаний.

Перед тем как купить двухвинтовой насос, стоит зафиксировать крайние режимы процесса — именно они, а не номинальная точка, определяют типоразмер, мощность привода и исполнение уплотнений. Инженеры компании сопровождают монтаж и пусконаладку, со склада поставляются винтовые пары, торцевые уплотнения и комплекты эластомеров.

FAQ

Почему торцевое уплотнение подтекает на остановленном насосе, а при работе остаётся сухим?

При вращении пара трения образует гидродинамическую плёнку и самоцентрируется, микронеровности компенсируются. На стоянке кольца прижаты статически, и изношенная или потерявшая плоскостность пара начинает пропускать. Такая картина — признак приближающегося отказа: проверяют плоскостность колец, состояние вторичных эластомеров и, для двойных уплотнений, давление затворной жидкости.

Какой подпор нужен двухвинтовому насосу на всасывании?

Требуемый кавитационный запас у двухвинтовой схемы ниже, чем у центробежных машин сопоставимой подачи: насос работает при разрежении на входе и поднимает жидкость с нескольких метров при заполненном корпусе. Ограничение — давление насыщенных паров. На горячих и газящих средах NPSH считают обязательно, иначе в зоне всасывания начинается вскипание, и подача проседает.

Можно ли запускать насос всухую?

Винтовая пара сухой ход переносит — контакта металл-металл нет. Не переносит его одинарное торцевое уплотнение: счёт идёт на минуты. Если технология предполагает осушение всасывания — зачистка танков, опорожнение линий — ставят двойное уплотнение с затворной жидкостью, оно допускает длительную работу без продукта.

Зачем двигателю запас мощности, если насос работает и на продукте, и на CIP?

Два режима лежат на краях диапазона. На продукте насос крутится на низкой частоте, где самовентилируемый двигатель хуже охлаждается под моментом. На мойке — 2500–3000 об/мин на маловязком растворе, где мощность уходит на напор CIP-контура. Двигатель и частотный преобразователь подбирают по худшей комбинации режимов, а не по номинальной точке.

Что происходит при перекачке абразивных сред?

Частицы, проходящие через радиальные зазоры, изнашивают винты и корпус. Зазор растёт, обратный переток увеличивается, подача при фиксированных оборотах снижается — и процесс ускоряется по мере износа. Ресурс продлевают снижением оборотов, наплавками винтов и контролем подачи как диагностическим параметром.

Какая минимальная доля жидкости допустима в мультифазном потоке?

Ориентир — 3–5 % жидкости на входе. Жидкость уплотняет зазоры и отводит тепло сжатия газа; на чисто газовом потоке насос перегревается. Если газовые пробки длиннее допустимого, схему дополняют рециркуляцией жидкости с нагнетания или буферной ёмкостью на входе.

Насос после долгой стоянки не всасывает — что проверять?

Последовательность из сервисной практики: уровень жидкости в корпусе — если продукт стёк через негерметичный обратный клапан, самовсасывание с сухими винтами ограничено; подсос воздуха по фланцам всасывающей линии; застывший продукт в трубопроводе — мазутную и битумную линию прогревают до пуска; направление вращения после любых работ на электрике.