ВИНТОВОЙ НАСОС

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к конструкциям винтовых насосов, предназначенных для перекачивания высоковязких, многофазных, агрессивных материалов в нефтяной, химической, пищевой, строительной и других отраслях промышленности.
Известны различные конструкции винтовых (шнековых) насосов для различных отраслей промышленности (см., например, патенты РФ на изобретения NN 2195581, 2131538, 2148729, 2228443, 2191294, 2194880, патенты РФ на полезные модели NN 55050, 88400, патент ЕПВ N 1845262, заявку ВОИС N WО 80/01936 и др.).
Известен, например, винтовой насос по патенту США №1892217, 1932 г., выполненный в виде одновинтовой гидромашины объемного вытеснения французского изобретателя Rene Joseph Louis Moineau (P.Муано).
Указанный насос содержит корпус, снабженный впускным (всасывающим) и выпускным (нагнетающим) патрубками, обойму, выполненную в корпусе в виде полости с профилированной внутренней поверхностью, винт, размещенный так, что образует в обойме рабочую полость между внутренней поверхностью обоймы и поверхностью винта. Винт в обойме установлен с эксцентриситетом и совершает планетарное движение.
Такой насос, хотя и позволяет транспортировать различные материалы, однако, его применение ограничено тем, что в качестве материала обоймы необходимо применять эластомеры (например, резины), которые в процессе эксплуатации насыщаются включениями из перекачиваемых материалов, ухудшающими их механические свойства, приводящими к постепенному разрушению обоймы и выходу насоса из строя (см. статью "Анализ причин разрушения эластомеров обойм винтовых насосов" Тимашев Э.О., Ямашев B.C., "Нефтегазовое дело", 2005).
Известен также винтовой насос изобретателя Вильяма Х.Хигби по патенту США N 192069 с приоритетом от 30.10.1876, выполненный в виде шнекового устройства для перемещения материалов (преимущественно, зерна), содержащего прямоугольный в сечении корпус с полугруглым в сечении вкладышем, с входным (впускным) и выходным (выпускным) отверстиями, во внутренней полости которого размещен шарнирно закрепленный относительно корпуса шнек, выполненный в виде вала с неподвижно закрепленной на нем сплошной винтовой гранью (стенкой, лопастью) вдоль продольной оси и соединенный с приводом его вращения.
(Описание данного устройства приведено также в книге Геррмана X. "Шнековые машины в технологии", ФРГ, 1972. Пер. с нем., под ред. Л.М.Фридмана, Л., "Химия", 1975, стр.16, рис 1.).
Такой насос так же, как и другие насосы подобной конструкции, хотя и позволяет транспортировать различные материалы, однако, применение данного насоса сильно ограничено из-за необходимости подогрева транспортируемых материалов для снижения их вязкости.
Устройства, аналогичные вышеописанным, широко применяются в технике для перемещения материалов с малым внутренним трением и для нагнетания вязких материалов, например, с целью их экструзии.
Основным общим недостатком вышеуказанных устройств является ограничение вязкости транспортируемых материалов и необходимость предварительного подогрева этих материалов для снижения их вязкости.
Наиболее близким решением по технической сущности и достигаемому результату от его использования к заявляемому решению является известный винтовой насос Х.Плюста и Ф.Аренса по патенту Германии №462082 с приоритетом от 03.07.1928, выполненный в виде гибкого шнекового транспортера, содержащего гибкий цилиндрический корпус с входным патрубком с впускным отверстием и выходным патрубком с выпускным отверстием, а также гибкий шнек, выполненный в виде размещенной внутри полости корпуса соосно с ним цилиндрической винтовой спирали со сплошной винтовой лопастью вдоль продольной оси, и привод вращения шнека.
Данный транспортер хотя и позволяет перемещать некоторые сыпучие и вязкие материалы, однако область его использования сильно ограничена низкой надежностью его работы из-за низкой прочности гибкого корпуса и гибкой винтовой спирали.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является существенное расширение функциональных возможностей винтового насоса путем обеспечения возможности немедленной транспортировки любого даже очень вязкого материала без его предварительного разогрева при обеспечении большого технического ресурса насоса.
Данная задача решается с помощью технического результата от использования предлагаемой полезной модели, заключающегося в расширении арсенала уже имеющихся технических средств определенного назначения, позволяющих существенно повысить надежность и обеспечить длительную безотказную работу винтового насоса при любых режимах его работы за счет обеспечения естественного температурного режима, а также путем обеспечения перемещения и/или нагнетания материалов в широком диапазоне значений вязкости, создающего непрерывный поток транспортируемого материала, и не требующего применения эластомеров для изготовления рабочих органов насоса.
Указанный результат достигается тем, что в известном винтовом насосе, содержащем цилиндрический корпус с входным патрубком с впускным отверстием и выходным патрубком с выпускным отверстием, а также шнек, выполненный в виде размещенной внутри полости корпуса соосно с ним цилиндрической винтовой спирали со сплошной винтовой лопастью вдоль продольной оси, и привод вращения шнека относительно корпуса,
во-первых, внутри шнека соосно с ним и с корпусом установлен вал;
во-вторых, шнек установлен с возможностью вращения относительно вала, а привод вращения шнека выполнен, например, в виде пары из конического зубчатого колеса и конической шестерни, кинематически соединенных с двигателем;
в-третьих, для насоса длинномерного магистрального типа вал неподвижно соединен с корпусом насоса;
в-четвертых, для насоса, например, вертикального типа для подачи нефти, вал установлен с возможностью вращения и шарнирно закреплен относительно корпуса;
в-пятых, для повышения производительности насоса при транспортировке особо вязких жидкостей вал установлен с возможностью вращения в сторону, противоположную направлению вращения шнека и снабжен приводом вращения вала, выполненным, например, в виде неподвижно закрепленной на валу конической шестерни, кинематически связанной с одной стороны с двигателем, а с другой стороны - со шнеком с помощью конических шестерен, передающих на шнек вращение в противоположную от направления вращения вала сторону;
в-шестых, для дальнейшего повышения эффективности работы насоса вал выполнен полым в виде трубы для обеспечения подачи по нему транспортируемого или технологического вспомогательного материала;
в-седьмых, для повышения надежности работы насоса путем ограничения угловых перемещений участков протяженного шнека относительно друг друга шнек снабжен ограничителем, выполненным в виде жестко закрепленных на торцах шнека двух зубчатых колес, разнесенных друг относительно друга максимум на длину рабочей части шнека и выполненных сообщающимися между собой через ответные шестерни посредством жесткой кинематической связи, например, общего валика;
в-восьмых, для расширения области применения насоса валик ограничителя угловых перемещений шнека дополнительно непосредственно кинематически соединен с двигателем для обеспечения выполнения валиком функции ведущего элемента привода шнека.
Введение в конструкцию винтового насоса новых элементов, а также особое выполнение, расположение и соединение уже имеющихся и новых элементов насоса, позволяют существенно повысить эффективность работы как самого насоса, так и машины или агрегата, в которых этот насос установлен, в целом. Кроме этого оригинальная компоновка рабочих органов насоса позволила обеспечить компактность насоса и снизить его габаритные характеристики.
Предлагаемая полезная модель пояснена чертежами, на которых показано следующее:
- на Фиг.1 изображена базовая схема предлагаемой конструкции винтового насоса. Стрелкой "L" показано направление перемещения транспортируемого материала с помощью шнека вдоль корпуса насоса;
- на Фиг.2 изображена схема приложения сил к участку транспортируемой вязкой жидкости, ограниченному поверхностями двух участков лопасти шнека, внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и цилиндрической поверхностью вала традиционного шнека (когда шнек вращается вместе с валом, например, по патенту США N 192069), где:
тр1
F - сила трения жидкости о корпус насоса;
тр2
F - сила трения жидкости о вал;
- на Фиг.3 показан вид сверху на распределение действующих на элемент транспортируемой традиционным шнеком (когда шнек вращается вместе с валом) вязкой жидкости следующих сил:
тр1
F - сила трения жидкости о корпус насоса;
тр2
F - сила трения жидкости о вал;
1
N - сила давления лопасти шнека на элемент жидкости;
2
N - сила давления тыльной стороны лопасти шнека на элемент жидкости;
тр3
F - составляющая силы трения от набегающей лопасти шнека на элемент жидкости;
тр4
F - составляющая силы трения от тыльной стороны лопасти шнека на элемент жидкости;
Слева от вида сверху на схему распределения сил стрелкой "n" условно показано направление вращения шнека по часовой стрелке при взгляде на шнек со стороны зоны подачи транспортируемой жидкости в корпус насоса.
- на Фиг.4 изображена схема приложения сил к участку транспортируемой вязкой жидкости, ограниченному поверхностями двух участков лопасти шнека, внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и цилиндрической поверхностью центрального неподвижного вала насоса предлагаемой конструкции, где:
тр1
F - сила трения жидкости о корпус насоса;
тр2
F - сила трения жидкости о вал;
- на Фиг.5 показан вид сверху на распределение действующих на элемент транспортируемой шнеком насоса предлагаемой конструкции вязкой жидкости следующих сил:
тр1
F - сила трения жидкости о корпус насоса;
тр2
F - сила трения жидкости о вал;
1
N - сила давления лопасти шнека на элемент жидкости;
2
N - сила давления тыльной стороны лопасти шнека на элемент жидкости;
тр3
F - составляющая силы трения от набегающей лопасти шнека на элемент жидкости;
тр4
F - составляющая силы трения от тыльной стороны лопасти шнека на элемент жидкости;
На схеме слева стрелкой "n" условно показано направление вращения шнека по часовой стрелке при взгляде со стороны зоны подачи транспортируемой жидкости в корпус насоса (справа на Фиг.1).
- на Фиг.6 изображена схема винтового насоса, развивающая базовую схему предлагаемой конструкции винтового насоса, показанную на Фиг.1, предназначенную для использования при транспортировке особо вязких жидкостей, с валом, установленным с возможностью вращения в сторону, противоположную направлению вращения шнека;
- на Фиг.7 изображена схема винтового насоса, развивающая предыдущую схему предлагаемой конструкции винтового насоса, показанную на Фиг.6, предназначенную для дальнейшего повышения эффективности использования насоса при транспортировке особо вязких жидкостей, в которой насос дополнительно снабжен специальным ограничителем угловых перемещений участков шнека;
- на Фиг.8 изображена схема винтового насоса, развивающая предыдущую схему предлагаемой конструкции винтового насоса, показанную на Фиг.7, предназначенную для дальнейшего повышения эффективности использования насоса при транспортировке особо вязких жидкостей, в которой одному из элементов ограничителя угловых перемещений участков шнека - боковому валику придана функция ведущего элемента привода шнека, непосредственно кинематически связанного с двигателем.
Предлагаемый винтовой насос (см. Фиг.1) содержит цилиндрический корпус 1 с входным 2 патрубком с впускным отверстием и выходным 3 патрубком с выпускным отверстием, а также шнек 4, выполненный в виде размещенной внутри полости корпуса 1 соосно с ним цилиндрической винтовой спирали со сплошной винтовой лопастью вдоль продольной оси, и привод вращения шнека 4 относительно корпуса 1, выполненный, например, в виде пары из конического зубчатого колеса 5 и конической шестерни 6, кинематически соединенных с двигателем (на чертеже не показан).
Внутри шнека 4 соосно с ним и корпусом 1 установлен вал 7 с обеспечением возможности вращения шнека 4 относительно вала 7. Вал 7 неподвижно закреплен с помощью крышки 8 относительно корпуса 1.
Для повышения эффективности работы насоса при транспортировке особо вязких жидкостей вал 7 (см. Фиг.6) установлен с возможностью вращения и шарнирно закреплен относительно корпуса 1 (на чертеже не показано).
При этом вал 7 установлен с возможностью вращения в сторону, противоположную направлению вращения шнека 4 и снабжен приводом вращения вала 7, выполненным, например, в виде неподвижно закрепленной на валу 7 конической шестерни 9, кинематически связанной с двигателем (на чертеже не показан) и со шнеком 4 с помощью конических шестерен 10 и 11 с фиксированными осями, передающих на шнек 4 вращение в протиоположную от направления вращения вала 7 сторону.
Для дальнейшего повышения эффективности работы насоса вал 7 выполнен полым в виде трубы (на чертеже не показано) для обеспечения подачи по нему транспортируемого или технологического вспомогательного материала.
Экспериментально установлено, что с ростом давления в тракте насоса возрастают упругие деформации шнека и возникает нежелательное дополнительное трение. Для ограничения угловых перемещений участков шнека 4 относительно друг друга целесообразно оснастить шнек 4, как минимум, двумя зубчатыми колесами 12, 13 (см. Фиг.7), разнесенными друг относительно друга максимум на длину рабочей части шнека 4, жестко скрепленными со шнеком 4 и сообщающимися между собой через ответные шестерни 14 и 15 посредством жесткой кинематической связи, например, общего валика 16.
Для расширения области применения предлагаемого насоса валик 16 может быть непосредственно кинематически соединен с двигателем, например, с помощью дополнительной кинематической связи 17 (см. Фиг.8), после чего данный валик 16 становится ведущим элементом привода вращения шнека 4.
Предлагаемый винтовой насос эксплуатируется следующим образом.
После включения двигателя (на чертеже не показан) крутящий момент от него по кинематической цепи, либо через шестерню 6 и зубчатое колесо 5 (см. Фиг 1), либо через валик 16, ответные шестерни 14 и 15 и зубчатые колеса 12, 13 (см. Фиг.8) передается шнеку 4, который начинает вращаться вокруг вала 7.
Из бункера или емкости (на чертеже не показаны) транспортируемый материал подают во впускное отверстие во входном 2 патрубке и после транспортирования указанный материал с помощью шнека 4 подают (нагнетают) в выпускное отверстие в выходном 3 патрубке.
Для пояснения физической сущности эффективной работы винтового насоса предлагаемой конструкции рассмотрим силы, действующие на транспортируемую жидкость внутри корпуса 1 при вращении шнека 4.
Для этого выделим участок жидкости, ограничив его поверхностями двух участков лопасти шнека 4, внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 1 и цилиндрической поверхностью центрального вала 7 (см. Фиг.2). Если жидкость имеет относительно низкую вязкость и прочность на сдвиг (например, моторное масло 10 W 40), то силы трения не оказывают значительного влияния на характер процесса продвижения жидкости внутри винтового насоса. Определяющим в этом случае является соотношение сил N1 и N2. Сила N1 в свою очередь зависит от скорости вращения вала (если он вращается вместе с лопастью шнека, как во всех известных /традиционных/ конструкциях) при фиксированных прочих условиях.
Чем выше скорость вращения, тем выше значение N1. Для вязких и особо вязких жидкостей трение о поверхности играет решающую роль в формировании характера движения. Прочность на сдвиг вязких жидкостей значительна (например, 500…1000 Па для смазки "Литол 2") и при высоких значениях внутреннего трения жидкость внутри тракта подачи ведет себя как единое тело. Вязкие жидкости кроме прочности на сдвиг обладают, как правило, значительной адгезией к конструкционным материалам и в этом случае возможность продвижения жидкости по тракту определяется соотношением сил трения. На практике при попытке перекачать особо вязкий материал обычным (традиционным) шнековым насосом без подогрева материал заполнит некоторое пространство насоса и будет вращаться вместе со шнеком без продвижения вдоль оси. В этом случае:
Fтр1<Fтр2+Fтp3+Fтp4
Это соотношение можно изменить, если направить силу трения о цилиндрическую поверхность вала Fтр2 в противоположную сторону, как показано на Фиг.3. Этого можно достичь, если сделать вал 7 неподвижным, т.е превратить его в ось или, что еще более эффективно, обеспечить вращение вала 7 в противоположную сторону относительно направления вращения шнека 4. Соотношение сил трения должно измениться следующим образом:
Fтp1+Fтр2>Fтp3+Fтр4
При этом условии поверхностью скольжения станет поверхность лопасти шнека 4 и жидкость будет двигаться вдоль оси насоса.
Вращение центрального вала 7 (см. Фиг.6) позволяет добавить динамическую составляющую в соотношение сил, действующих на элемент жидкости, способствующую продвижению материала по тракту насоса.
При необходимости центральный вал 7 можно выполнять полым в виде трубы, что позволит нагнетать по трубе замещающую жидкость или газ при откачке материала из замкнутого объема.
Если полый вал 7 выполнить заглушенным со стороны всасывания, а в области нагнетания выполнить в нем отверстие, то перекачиваемый материал можно подавать через центральную трубу или удлиненный вал привода, например при нефтедобыче.
Использование предлагаемой полезной модели позволяет:
1. Существенно расширить функциональные возможности винтового насоса за счет обеспечения возможности немедленной транспортировки любого очень вязкого материала даже при низких температурах окружающей среды без предварительного разогрева материала.
2. Существенно повысить надежность и обеспечить длительную безотказную работу винтового насоса при любых режимах его работы за счет обеспечения естественного температурного режима в рабочей зоне, а также путем обеспечения перемещения и/или нагнетания материалов в широком диапазоне значений вязкости, создающего непрерывный поток транспортируемого материала, и не требующего применения эластомеров для изготовления рабочих органов насоса.