Плунжерные насосы: устройство, отличия и сфера применения

Что такое плунжерный насос?

Плунжерный насос - это разновидность объемного насоса возвратно-поступательного действия для перекачивания жидкостей. Его основные составные части:

• Цилиндр (рабочая камера)
• Плунжер (поршень без уплотнений) 
• Всасывающий и нагнетательный клапаны
• Привод (для возвратно-поступательного движения плунжера)

Принцип работы: при движении плунжера из крайнего правого положения влево в цилиндре создается разрежение, всасывающий клапан открывается и жидкость засасывается в цилиндр.  При обратном ходе плунжера вправо всасывающий клапан закрывается, жидкость сжимается и под высоким давлением вытесняется через нагнетательный клапан.

Преимущества:

• Создание высокого давления нагнетания (до сотен МПа)  
•  Равномерность подачи жидкости
•  Длительный срок службы плунжера из-за отсутствия трущихся уплотнений

Их широко применяют для перекачивания вязких, загрязненных жидкостей, буровых растворов, а также для создания высокого давления в гидравлических системах прессов, испытательных стендов и т.п.

К какому типу насосов относятся поршневые и плунжерные насосы

Поршневые и плунжерные насосы относятся к объемным насосам возвратно-поступательного действия.

Объемные насосы работают по принципу вытеснения жидкости из замкнутого объема (рабочей камеры) под действием движущегося рабочего органа. В отличие от динамических насосов (центробежных, осевых), в которых энергия передается жидкости непрерывно, в объемных насосах энергия передается порциями при периодическом изменении объема рабочей камеры.

Возвратно-поступательное действие означает, что рабочий орган (поршень или плунжер) совершает периодические возвратно-поступательные движения внутри цилиндра, попеременно увеличивая и уменьшая объем рабочей камеры. Это приводит к всасыванию жидкости в камеру и последующему вытеснению ее из камеры под высоким давлением.

• Роторные насосы (шестеренные, винтовые, пластинчатые и др.)
• Мембранные насосы
• Перистальтические насосы

Каждый тип объемных насосов имеет свои особенности конструкции, области применения, преимущества и недостатки. Поршневые и плунжерные насосы выделяются среди них способностью создавать высокое давление нагнетания и возможностью перекачивать широкий спектр жидкостей, включая вязкие, агрессивные и загрязненные среды.

В нем разница между поршнем и плунжером

• Представляет собой диск с уплотнениями по окружности (поршневыми кольцами).
•  Уплотнения необходимы для герметизации рабочей камеры при движении поршня.
•  Диаметр поршня почти равен внутреннему диаметру цилиндра, зазор очень мал.
•  Из-за трения уплотнений о стенки цилиндра поршень подвержен большему износу.

•  Представляет собой гладкий стержень без уплотнений.
•  Диаметр плунжера значительно меньше внутреннего диаметра цилиндра.
•  Герметизация осуществляется за счет точной подгонки (малых зазоров) между плунжером и направляющей втулкой, установленной в крышке цилиндра.
•  Отсутствие трения уплотнений обеспечивает больший срок службы плунжера по сравнению с поршнем.

Насосы с плунжером способны создавать более высокое давление и обеспечивают больший ресурс работы по сравнению с поршневыми при перекачке агрессивных, вязких или загрязненных жидкостей. Однако они сложнее в изготовлении из-за необходимости обеспечения малых зазоров между плунжером и втулкой.

Чем плунжерный насос отличается от бурового насоса

• Назначение. Плунжерные насосы имеют широкий спектр применения, включая перекачку различных жидкостей, создание высокого давления в гидравлических системах и т.д. Буровые насосы специально предназначены для подачи бурового раствора под высоким давлением в буровую колонну при бурении скважин.
• Конструктивные особенности. Плунжерные насосы могут иметь различную конструкцию, число плунжеров, расположение цилиндров и т.п. Буровые насосы обычно имеют два или три плунжера (дуплекс или триплекс), горизонтальное расположение цилиндров, специальные клапаны для бурового раствора.
• Режимы работы. Плунжерные насосы могут работать в различных режимах в зависимости от требований конкретного применения. Буровые насосы работают в тяжелых условиях, непрерывно в течение длительного времени, с высокими нагрузками и давлениями.
• Перекачиваемая среда. Плунжерные насосы могут применяться для различных жидкостей, в том числе чистых, вязких, агрессивных. Буровые насосы предназначены для подачи бурового раствора, который содержит абразивные частицы породы, химические добавки и имеет высокую плотность.

Буровой насос является специализированным типом плунжерного насоса, адаптированным для тяжелых условий работы при бурении скважин и перекачивания бурового раствора.

Где применяются плунжерные насосы

Плунжерные насосы находят широкое применение в различных отраслях промышленности благодаря своей способности создавать высокое давление и перекачивать различные типы жидкостей. Вот некоторые из основных областей применения:

• Буровые насосы для подачи бурового раствора при бурении скважин
• Насосы для гидроразрыва пласта
• Насосы для перекачки нефти и нефтепродуктов

• Дозировочные насосы для подачи химических реагентов
• Насосы для перекачки агрессивных, вязких и загрязненных жидкостей

• Питательные насосы для подачи воды в паровые котлы
• Насосы для систем гидроаккумулирования энергии

• Насосы для прессов, испытательных стендов, подъемных механизмов
• Насосы для систем смазки и охлаждения

• Насосы высокого давления для установок обратного осмоса
• Дозировочные насосы для химических реагентов

• Насосы для перекачки вязких продуктов (масла, сиропы, тесто и т.п.)
• Насосы для гомогенизации и диспергирования продуктов

• Насосы для подачи бетона и растворов
• Насосы для гидравлических систем строительной техники

Это лишь некоторые примеры, демонстрирующие универсальность и широкие возможности применения плунжерных насосов в различных отраслях промышленности.

Что является основным рабочим органом плунжерного насоса

Основным рабочим органом плунжерного насоса является плунжер. Плунжер представляет собой гладкий цилиндрический стержень, который совершает возвратно-поступательное движение внутри цилиндра (рабочей камеры) насоса.

• Создание разрежения в цилиндре при движении из крайнего правого положения влево, что приводит к всасыванию жидкости через всасывающий клапан.
• Вытеснение жидкости из цилиндра под высоким давлением при движении из крайнего левого положения вправо, что приводит к нагнетанию жидкости через нагнетательный клапан.

Плунжер является одной из наиболее ответственных деталей насоса, так как он подвергается значительным механическим нагрузкам, воздействию высоких давлений и иногда агрессивных сред. Для обеспечения длительного срока службы плунжеры изготавливают из высококачественных материалов, таких как специальные стали, керамика или композиты, и подвергают специальной обработке поверхности для повышения износостойкости и коррозионной стойкости.

Точная подгонка плунжера к направляющей втулке в крышке цилиндра обеспечивает герметичность рабочей камеры без применения дополнительных уплотнений, что является отличительной особенностью плунжерных насосов по сравнению с поршневыми.

Что такое трехплунжерный насос

Трехплунжерный насос, также известный как триплекс-насос, представляет собой разновидность плунжерного насоса, которая имеет три плунжера (рабочих элемента), расположенных в отдельных цилиндрах. Эти цилиндры обычно размещаются горизонтально и равномерно распределены вокруг общего приводного вала под углом 120° друг к другу.

• Равномерность подачи. Благодаря тому, что плунжеры работают со сдвигом по фазе на 120°, достигается более равномерная подача жидкости по сравнению с одно- или двухплунжерными насосами.
• Высокая эффективность. Трехплунжерные насосы способны создавать высокое давление нагнетания при относительно высоком КПД.
• Компактность: При той же производительности трехплунжерный насос обычно имеет меньшие габариты и вес по сравнению с насосами с меньшим числом плунжеров.
• Надежность. Распределение нагрузки между тремя плунжерами снижает износ деталей и повышает срок службы насоса.

Трехплунжерные насосы широко применяются в нефтегазовой отрасли (буровые насосы, насосы для гидроразрыва пласта), в химической промышленности, энергетике, а также в гидравлических системах высокого давления. Они особенно эффективны при работе с высоковязкими, абразивными или агрессивными жидкостями, а также при необходимости создания высоких давлений нагнетания.

Для чего нужен плунжер в ШГН

В штанговом глубинном насосе (ШГН) плунжер является ключевым элементом, который обеспечивает подъем жидкости из скважины на поверхность. ШГН представляет собой разновидность поршневого насоса, который приводится в действие от станка-качалки через колонну насосных штанг.

• Создание разрежения при ходе вверх: При движении плунжера вверх в цилиндре насоса создается разрежение, что приводит к открытию всасывающего клапана и заполнению цилиндра жидкостью из скважины.
• Вытеснение жидкости при ходе вниз: При движении плунжера вниз всасывающий клапан закрывается, и жидкость, находящаяся в цилиндре над плунжером, вытесняется через нагнетательный клапан в колонну насосно-компрессорных труб (НКТ) и далее на поверхность.
• Герметизация: Плунжер имеет уплотнения (манжеты или кольца), которые обеспечивают герметичность рабочей камеры насоса и предотвращают утечки жидкости между плунжером и цилиндром.

Эффективность работы ШГН во многом зависит от состояния плунжера и его уплотнений. Износ или повреждение плунжера и уплотнений может привести к снижению производительности насоса, утечкам жидкости и необходимости проведения ремонта или замены насоса.

Для изготовления плунжеров ШГН используются износостойкие материалы, такие как специальные стали, керамика или композиты, что позволяет увеличить срок службы плунжера в условиях абразивного воздействия добываемого флюида и наличия механических примесей в скважинной жидкости.