Pompy śrubowe – słownik pojęć

Zebrane tu terminy porządkują najważniejsze pojęcia spotykane przy doborze, eksploatacji i porównywaniu pomp śrubowych. Obejmują słownictwo konstrukcyjne, hydrauliczne i eksploatacyjne, istotne w pracy z mediami lepkimi, ściernymi oraz wrażliwymi na ścinanie.

Ciśnienie różnicowe

Ciśnienie różnicowe oznacza różnicę ciśnienia między króćcem tłocznym a ssawnym pompy, zwykle wyrażaną w barach. W pompach śrubowych parametr ten opisuje rzeczywiste obciążenie hydrauliczne zespołu pompującego i bezpośrednio wpływa na dobór mocy napędu, prędkości obrotowej oraz trwałość elementów roboczych.

W praktyce pojawia się przy doborze pompy do instalacji z określoną wysokością podnoszenia, oporami rurociągu i ciśnieniem na odbiorze. Dla wielu zastosowań przemysłowych typowe wartości mieszczą się w zakresie od kilku do kilkunastu bar, ale granica zależy od liczby stopni i geometrii układu wirnik–stator. Zaniżenie tego parametru prowadzi do spadku przepływu i poślizgu wewnętrznego, a zawyżenie może przyspieszać zużycie elastomeru, przeciążać napęd i skracać żywotność uszczelnienie mechaniczne.

Kawitacja

Gdy lokalne ciśnienie cieczy spada poniżej ciśnienia parowania, pojawia się kawitacja, czyli tworzenie i gwałtowne zapadanie się pęcherzyków pary w strefie ssawnej lub wewnątrz kanałów przepływowych. W pompach śrubowych zjawisko to występuje rzadziej niż w wielu pompach wirowych, ale nadal może pojawić się przy zbyt dużej wysokości ssania, niedostatecznym NPSH lub przy zimnym, bardzo lepkim medium.

W eksploatacji objawia się hałasem, drganiami, niestabilną pracą i spadkiem wydajność objętościowa. Szczególnie ryzykowny jest rozruch przy lepkości rzędu kilku tysięcy mPa·s, gdy straty na ssaniu szybko rosną. Ignorowanie kawitacji prowadzi do erozji powierzchni, uszkodzeń uszczelnień i pogorszenia dokładności dozowania. Dla utrzymania ruchu to sygnał, że trzeba zweryfikować warunki zasilania pompy, średnicę przewodu ssawnego, temperaturę medium i zapas ciśnienia na ssaniu.

Lepkość dynamiczna

Lepkość dynamiczna służy do opisu oporu, jaki ciecz stawia podczas płynięcia i ścinania; jej jednostką jest najczęściej mPa·s lub Pa·s. W kontekście pomp śrubowych parametr ten decyduje o tym, jak łatwo medium wpływa do komór roboczych, jakie będą straty na ssaniu oraz z jaką prędkością można bezpiecznie prowadzić tłoczenie.

W praktyce różnica między 100 mPa·s a 10 000 mPa·s oznacza zupełnie inne warunki doboru napędu, średnicy przewodów i prędkości obrotowej. Wraz ze wzrostem lepkości zwykle maleje ryzyko przecieków wewnętrznych, ale rosną opory zasysania i wymagania dotyczące NPSH. Dobra znajomość tego parametru pozwala ograniczyć kawitacja, uniknąć przeciążenia silnika i poprawnie oszacować rzeczywistą wydajność objętościowa. Błąd w danych lepkościowych, zwłaszcza przy temperaturze procesu innej niż laboratoryjna, często prowadzi do nietrafionego doboru całej pompy.

NPSH

NPSH (Net Positive Suction Head, nadwyżka ciśnienia netto na ssaniu) określa zapas ciśnienia na wlocie pompy ponad ciśnienie parowania cieczy. Parametr ten występuje zwykle w dwóch postaciach: NPSH dostępne w instalacji oraz NPSH wymagane przez pompę, przy czym pierwsza wartość musi być wyższa od drugiej z odpowiednim marginesem, często co najmniej 0,5–1,0 m.

W pompach śrubowych NPSH analizuje się szczególnie przy mediach gorących, lepkich lub doprowadzanych długim przewodem ssawnym. Nawet jeśli sama pompa wyporowa dobrze radzi sobie z gęstym medium, zbyt mały zapas na ssaniu może wywołać kawitacja, pulsacje przepływu i problemy z rozruchem. Znajomość tego parametru ma znaczenie praktyczne przy modernizacji instalacji, zmianie temperatury produktu albo zwiększeniu wydajności. Pominięcie NPSH skutkuje nie tylko spadkiem trwałości pompy, lecz także niestabilnością całego procesu technologicznego.

Pompa wyporowa

Pompa wyporowa nie nadaje cieczy energii głównie przez wzrost prędkości, lecz przemieszcza określoną objętość medium w zamkniętych lub częściowo zamkniętych komorach roboczych. Do tej grupy należą pompy śrubowe, które dzięki współpracy elementów takich jak wirnik i stator transportują medium w sposób ciągły, z relatywnie małą pulsacją.

Termin pojawia się najczęściej przy porównaniu z pompą wirową, zwłaszcza gdy medium ma lepkość powyżej kilkuset mPa·s, zawiera cząstki stałe albo jest wrażliwe na ścinanie. Kluczowe znaczenie ma to, że przepływ w pompie wyporowej jest silnie związany z geometrią komór i prędkością obrotową, a nie wyłącznie z charakterystyką instalacji. Zrozumienie tej różnicy ułatwia poprawny dobór zabezpieczeń przed suchobieg i nadmiernym ciśnienie różnicowe. Błędne traktowanie pompy śrubowej jak pompy wirowej często kończy się złym sterowaniem, przeciążeniem układu lub niestabilnym dozowaniem.

Stator

Do podstawowych elementów roboczych pompy śrubowej należy stator, czyli nieruchoma tuleja o wewnętrznym profilu śrubowym, najczęściej wykonana z elastomeru osadzonego w metalowej obudowie. Współpracuje on z wirnik w taki sposób, że między obiema częściami tworzą się przesuwające komory transportujące medium od ssania do tłoczenia.

W praktyce dobór materiału statora zależy od temperatury, chemii medium i ścieralności; często stosuje się elastomery takie jak NBR, EPDM czy FKM. To właśnie stator w dużej mierze decyduje o szczelności wewnętrznej, a więc o wydajność objętościowa i dopuszczalnym ciśnienie różnicowe. Niewłaściwy materiał lub praca w warunkach suchobieg prowadzą do przegrzania, pęcznienia albo szybkiego starcia powierzchni roboczej. Dla użytkownika oznacza to spadek parametrów i kosztowną wymianę jednego z najważniejszych elementów eksploatacyjnych.

Suchobieg

Suchobieg pojawia się w sytuacji, gdy pompa pracuje bez medium lub przy jego ilości niewystarczającej do smarowania i chłodzenia strefy roboczej. W pompach śrubowych jest to jedno z najgroźniejszych zjawisk eksploatacyjnych, ponieważ kontakt wirnik–stator wymaga cienkiej warstwy cieczy ograniczającej tarcie i odprowadzającej ciepło.

Do suchobiegu dochodzi między innymi po opróżnieniu zbiornika, przy zapowietrzeniu przewodu ssawnego albo błędnym rozruchu po postoju. Już po kilkunastu–kilkudziesięciu sekundach temperatura elastomeru może wzrosnąć na tyle, że dojdzie do jego przypalenia lub trwałej deformacji. Skutkiem jest gwałtowny spadek wydajność objętościowa, wzrost momentu obrotowego i ryzyko uszkodzenia uszczelnienie mechaniczne. Dlatego w praktyce stosuje się czujniki suchobiegu, zabezpieczenia prądowe i procedury zalewania pompy przed startem.

Uszczelnienie mechaniczne

Uszczelnienie mechaniczne nie jest zwykłą uszczelką statyczną, lecz zespołem współpracujących pierścieni uszczelniających wał w miejscu jego wyjścia z korpusu pompy. Jeden pierścień obraca się wraz z wałem, drugi pozostaje nieruchomy, a szczelność zapewnia cienki film cieczy między ich powierzchniami oraz elementy pomocnicze, takie jak sprężyny i elastomery.

W pompach śrubowych dobór uszczelnienia zależy od temperatury, lepkości, obecności cząstek stałych i wymaganego ciśnienie różnicowe. W aplikacjach spożywczych, chemicznych i ściekowych spotyka się różne wykonania, w tym układy pojedyncze i podwójne. Znaczenie praktyczne jest duże: źle dobrane uszczelnienie mechaniczne powoduje wycieki, zasysanie powietrza po stronie ssawnej i nieplanowane postoje. Szczególnie niebezpieczne są warunki suchobieg, bo brak filmu smarującego prowadzi do szybkiego przegrzania powierzchni ciernych i utraty szczelności.

Wirnik

Wirnik w pompie śrubowej jest metalowym elementem o kształcie śruby, który obracając się wewnątrz stator, tworzy przesuwające się komory transportujące ciecz. W odróżnieniu od wirnika pompy wirowej nie pracuje on głównie przez nadawanie prędkości strumieniowi, lecz przez wypieranie kolejnych porcji medium wzdłuż osi pompy.

W zastosowaniach przemysłowych geometria wirnika wpływa na uzyskiwane ciśnienie różnicowe, stabilność przepływu i odporność na ścieranie. Najczęściej wykonuje się go ze stali o podwyższonej odporności powierzchniowej, a przy mediach abrazyjnych stosuje się dodatkowe utwardzanie. Zużycie lub uszkodzenie wirnik objawia się wzrostem poślizgu, spadkiem wydajność objętościowa i pogorszeniem szczelności wewnętrznej. Dla utrzymania ruchu to element krytyczny, bo jego stan bezpośrednio decyduje o sprawności całego zespołu roboczego.

Wydajność objętościowa

Wydajność objętościowa określa ilość medium tłoczoną przez pompę w jednostce czasu, najczęściej w m³/h, l/min lub l/h. W pompach śrubowych parametr ten bywa podawany jako wartość teoretyczna dla danej prędkości obrotowej oraz jako wartość rzeczywista, pomniejszona o poślizg wewnętrzny zależny od zużycia, lepkości i ciśnienie różnicowe.

W codziennej praktyce to jeden z podstawowych parametrów doboru, bo od niego zależy czas napełniania zbiornika, dokładność dozowania i obciążenie dalszych etapów procesu. Przy medium o lepkości 5000 mPa·s rzeczywista wydajność może zachowywać się inaczej niż dla wody, mimo tej samej geometrii pompy. Rozumienie różnicy między przepływem nominalnym a rzeczywistym pozwala trafniej ocenić stan pary wirnik–stator i wykryć skutki kawitacja lub zużycia. Pomijanie tego rozróżnienia prowadzi do błędnych założeń procesowych i nietrafionych zakupów.