В классификации гидравлического оборудования насосы поршневого и плунжерного типа занимают особую нишу, относясь к категории объемных машин с возвратно-поступательным принципом действия. В отличие от динамических агрегатов, где передача энергии потоку происходит непрерывно, объемные насосы функционируют путем периодического вытеснения строго определенного количества жидкости из замкнутого пространства рабочей камеры.
Суть такого механизма заключается в циклическом прямолинейном движении основного рабочего элемента, будь то поршень или плунжер, внутри цилиндра. Это маятниковое движение попеременно то увеличивает, то уменьшает рабочий объем, что и лежит в основе процессов всасывания и последующего нагнетания перемещаемой среды. Плунжерный насос представляет собой устройство, предназначенное для перемещения жидких сред посредством вытеснения. Его конструкция включает герметичную рабочую камеру, или цилиндр, внутри которой перемещается вытесняющий элемент — плунжер, представляющий собой гладкий стержень без уплотнений на его поверхности.
Важнейшими частями системы также являются впускной и выпускной клапаны, которые регулируют поток жидкости, и приводной механизм, сообщающий плунжеру необходимое движение. Функционирование агрегата основано на двухфазном цикле.
- Во время такта всасывания плунжер движется из цилиндра, создавая внутри него зону разрежения. Под действием разницы давлений открывается всасывающий клапан, и рабочая камера заполняется жидкостью.
- На следующем этапе, при обратном ходе плунжера внутрь цилиндра, объем камеры сокращается. Это приводит к росту давления, под воздействием которого всасывающий клапан герметично закрывается.
- Когда давление достигает необходимого уровня, оно преодолевает сопротивление нагнетательного клапана, который открывается, и порция жидкости с силой выталкивается в выходной трубопровод.
Ключевые достоинства таких конструкций обусловлены их принципом действия.
Они способны развивать чрезвычайно высокое давление на выходе, что делает их незаменимыми во многих промышленных задачах.
Отсутствие трущихся уплотнительных элементов непосредственно на плунжере значительно продлевает срок его службы и повышает общую надежность агрегата. Это также позволяет обеспечивать достаточно стабильную и равномерную подачу жидкости. Благодаря этим характеристикам, насосное оборудование плунжерного типа нашло широкое распространение.
Оно эффективно справляется с перекачиванием не только чистых, но и вязких, а также загрязненных сред, включая буровые растворы. Кроме того, их способность генерировать значительный напор востребована в гидравлических системах высокого давления, таких как прессы, испытательные стенды и аналогичное технологическое оборудование. Следует отметить, что помимо возвратно-поступательных, к объемным насосам также относят роторные, мембранные и перистальтические устройства, каждое из которых обладает своей уникальной спецификой.
В классе гидравлических машин объемного действия особое место занимают агрегаты поршневого и плунжерного типов. Их отличительной чертой является способность развивать значительные показатели давления нагнетания, а также эффективно транспортировать рабочие среды с разнообразными характеристиками, включая жидкости с высокой вязкостью, химической агрессивностью или содержанием абразивных частиц.
Ключевое конструктивное отличие между этими двумя типами насосов заключается в фундаментально разном подходе к герметизации рабочей камеры.
Именно способ уплотнения подвижного элемента определяет их эксплуатационные свойства и сферы применения. Поршень представляет собой дискообразный элемент, диаметр которого практически совпадает с внутренним диаметром цилиндра, оставляя лишь минимальный технологический зазор. Герметичность в данном случае обеспечивается за счет специальных уплотнительных колец, установленных по его периметру. Следствием такого устройства является постоянное трение уплотнений о внутреннюю поверхность цилиндра, что приводит к их интенсивному износу и сокращению общего срока службы механизма. Плунжер, в свою очередь, имеет форму гладкого цельного стержня, диаметр которого существенно меньше внутреннего диаметра цилиндра. На его поверхности отсутствуют какие-либо уплотнительные элементы. Герметизация рабочего объема достигается иным способом: за счет прецизионной подгонки плунжера к направляющей втулке, которая монтируется в крышке цилиндра. Минимальный зазор между этими двумя деталями препятствует утечкам жидкости.
Отсутствие прямого трения уплотнительных колец по основной рабочей поверхности обеспечивает плунжерным насосам значительно более высокий эксплуатационный ресурс по сравнению с поршневыми аналогами. Это преимущество особенно ярко проявляется при работе с агрессивными или загрязненными средами, которые быстро выводили бы из строя стандартные уплотнения. Как следствие, плунжерные системы способны генерировать более стабильное и высокое давление. Вместе с тем, такие агрегаты предъявляют более строгие требования к производству. Необходимость обеспечения минимальных зазоров между плунжером и втулкой требует высокой точности металлообработки, что усложняет и удорожает их изготовление. Рассматривая плунжерные насосы, необходимо провести разграничение со схожими по принципу действия, но узкоспециализированными буровыми насосами. Несмотря на общую концепцию вытеснения жидкости, их функциональное предназначение и конструкция имеют существенные различия. Функциональное назначение плунжерных насосов чрезвычайно широко и охватывает множество отраслей, от химической промышленности до гидравлических систем высокого давления. Буровые же агрегаты имеют одну конкретную задачу: обеспечение циркуляции бурового раствора под высоким давлением в процессе бурения скважин. Эти функциональные требования напрямую отражаются на их конструкции.
Буровые насосы чаще всего имеют горизонтальное двух- или трехплунжерное исполнение (известное как дуплекс или триплекс) и оснащаются специализированной клапанной системой, рассчитанной на работу с абразивным и вязким буровым раствором. Конструкция же универсальных плунжерных насосов может быть гораздо более вариативной в зависимости от конкретных условий эксплуатации.
Функционирование буровых насосных агрегатов сопряжено с особо сложными эксплуатационными режимами. Данное оборудование рассчитано на продолжительную непрерывную работу при экстремальных нагрузках и значительных показателях давления, что является нормой в процессе создания скважин. Специфика перекачиваемой жидкости является определяющим фактором. Если стандартные плунжерные насосы могут быть использованы для широкого спектра сред, включая чистые, вязкие или химически активные жидкости, то буровые установки предназначены для решения узкоспециализированной задачи. Их рабочая среда представляет собой буровой раствор — суспензию с высокой плотностью, включающую абразивные частицы выбуренной породы и различные химические реагенты. Таким образом, буровой насос представляет собой высокоспециализированную модификацию плунжерного насоса, спроектированную для самых суровых условий буровых работ.
Значимость плунжерных агрегатов особенно высока в добывающей и перерабатывающей промышленности. В нефтегазовом секторе они являются неотъемлемой частью процессов бурения скважин и интенсификации добычи, например, при выполнении гидроразрыва пласта, а также используются для транспортировки углеводородов. Схожие задачи решаются и в химической индустрии, где насосы обеспечивают точное дозирование реагентов и перемещение вязких или химически активных сред. Энергетический комплекс и тяжелое машиностроение также активно используют потенциал данных насосов. В частности, они выполняют функцию питательных насосов, подающих воду в парогенераторы на электростанциях. В области гидравлики они служат источником высокого давления для работы прессового оборудования, испытательных стендов и разнообразных подъемных устройств. Строительная сфера применяет их для подачи бетонных смесей и растворов, а также в гидравлических системах тяжелой техники. Области применения не ограничиваются тяжелой промышленностью. В системах водоподготовки и очистки стоков насосы высокого давления являются ключевым компонентом установок обратного осмоса. Пищевая отрасль нашла им применение для перекачивания продуктов с высокой вязкостью, таких как масла, сиропы или тесто, и для процессов гомогенизации. Такая универсальность демонстрирует широкие технологические возможности этих механизмов. Ключевым конструктивным элементом, определяющим принцип действия и функциональность данного типа оборудования, выступает плунжер. Именно эта деталь, совершая возвратно-поступательные движения внутри рабочей камеры, обеспечивает вытеснение жидкости и создание высокого давления на выходе из насоса.
Центральным исполнительным элементом насосных систем, предназначенных для работы с высокими давлениями, является плунжер.
Он представляет собой прецизионно изготовленный стержень с гладкой цилиндрической поверхностью, который осуществляет циклические перемещения внутри рабочей камеры агрегата.
Принцип действия плунжера основан на двух последовательных фазах. Во время движения в одном направлении, например, отступая вглубь корпуса, он формирует в рабочей камере область пониженного давления. Это явление инициирует открытие всасывающего клапана и забор перекачиваемой среды внутрь насоса. Обратный ход плунжера выполняет функцию нагнетания. Перемещаясь в противоположном направлении, он сжимает и выталкивает рабочую среду из камеры через нагнетательный клапан, создавая при этом значительное давление на выходе из системы. Функционирование плунжера сопряжено с экстремальными условиями.
Он испытывает колоссальные механические нагрузки, находится под воздействием высокого давления и зачастую контактирует с химически активными жидкостями. Для противодействия этим разрушающим факторам и обеспечения долговечности детали изготавливают из материалов с особыми свойствами, таких как легированные стали, техническая керамика или современные композиты. Поверхность элемента подвергается специальным видам обработки для повышения сопротивления износу и коррозии. Ключевое конструктивное отличие плунжерных агрегатов от поршневых заключается в способе герметизации. Высокоточное сопряжение плунжера с направляющей втулкой обеспечивает необходимую непроницаемость рабочего объема без использования дополнительных уплотнительных колец, что упрощает конструкцию и повышает ее надежность. Развитием данной технологии стали многоплунжерные конструкции, среди которых широкое распространение получила трехплунжерная, или триплексная, система. В таких насосах используются три идентичных рабочих элемента, каждый из которых функционирует в собственном цилиндре. Как правило, их оси расположены со смещением в 120 градусов относительно друг друга вокруг единого приводного механизма. Главное эксплуатационное достоинство такой схемы — достижение значительно более стабильного и непрерывного потока перекачиваемой среды.
Поскольку рабочие циклы каждого из трех плунжеров сдвинуты по фазе, суммарная подача жидкости на выходе из насоса становится практически равномерной, что минимизирует пульсации в гидравлической системе и повышает общую эффективность установки.
Кроме того, распределение общей нагрузки на три рабочих элемента вместо одного позволяет уменьшить износ каждого из них в отдельности, что напрямую сказывается на увеличении ресурса и надежности всего устройства. Такой подход также способствует созданию более компактных и легких агрегатов при сохранении высокой производительности.
Насосное оборудование плунжерного типа, оснащенное тремя рабочими органами, нашло широкое распространение в различных секторах промышленности. Его активно используют в сегменте добычи углеводородов, например, в составе буровых установок или комплексов для проведения гидроразрыва пласта. Кроме того, такие агрегаты востребованы в химическом производстве, в энергетических системах и в составе разнообразного гидравлического оборудования, где требуется создание значительного напора. Конструкция данных насосов оптимально подходит для перекачивания сред с высокой вязкостью, а также жидкостей, содержащих абразивные частицы или обладающих коррозионной активностью. Ключевым преимуществом является их способность развивать очень высокое давление на выходе.
В контексте скважинного оборудования, а именно в штанговых глубинных насосах, или ШГН, плунжер выступает в качестве центрального исполнительного компонента. На него возложена фундаментальная задача по подъему пластового флюида из забоя скважины к устью.
Сам по себе ШГН является одной из вариаций насосов поршневого типа, чей привод осуществляется от наземного балансирного привода, известного как станок-качалка, через механическую связь в виде колонны насосных штанг. Процесс подъема скважинной продукции инициируется восходящим ходом плунжера. Во время этого движения в рабочем пространстве цилиндра под плунжером формируется область пониженного давления. Это физическое явление провоцирует открытие всасывающего клапана, через который жидкость из скважины поступает внутрь насоса, заполняя освободившийся объем. На этапе нисходящего движения плунжера происходит обратный процесс.
Всасывающий клапан герметизируется под давлением столба жидкости, в то время как нагнетательный клапан, расположенный в самом плунжере, открывается. Таким образом, захваченный объем флюида, оказавшийся над плунжером в предыдущем цикле, выталкивается в полость насосно-компрессорных труб для его последующей транспортировки на поверхность. Для обеспечения герметичности рабочей камеры и предотвращения нежелательных перетоков жидкости между стенками цилиндра и движущимся плунжером применяются специализированные уплотнительные элементы. От технического состояния и целостности как самого плунжера, так и его уплотнений, напрямую зависит общая эффективность и коэффициент полезного действия насосной установки. Появление износа или механических повреждений на этих деталях неизбежно приводит к снижению производительности, внутренним утечкам и, как следствие, к необходимости проведения дорогостоящего ремонта или полной замены насосного агрегата. Учитывая эксплуатацию в сложных условиях, которые характеризуются наличием абразивных примесей и агрессивных химических компонентов в добываемой жидкости, к материалам для изготовления плунжеров предъявляются особые требования. В производстве этих критически важных деталей находят применение износостойкие легированные стали, а также передовые неметаллические материалы, включая промышленную керамику и композитные составы. Такой подход позволяет значительно увеличить межремонтный период и общий срок службы оборудования.
