Кулачкові ротаційні насоси

Зміст

1 Вакуумні насоси
2 Вакуумний насос Рутса
3 Кулачкові ротаційні насоси
4 Будова
5 Принцип дії
6 Основні технічні характеристики
7 Переваги
8 Призначення
9 Kомпресори
10 Маркування
11 Джерела

Вакуумні насоси

ВАКУУМНИЙ НАСОС - це насос, що є елементом вакуумної системи і призначений для створювання, підвищення та підтримання вакууму.

рис. 1. Вакуумний насос

До основних параметрів вакуумних насосів належать наступні параметри:

- Найменший граничний тиск, що може бути досягнутий насосом;

- Швидкість відкачування (об’єм газу, що відкачується при даному тиску за одиницю часу; м³/с, л/с);

- Найбільший допустимий випускний тиск випускного перетину насоса, подальше підвищення якого показує нормальну роботу останнього.

рис.2. Найпростіший вакумний насос: Класична ручна водяна помпа підіймає воду з свердловини, створюючи вакуум

За фізичними принципами роботи, вакуумні насоси поділяються на газоперекачувальні та газозв’язувальні насоси.

Газоперекачувальні насоси – вакуумні насоси, у яких переміщення газу від входу до виходу здійснюється або внаслідок механічного руху робочих частин насоса, або за рахунок захоплювання газу чи молекул газу струменем робочої речовини, або за рахунок дії електричного і магнітного полів чи одного електричного поля. За своїми фізичними властивостями, газоперекачувальні насоси поділяються на об’ємні та кінетичні.

Об'ємні насоси здійснюють відкачування за рахунок періодичної зміни об'єму робочої камери та використовуються переважно для отримання попереднього розрідження. До них належать поршневі або ротаційні (обертальні) вакуумні насоси.

a) У поршневих насосів головною робочою деталлю є циліндр, поршень та приводний механізм, що використовуються для створення вакууму 5..100 мм.рт.ст. Вони бувають наступних видів:

- сухі (відкачують лише газ);

- мокрі (здатні відкачувати суміш газу з рідиною);

b) Ротаційні насоси використовують обертальний рух спеціального пристрою (ротора) та використовуються для створення вакууму 0,5…0,001 мм рт.ст. В залежності від конструкції ротора, ротаційні насоси поділяються на:

- масляні (з масляним защільненням): пластинчасто-роторні, пластинчасто-статорні, роторно-плунжерні);

- з ковзними лопатями— використовуються для великих об'ємів та створення централізованих систем попереднього розрідження;

- з рідинним поршнем — використовуються для відкачування легкозаймистих при низьких температурах газів, для тих, яким не допускається контакт з мастилом та інших спеціальних умов;

- двороторні незмащувані — мають високу швидкість обертання роторів (до 3000 об/хв);

- зубчасті — служать для створення низького вакууму (0,1…0,01 мм рт.ст.), швидкість обертання до 1000 об/хв.

До переваг вакуумних насосів відносять:

1. Високу експлуатаційну безпеку;

2. Низький рівень шуму;

3. Низьке споживання енергії;

4. Хороше співвідношення ціни та якості.

Вакуумний насос Рутса

НАСОС РУТСА - багатоступінчастий двороторний вакуумний насос з двома лопатями, призначений для отримання середнього та низького вакууму. Насоси Рутса названі на честь братів-винахідників Рутс, котрі в 1860-му році в США вперше розробили низьконапірні компресори.

рис.3. Брати Рутс

рис. 4. Будова насосу Рутса: 1. Двигун; 2. Вільний підшипник; 3. Впускний патрубок; 4. Поршень Рутса; 5. Лабіринтне ущільнення; 6. Привід; 7. Перепускний клапан; 8. Камера всмоктування; 9. Індикатор рівня масла; 10. Відвід масла; 11. Роз’єм під ущільнюючий газ; 12. Випускний канал; 13. Нерухомий підшипник.

У насосах Рутса два синхронно протилежно обертових ротора (4) обертаються безконтактно в одиночному корпусі. Ротори мають конфігурацію у вигляді вісімки, і відокремлюються один від одного вузьким зазором.

Принцип дії роторів є аналогічним до роботи шестеренчатого насоса з двузубчатим колесом, який відкачує газ з впускного каналу (3) у випускний канал (12). Один вал приводиться в рух двигуном (1). Інший вал синхронізується за допомогою зубчастої пари (6) в приводній камері. Зона змазування обмежується двома приводними камерами з підшипником, які ізольовані від камери всмоктування (8) лабіринтовими ущільненнями (5). Завдяки відсутності тертя в камері всмоктування, вакуумний насос Рутса здатний функціонувати при високих швидкостях обертання (1500 - 3000 об / хв). Відсутність маси, що здійснює зворотно-поступальні рухи, також забезпечує надійне динамічне балансування, при якому вакуумні насоси Рутса, незважаючи на високі швидкості, працюють безшумно.

Для забезпечення запуску насосу Рутса за тиску, що є більшим за рекомендований тиск запуску, в двороторному насосі Рутса передбачена перепускна лінія, що працює наступним чином: клапан відкривається при великій різниці між тисками в робочих частинах насосу Рутса. Частина «зайвого» газу порціями переміщається в механічний форвакуумний насос, інша, охолоджуючи ротори, повертається назад. Функція перепускної лінії дозволяє суттєво зменшити енергоспоживання двигуна при роботі на високих тисках, а також уникнути використовування зовнішніх перемикачів тиску.

Основними перевагами двороторних насосів Рутса є:

• Максимально спрощена процедура планового обслуговування;

• Компактний дизайн;

• Низький рівень шуму та вібрацій;

• Повітряне охолодження.

Дані насоси знайшли застосування в багатьох галузях промисловості. У комбінації з пластинчато-роторним насосом або іншим форвакуумним насосом вони дозволяють досягати розрядження до 2 *10-4 мбар з великою швидкістю відкачування.

Завдяки відсутності тертя в роторах і високій надійності, двороторний насос Рутса особливо добре зарекомендував себе на виробництві.

Якір електродвигуна і ведучий вал насоса герметичні, завдяки чому в конструкції відсутні зовнішні манжети валів, а, отже, і потенційні витічки.

Стійкість до технологічних газів і конденсату забезпечується точністю і якістю виготовлення деталей.

Кулачкові ротаційні насоси

рис.5. Двокулачковий ротаційний насос

КУЛАЧКОВИЙ РОТАЦІЙНИЙ НАСОС - один з видів ротаційних насосів, призначений для перекачування в’язких рідин (сметани, вершків, майонезу тощо). Він використовується значно рідше за інші ротаційні насоси, оскільки поступається шестерним та гвинтовим насосам за надійністю, технічно-економічною ефективністю та використовуються лише там, де необхідні високі тиски та строга постійність подачі рідини незалежно від них.

Кулачковий насос є одним з найскладніших у виготовленні типом насосів, оскільки вимагає високої якості матеріалів і комплектуючих, обробки поверхні та високої професійної збірки. Складність виготовлення і висока вартість кулачкових насосів в порівнянні з об'ємними насосами інших типів виправдана низькою вартістю експлуатації (для прикладу, хороша модель невеликої потужності буде коштувати приблизно 15-20 тис.грн).

У насосі практично відсутнє зношування, він розрахований на постійну роботу, його конструкція дозволяє проводити обробку насосу гострою парою, температурою до 140 С, що дозволяє відігравати велику роль в харчовій та фармацевтичній промисловостях.

Будова

рис. 6. Двороторний двокулачковий ротаційний насос

Кулачкові насоси отримали свою назву завдяки тому, що робочими елементами (штовхачами) ротора є кулачки спеціальної форми. Ці насоси бувають одно – та двороторними, з дво - та трьохкулачковими роторами. Найбільш часто їх застосовують у якості повітряних продувних насосів суднових двотактних двигунів внутрішнього згоряння тощо. На рис. 6 показано пристрій двороторного двокулачкового насосу. Ведучий ротор 2 з'єднаний з приводом, а ведений 3 вільно обертається в підшипниках. Щоб уникнути протікання повітря з нагнітальної порожнини 4 у всмоктувальну порожнину 5 , внутрішню поверхню корпусу 1 і зовнішню поверхню кулачків 2 і 3 , вони обробляються дуже ретельно, з мінімальним зазором між ними. При напрямку обертання роторів, зазначеному на малюнку стрілками, повітря, засмоктуваний знизу переміщається в замкнутих об'ємах і виштовхується з насоса вгору. Зважаючи на труднощі забезпечення необхідних зазорів в місцях дотику робочих поверхонь, продуктивність таких насосів порівняно невисока (до 400 м3/хв) . При частоті обертання 200-400 об/хв тиск нагнітання не перевищує 30 кН/м2 (0,3 кгс/см2).

Принцип дії

Принцип дії кулачкових насосів полягає в обертах двох роторів, закріплених на валах та установлених на підшипниках корпусу, у протилежних напрямках. Синхронні оберти роторів, при яких виключається контакт між ними, забезпечується за допомогою спеціальних синхронізуючих зубчастих коліс, що передають потужність з приводного валу на вал відомого зубчатого колеса (рис.7 ). При виході кулачків роторів з щеплення, об’єм камери, вміщеної між ними, збільшується, і це призводить до зниження тиску (розрідження) зі всмоктувального патрубка насосу, що забезпечує приплив рідини з всмоктувального трубопроводу . Об'єм рідини, що перекачується, який укладений між кулачками роторів і їх корпусом, переміщується від всмоктувального до нагнітаючого патрубка. При вході кулачків роторів в щеплення, об'єм камери, укладеною між ними, зменшується, що призводить до зростання тиску в нагнітальному патрубку насоса і забезпечує подачу рідини під тиском в нагнітальний трубопровід.

Основні технічні характеристики

Продуктивність:	До 160 м3/год.
Робочий тиск:	До 30 ба
В’язкість:	До 1 000 000 Пас
Діаметр з’єднань:	Від 1” до 5”
Самовтягуюча здатність заповненого насосу:	До 4 м
Температура	Від -10 до +130 С
Максимальна температура, що становить +160С, допускається при оптимальній комплектації насосу та спеціальній обробці робочих елементів.

Переваги

До переваг двокулачкових ротаційних насосів можна віднести наступні характеристики:

1. Можливість перекачування рідин з чутливою структурою. Завдяки низькій швидкості потоку в насосі при його роботі структура рідини залишається незмінною.

2. Рівномірна подача рідин. Кулачкові насоси забезпечують практично рівномірну подачу рідини, що виключає необхідність використання демпферів пульсацій.

3. Міцна і надійна конструкція. Проста і міцна конструкція насосів, висока точність виготовлення деталей, а також відмінна якість використовуваних матеріалів забезпечують надійну експлуатацію насосів протягом десятків років.

4. Легкий ремонт і технічне обслуговування.Єдина зношувана деталь насосу – торцеве ущільнення, на заміну якого кваліфікований персонал потребує менше години часу.

Кулачкові насоси відрізняються високою ефективністю, простотою технічного обслуговування та низьким рівнем шуму, мають гігієнічну конструкцію та забезпечують акуратне перекачування продукту. Вони можуть використовуватись і для перекачування наступних рідин:

а) З чутливою структурою;

б) З максимальною вязкістю до 100000 сПа;

в) З максимальною робочою температурою до 150 градусів Цельсія;

г) З максимально допустимим розміром частинок до 28мм.

До переваг ротаційних насосів також відносяться: малі габаритні розміри, здатність сухого всмоктування і створення високого вакууму (до 700-740 мм рт.ст.), великий напір, відносно високий ККД навіть при малих виробництвах, рівномірність подачі тощо.

Призначення

рис.9. Трьох пелюстковий кулачковий ротаційний насос.

Кулачкові насоси призначені для обережного перекачування в’язких продуктів, що містять певні частинки.

Рис.8. Трьох пелюстковий кулачковий ротаційний насос.

Різна форма роторів, що встановлюється в цих насосах, дозволяє перекачувати рідини з великими включеннями (наприклад, шоколад з цільними горіхами тощо). Частота обертання роторів, зазвичай, не перевищує 200...400 оборотів, що дозволяє виробляти перекачування продуктів не руйнуючи їх структуру.

На зображенні 8 ми можемо розглянути трьох кулачковий насос з трипелюстковими роторами. Насоси такої конструкції застосовуються в харчовому виробництві для акуратного перекачування вершків, сметани, майонезу та схожих рідин, що при перекачуванні насосами інших типів можуть пошкоджувати свою структуру. Наприклад, при перекачуванні вершків відцентровим насосом (у якого частота обертання колеса 2900 об/хв), вони збиваються в масло.

Kомпресори

'Компресор' – машина для стискування повітря або іншого газу до надлишкового тиску не нижче 0,2 МПа, компресії і переміщення газів під тиском.

Рис.10. Компресор

За принципом роботи, компресори поділяються на:

- Поршневі;

- Ротаційні;

- Відцентровані;

- Осьові;

- Струминні.

У поршневих компресорах газ стискується між внутрішніми стінками робочого циліндра і поршнем, що рухається зворотно-поступально.

Робочим органом ротаційних компресорів є обертовий поршень-ротор (один або декілька). В них об'єм засмоктаного газу зменшується між ковзними пластинами ексцентрично розташованого ротора і циліндром (пластинчасті компресори), між двома гвинтовими роторами (гвинтові компресори), між двома спіралями (спіральні компресори) тощо. У відцентрових компресорах газ, набуваючи обертового руху від робочих коліс ротора, спочатку стискується під дією відцентрових сил, а далі (у кільцевому дифузорі) — через зниження швидкості руху. Прикладами цього типу компресорів є гвинтові, роторно-кулачкові та роторно-пластинчасті компресори .

В осьових компресорах газ переміщується паралельно до осі ротора, стикаючись між його робочими лопатками і нерухомими лопатками корпуса.

Рис.11 Пластинчастий ротаційний компресор: 1. ротор; 2. корпус; 3. ковзаючі пластини; 4. всмоктувальний патрубок; 5. нагнітальний патрубок.

Відцентрові й осьові компресори часто називають також турбокомпресорами.

Усі компресори можна поділити на 2 групи: динамічні та об’ємні. В динамічних компресорах газ стискається шляхом збільшення його швидкості і перетворення кінетичної енергії газу в енергію тиску. В об’ємних компресорах в результаті зменшення об’єму робочого простору.

Існують т.з. вакуумні насоси, що відрізняються від компресорів тим, що у вакуумного насоса тиск повітря на всмоктувальній лінії завжди нижчий за атмосферний рівень, а при високих рівнях створюваного вакууму майже дорівнює нулю. Крім того, відмінність між компресорами і вакуумними насосами полягає в різниці між створюваним і атмосферним тиском вакуумного насоса (при абсолютному вакуумі він не є більшим за 760 мм.рт.ст.).

Компресори можуть створювати тиск, що не є більшим десятку або сотні атмосфер. При зростанні рівня вакууму, насос приймає повітря на кожен такт впуску.Компресори мають сталий тиск та продуктивність апарату протягом всього часу роботи.

Рис.12 Водокільцевий ротаційний компресор: 1. корпус; 2. ротор; 3. всмоктуючий отвір; 4. нагнітаючий отвіp

Водокільцеві компресори - це одноступінчаті ротаційні насоси витіснення рідин, з нескладною та надійною конструкцією, що мають наступні характеристики:

-екологічно нешкідливі;

-вільні від масла (робоча зона без змащення);

-відкачують практично всі види газів і парів;

-зручні в обслуговуванні і безпечні в експлуатації;

-безшумні;

-вібростійкі;

-з вбудованим брудовіддільником тощо

Дані компресори застосовуються там, де потрібна нагнітання тиску до 1,5 бар і допускається мінімальне підвищення температури. Сферами застосування є такі галузі як, наприклад: виробництво пластмас (регенерація технологічних газів), нафтохімічна промисловість (ущільнення горючих газів) і тд.

Маркування

Маркування насосів має наступні позначення:

1. Цифри:

Перша – діаметр всмоктуючого патрубка в міліметрах, зменшений в 25 разів та заокруглений;

Друга – коефіцієнт швидкохідності, зменшений в 10 разів та заокруглений;

Третя – число ступенів.

2. Букви:

Н – нафтовий;

Г – гарячий, призначений для перекачки при високих температурах;

Д – перше робоче колесо двостороннього входу;

В – вертикальний;

К – консольний;

С – для зріджених газів;

М – модернізований.

Наприклад, 6НГ – 10 Х 4 – центробіжний насос, діаметр всмоктубчого патрубка 150мм, нафтовий, гарячий (температура 200-400 С), коефіцієнт швидкохідності 100, чисто ступенів - 4.

Повний натиск Н, що розвивається центробіжним насосом, в метрах стовпа рідини, що перекачується, не залежить від питомої ваги рідини.

Кавітація – створені на внутрішніх поверхнях насосу площин з пониженим тиском. В результаті зниження тиску до величини, що відповідає процесу пароутворення при температурі перекачки, рідина починає кипіти, в ній утворюються площини, заповнені парою. При найменшому збільшенні тиску відбувається конденсація парів, і площини заповнюються рідиною з великою швидкістю, викликаючи удари об поверхню деталей насосу, що повторюються десятками тисяч раз за секунду.

В результаті такого явища з’являється вібрація насосу, шум, що супроводжуються знищенням стінок насосу, колеса та втягуючого підведення. Зменшується розхід перекачуваної рідини, створюваний тиск тощо.