Roubové čerpadlo: technický popis a princip činnosti – Hydromechanika

Struktura všech částí a součástí šroubového čerpadla, jakož i popis činnosti šroubového čerpadla.

Princip činnosti šroubového čerpadla

1. z pevných částí – statoru a tělesa čerpadla,
2. z pohyblivé části ve formě jednotky rotující uvnitř tělesa čerpadla, sestávající z rotoru, ojnice, vodicí hřídele a dalších spojovacích částí.

Stator je vnitřní dvojitá spirála, sestávající z kovového pouzdra a k němu připojeného elastomerového materiálu. Rotor má tvar vnější spirály a je obvykle vyroben z vysokopevnostní oceli.

Čerpací jednotka pracuje díky pohybu šroubu (rotoru) – při jeho otáčení se mezi šroubem (rotorem) a pouzdrem (statorem) vytvářejí dutiny (nebo pracovní komory přívodu čerpadla), které pohybují čerpaným médiem směrem k výstupu čerpadla.

Šroubová čerpadla se používají k čerpání viskózních kapalin. Jsou produktivní a poskytují vysoký tlak.

Dále v článku je podrobněji zkoumána struktura všech částí a součástí šroubového čerpadla a také popis činnosti šroubového čerpadla.

Zařízení šroubového čerpadla

Jednošneková čerpadla lze rozdělit na vysoce výkonná čerpadla pro čerpání velkých objemů produktu a šneková čerpadla pro sudy a jiné nádoby. Hlavní rozdíl mezi těmito dvěma typy spočívá v jejich účelu. První mají masivní konstrukci a jsou určena k čerpání velkého objemu kapaliny bez ponoření jakékoli své části do nádoby. Druhá mají naopak ve své konstrukci ponornou část určitého průměru, kterou lze instalovat do plnicího otvoru sudu. Nicméně tato čerpadla mají podobnou konstrukci, jsou samonasávací a jsou schopna čerpat viskózní kapaliny.

Každé šroubové čerpadlo lze rozdělit na dvě části. První část uvádí do pohybu pracovní prvek čerpadla, a tím zajišťuje čerpání kapaliny. Obsahuje motor a převodovku. Druhá část je mechanická část čerpadla, díky které je kapalina čerpána s určitým výkonem a tlakem.

Šroubový motor čerpadla

Jako pohon šnekového čerpadla se nejčastěji používají asynchronní elektromotory uzavřeného typu. Výkon elektromotoru může dosáhnout 15-20 kW a otáčky hřídele se pohybují od 300 do 1500 ot/min. Mnoho výrobců šnekových čerpadel může nabídnout čerpadlo s elektromotorem vybaveným frekvenčním měničem. Pokud je frekvenční měnič standardního typu, pak se zpravidla montuje na svislou část vozíku, na kterém je umístěno samotné šnekové čerpadlo. To se provádí v případech, kdy je nutné čerpat kapalinu z různých nádob jedním čerpadlem. V případech, kdy není nutné čerpadlo přemisťovat, se instaluje stacionárně a v tomto případě se používají frekvenční měniče s bezdrátovou řídicí jednotkou. Kromě elektromotorů se na šneková čerpadla instalují pneumatické motory poháněné stlačeným vzduchem. Obvykle se nacházejí ve vertikálních sudových čerpadlech a svou konstrukcí se podobají pneumatickým motorům odstředivých sudových čerpadel.

Převodovka šroubového čerpadla

Všechna šroubová čerpadla jsou zpravidla ve své konstrukci vybavena redukčními převodovkami. Redukční převodovka je spojovacím článkem mezi motorem a mechanickou částí. Slouží ke změně počtu otáček přicházejících z elektromotoru do samotného čerpadla. Redukční převodovka snižuje počet otáček a zvyšuje točivý moment. Někdy existují redukční převodovky, které mohou měnit směr otáčení hřídele elektromotoru. Velikost točivého momentu je velmi důležitá, pokud má čerpaná kapalina vysokou viskozitu a hustotu. Konstrukčně se redukční převodovka skládá z několika ozubených kol, která jsou v postupném záběru, přičemž průměr kola na straně elektromotoru je vždy menší než průměr kola na straně čerpadla. Proto má redukční převodovka na výstupu vždy vyšší točivý moment a nižší úhlovou rychlost.

Šroubový převodový motor čerpadla

Elektromotor a převodovka se společně nazývají převodový motor. Nejdůležitější charakteristikou je v tomto případě převodový poměr. Ukazuje, kolikrát se zvýšil točivý moment a kolikrát se snížila rychlost přenášená elektromotorem. Výrobci šroubových čerpadel nabízejí převodové motory s různými převodovými poměry, které jsou vhodné pro téměř jakýkoli úkol. Při výběru převodového motoru byste se měli řídit následujícím pravidlem: čím vyšší je viskozita a hustota čerpaného produktu, tím vyšší by měl být převodový poměr, protože v tomto případě bude vysoký točivý moment a nižší úhlová rychlost pracovního prvku čerpadla. Čerpadlo bude schopno čerpat viskózní kapalinu z nádrže do pracovní komory, aniž by přetížilo elektromotor. Zde není o nic méně důležitý ani výkon samotného elektromotoru, protože kapalinu je stále třeba dodávat na určitou vzdálenost. Požadovaný tlak čerpadla je však určen nejen výkonem elektromotoru, ale také konstrukčními vlastnostmi mechanické části.

Mechanická část šroubového čerpadla

Hlavními součástmi mechanické části šroubového čerpadla lze považovat rotor, stator, vstup/výstup čerpadla se závitovým připojením, ložiskové těleso, mechanickou ucpávku a kardanový kloub. Všechny tyto části jsou vzájemně zapojeny sériově a jsou umístěny uvnitř speciálních podpěr.

Kardanový hřídel šroubového čerpadla

Kardanový hřídel, nazývaný také „tah“, má na obou koncích panty. Jeden pant, přes adaptérový hřídel, spojuje „tah“ s převodovým motorem, druhý pant s rotorem čerpadla. Kardanový hřídel je spojovacím článkem pro přenos točivého momentu z motoru na rotor. Navíc, protože kardiandový hřídel má kloubové spojení, může být točivý moment přenášen pod úhlem vzhledem k ose hřídele elektromotoru. Aby se zabránilo kontaktu mechanismu pantu s čerpanou kapalinou během provozu čerpadla, jsou umístěny ve speciálních utěsněných pouzdrech vyrobených ze stejného materiálu jako „tah“.

Těleso šroubového čerpadla

Kardanový hřídel se nachází uvnitř válce, který tvoří těleso čerpadla. Těleso je na jedné straně spojeno přírubami se statorem čerpadla a na druhé straně s ložiskovým tělesem.

Tryska šroubového čerpadla

Na horní části tělesa čerpadla je výtlačné potrubí, které může mít závitové nebo přírubové připojení. Vzhledem k tomu, že šroubová čerpadla mohou čerpat kapalinu reverzibilně, může být toto potrubí spíše sacím než přívodním. Kromě toho může být potrubí čerpadla ve tvaru plnicího trychtýře (bunkru).

Zásobník šnekového čerpadla

Nakládací trychtýře (nebo zásobníky) se používají, když má čerpaný produkt vysokou viskozitu, je pastovitý a nemá tokové vlastnosti. V těchto případech je kardanový hřídel nahrazen pomocným dopravním (podávacím) šnekem, který má také kloubový kloub. Pomocný šnek kromě přenosu krouticího momentu posouvá produkt naložený do trychtýře k páru gerotorů.

Gerotorový pár šroubového čerpadla

Gerotorový pár je nejdůležitější jednotkou šroubového čerpadla, která se skládá z pohyblivé části – rotoru a stacionární části – statoru. Stator, jak je popsáno výše, je ve vnitřní části ocelové pouzdro, které má spirálovitě tvarovanou jednotnou elastomerovou vrstvu získanou v důsledku vulkanizačního procesu. Kov pouzdra statoru a vnitřní elastomerová vrstva jsou vzájemně neoddělitelně spojeny.

V závislosti na účelu gerotorového páru může být stator vyroben z různých materiálů. U šroubového čerpadla se stator někdy nazývá plášť a pouzdro a rotor se nazývá šroub, šnekový dopravník nebo šnekový dopravník. Další běžné názvy šroubových čerpadel jsou tedy šneková čerpadla, gerotorová čerpadla, šneková čerpadla a excentrická čerpadla.

Rotor je šroub, který se otáčí uvnitř statoru. Rotor je jednodílný, ale lze jej rozdělit na dvě části. První částí je hlava rotoru, která je upevněna ke kardanovému hřídeli. Druhou částí je samotné těleso rotoru, které má tvar spirály a je během provozu čerpadla v neustálém kontaktu s pouzdrem.

Stator a rotor tvoří třecí dvojici s vnitřním cykloidálním záběrem. Gerotorová dvojice šroubového čerpadla je k tělesu čerpadla připevněna přírubami. Na konci má, v závislosti na směru otáčení rotoru, sací nebo přívodní potrubí.

Mechanické těsnění na čelní straně

Pro utěsnění pohonu jsou v konstrukci použita koncová mechanická těsnění pro čerpadla. Nachází se mezi „axiálním“ závěsem a pouzdrem ložiska.

Těleso ložiska čerpadla

Ložiskové pouzdro je jednotka sestávající ze dvou radiálních axiálních ložisek a adaptérového hřídele, který je na jedné straně pomocí pera nebo drážek spojen s převodovým motorem a na druhé straně otočným spojením s kardanovým hřídelem.

Obtok pro čerpadlo

Horizontální šroubové čerpadlo může být navrženo s obtokem. Tato modifikace čerpadla se používá, když je v tlakovém potrubí dodatečně instalováno zařízení pro regulaci průtoku (například elektromagnetický ventil). Obtok umožňuje nevypínat motor čerpadla pokaždé, když je ventil v přívodním potrubí uzavřen. Když je ventil uzavřen, čerpadlo pokračuje v provozu a čerpá kapalinu v kruhu z výtlačné větve zpět do sací větve, čímž se zabrání nadměrnému tlaku v úseku od čerpadla k ventilu.

Geometrie párů gerotorů

Výkon šroubového čerpadla závisí na objemu uzavřených dutin gerotorového páru a počtu otáček převodového motoru a tlak vytvářený čerpadlem závisí na počtu uzavřených dutin na jednotku délky gerotorového páru a na výkonu elektromotoru. Vzhledem k tomu, že vlastnosti šroubového čerpadla do značné míry závisí na geometrii gerotorových párů, zvažme tuto problematiku podrobněji.

Existuje několik konstrukčních geometrických faktorů, které přímo ovlivňují výstupní charakteristiky šroubového čerpadla, a také omezení jejich použití. Mezi tyto faktory patří: počet uzavřených dutin gerotorového páru, průměr průřezu rotoru (a statoru) a objem uzavřených dutin mezi rotorem a statorem.

Při stejné délce gerotorového páru jsou možné různé modifikace počtem uzavřených dutin. Jako příklad uvažujme dvě varianty šroubového páru se stejným průměrem a stejnou délkou.

Varianta s velkým počtem uzavřených objemů má plynulý přísun produktu díky relativně nízkému průtoku při zvýšené hodnotě tlaku a také vysokou sací kapacitu. Navíc je díky zvětšené ploše vstupního průřezu možné čerpat i větší částice. Za zmínku také stojí, že taková konstrukce gerotorového páru maximálně vylučuje možnost úniku kapaliny z něj po zastavení čerpadla.

Výhodou konstrukce s menším počtem uzavřených objemů je vysoká produktivita. To je dáno tím, že objem každé konkrétní dutiny je v tomto případě větší než v první variantě. Tato konstrukce má vysoké objemové charakteristiky s dlouhou dobou mezi opravami díky dlouhé kontaktní linii mezi rotorem a statorem.

Proto je při navrhování a výběru šroubového čerpadla pro konkrétní spotřebitelský úkol nutné se v první řadě řídit geometrií gerotorového páru a charakteristikami převodového motoru.

Provoz šroubového čerpadla

Čerpadlo je připojeno k elektrickému obvodu nebo pneumatickému vedení. Po zapnutí čerpadla se hřídel elektromotoru začne otáčet určitým počtem otáček za minutu. Otáčení hřídele elektromotoru se přenáší na hřídel převodovky přes spojovací kloub. Ozubená kola převodovky, která jsou v postupném záběru, snižují počet otáček na výstupu z převodovky a zvyšují točivý moment. Prostřednictvím přechodové hřídele, umístěné v ložiskové jednotce, se úhlová rychlost převodového motoru přenáší na kardanový hřídel nebo dopravní šnekový dopravník, který následně uvádí rotor čerpadla do pohybu přes kloubový kloub.

Uvažujme provoz šroubového čerpadla, kde odbočka na straně gerotorového páru je sací trubka a odbočka na straně tělesa čerpadla je výtlačná trubka. Směr otáčení pohyblivých částí čerpadla odpovídá tomuto diagramu (zprava doleva nebo proti směru hodinových ručiček, pokud se díváte na konec rotoru ze strany sání kapaliny). Šroub se otáčí ve statoru. Protože střed otáčení rotoru je posunut vzhledem ke střední ose statoru o hodnotu excentricity a elastomerová vrstva statoru má spirálový tvar, vytvoří se na straně vstupu kapaliny do čerpadla podtlaková dutina. Do tohoto prostoru je nasávána kapalina. Rotor se otočí o 90 stupňů a tato dutina s kapalinou je hermeticky uzavřena, zatímco samotná kapalina se pohybuje uvnitř statoru gerotorového páru. Když se stator otočí o 90 stupňů, kromě uzavření dutiny kapalinou se vytvoří nová podtlaková dutina, do které vstupuje určitý objem kapaliny.

S každým dalším otočením šroubu vstupuje do gerotorového páru nová část kapaliny a dříve vstupující kapalina dostává stále větší objem. Protože těleso rotoru má také po celé své délce spirálový tvar, tvoří ve spojení se statorem několik uzavřených objemů. Právě těmito objemy se kapalina pohybuje při otáčení rotoru a vzdaluje se od sacího bodu, a protože tyto dutiny jsou utěsněny, nemůže čerpaná kapalina proudit zpět na sací stranu. Čerpaná kapalina pak pod tlakem vstupuje do gerotorového páru do tělesa čerpadla a vystupuje z čerpadla přes výtlačné hrdlo. V případě, že se pohyblivé části čerpadla otáčejí ve směru hodinových ručiček, pak je větev tělesa čerpadla sací větev a větev gerotorového páru výtlačnou větev.