Шестеренчатые насосы

Добавлено 30.10.2025

Шестеренчатые насосы: принцип действия, конструкция, применение и технические аспекты

Шестеренчатый насос представляет собой объемный роторно-зубчатый насос, в котором перемещение рабочей среды осуществляется за счет изменения объема камер, образованных зубьями шестерен и корпусом. Это один из наиболее распространенных типов насосов для перекачивания жидкостей с различными вязкостными свойствами, отличающийся простотой конструкции, высокой надежностью и способностью создавать значительное давление.

Принцип действия и классификация

Основной принцип работы основан на зацеплении двух или более шестерен, вращающихся в замкнутой полости корпуса. Вращение шестерен приводит к тому, что в зоне выхода зубьев из зацепления создается разрежение, и жидкость поступает во всасывающую полость. Затем жидкость переносится зубьями в полостях между зубьями и стенками корпуса к нагнетательной полости. В зоне входа зубьев в зацепление объем камеры уменьшается, что приводит к вытеснению жидкости в нагнетательный трубопровод.

Классификация по типу зацепления:

Насосы с внешним зацеплением: Две одинаковые шестерни (ведущая и ведомая) находятся в зацеплении. Это наиболее распространенный тип. Отличаются широким диапазоном рабочих параметров, простотой обслуживания.
Насосы с внутренним зацеплением: Меньшая ведущая шестерня (ротор) находится в зацеплении с большей ведомой шестерней (статором), расположенной соосно внутри корпуса. Обладают более компактными размерами, меньшим уровнем шума и пульсаций потока.
Насосы с серповидным разделителем: Разновидность насосов с внутренним зацеплением, где между ротором и статором установлен неподвижный серповидный разделительный элемент, обеспечивающий герметичность между всасывающей и нагнетательной полостями.

Конструктивные элементы и материалы

Типичный шестеренчатый насос состоит из следующих ключевых компонентов:

Корпус (статор): Основная деталь, формирующая рабочую полость. Материалы: чугун, сталь, нержавеющая сталь, алюминиевые сплавы, дуплексные стали.
Шестерни (роторы): Ведущая и ведомая. Профиль зубьев: эвольвентный, прямозубый, шевронный, спиральный. Материалы: закаленные стали, инструментальные стали, карбид вольфрама, PEEK-полимер.
Валы: Передают крутящий момент от привода к шестерням. Изготавливаются из высокопрочных сталей.
Подшипники: Опорные подшипники скольжения (втулки) или качения. Работают в режиме жидкостного трения, материал часто совпадает с материалом корпуса или является антифрикционным сплавом (бронза, баббит).
Торцевые или боковые распределительные плиты (крышки): Обеспечивают осевое уплотнение камер. Могут иметь регулировочные возможности для компенсации износа.
Уплотнения вала: Сальниковые набивки, торцевые механические уплотнения (single или double), магнитные муфты (для полной герметичности).
Предохранительный клапан: Встроенный или внешний, защищает насос и систему от превышения допустимого давления.

Основные технические характеристики и параметры выбора

Выбор шестеренчатого насоса осуществляется на основе анализа следующих параметров:

Параметр	Обозначение/Единица измерения	Описание и влияние
Рабочий объем	q, [см³/об]	Объем жидкости, вытесняемый за один оборот вала. Определяет теоретическую производительность.
Производительность (подача)	Q, [л/мин]	Фактический объемный расход. Зависит от рабочего объема, скорости вращения и объемного КПД (η_v). Q = (q n η_v) / 1000.
Давление нагнетания	P, [бар], [МПа]	Максимальное рабочее давление, на которое рассчитан насос. Определяет механическую прочность корпуса, валов и нагрузку на подшипники.
Вязкость рабочей жидкости	ν, [сСт], [мм²/с]	Ключевой параметр. Высокая вязкость снижает внутренние утечки (повышает η_v), но увеличивает гидравлические потери и требуемый крутящий момент.
Скорость вращения	n, [об/мин]	Определяется вязкостью: для высоковязких сред скорость снижают. Превышение приводит к кавитации и ускоренному износу.
Объемный КПД	η_v, [%]	Отношение фактической подачи к теоретической. Снижается из-за внутренних утечек (зазоры, вязкость).
Полный КПД	η, [%]	Учитывает объемные, гидравлические и механические потери. η = η_v η_г η_м.
Допустимая температура	T, [°C]	Определяется материалами уплотнений и зазорами. Влияет на вязкость жидкости и тепловое расширение деталей.

Области применения в энергетике и промышленности

Шестеренчатые насосы находят широкое применение благодаря своей универсальности:

Топливно-энергетический комплекс: Перекачка мазута, печного топлива, дизельного топлива, сырой нефти, битума, смазочных масел в системах хозяйства топливоподачи и смазки.
Гидропривод: В качестве насосов подачи рабочей жидкости (минеральные масла, синтетические жидкости) в гидросистемах станков, прессов, подвижного оборудования.
Химическая и нефтехимическая промышленность: Перекачивание полимеров, смол, растворителей, кислот и щелочей (при использовании специальных материалов корпуса и уплотнений).
Судостроение: Насосы смазочного масла, топливоперекачивающие насосы, насосы вязких нефтепродуктов.
Пищевая промышленность: Перекачка патоки, шоколада, жиров, растительных масел (исполнение из нержавеющей стали, соответствие санитарным нормам).

Преимущества и недостатки

Преимущества:

Простота и компактность конструкции, ремонтопригодность.
Высокая надежность и долговечность при работе на номинальных режимах.
Способность создавать высокое давление (до 300 бар и более для специализированных моделей).
Самовсасывающая способность (сухое всасывание ограничено).
Хорошая производительность при работе с высоковязкими жидкостями.
Реверсивность потока (при изменении направления вращения).
Относительно невысокая стоимость.

Недостатки:

Жесткая характеристика: подача пропорциональна скорости вращения, требует защиты от превышения давления.
Пульсация подачи и давления, особенно у насосов с внешним зацеплением и малым числом зубьев.
Чувствительность к твердым примесям и абразивам в рабочей жидкости, ведущая к ускоренному износу.
Ограниченная допустимая скорость вращения при работе с низковязкими жидкостями из-за риска кавитации.
Постоянный рабочий объем (регулируемые модели сложны и редки).

Особенности эксплуатации и монтажа

Для обеспечения длительной и безотказной работы необходимо соблюдать следующие условия:

Подготовка системы: Обязательная установка фильтров тонкой очистки (тонкость 25-100 мкм в зависимости от зазоров) на линии всасывания. Использование предохранительного клапана.
Условия всасывания: Минимизация длины всасывающей линии, обеспечение положительного подпора жидкости при работе с низковязкими средами. Диаметр всасывающей трубы должен быть не меньше присоединительного размера насоса.
Обкатка: После ремонта или первого пуска рекомендуется работа на пониженном давлении и скорости для притирки трущихся поверхностей.
Температурный режим: Не допускать холодного пуска под нагрузкой при высокой вязкости. При необходимости использовать подогрев корпуса или линии всасывания.
Совместимость материалов: Проверка стойкости материалов насоса (уплотнений, прокладок) к химическому составу перекачиваемой жидкости.

Тенденции развития и специальные исполнения

Современные разработки направлены на повышение эффективности, долговечности и специализацию:

Высокотемпературные исполнения: Для перекачки битума, расплавов полимеров (до 400°C) с использованием специальных сталей и систем подогрева.
Насосы для абразивных сред: С износостойким покрытием шестерен и корпуса (карбид вольфрама), увеличенными зазорами.
Бесшумные исполнения: Насосы с внутренним зацеплением, шевронными или спиральными зубьями для систем с жесткими требованиями по шуму.
Модульная конструкция: Возможность комбинации различных материалов корпуса, шестерен и уплотнений под конкретную задачу.
Интеграция с частотными преобразователями для плавного регулирования производительности.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем шестеренчатый насос принципиально отличается от центробежного?

Шестеренчатый насос — объемный (роторно-зубчатый). Его подача практически не зависит от создаваемого давления, а определяется рабочим объемом и скоростью вращения. Он способен создавать высокое давление даже при низких оборотах и эффективно работать с высоковязкими жидкостями. Центробежный насос — динамический. Его подача сильно зависит от противодавления в системе (характеристика «напор-подача»), он неэффективен для высоковязких сред и не обладает самовсасыванием в том же смысле, что и объемный насос.

Как вязкость жидкости влияет на работу шестеренчатого насоса?

С ростом вязкости увеличивается сопротивление течению в зазорах, что снижает внутренние перетечки и повышает объемный КПД. Однако одновременно растут гидравлические потери и требуемый крутящий момент на валу. Для высоковязких жидкостей необходимо снижать номинальную частоту вращения, чтобы обеспечить заполнение камер на всасывании и избежать кавитации. Производители указывают рекомендуемые диапазоны вязкости и соответствующие им максимальные скорости вращения.

Что такое «сухое всасывание» и допустимо ли оно для шестеренчатых насосов?

«Сухое всасывание» — способность насоса создать разрежение и начать подачу жидкости при initially сухой всасывающей полости. Шестеренчатые насосы обладают хорошими самовсасывающими свойствами благодаря малым зазорам, но работа в режиме «сухого всасывания» (без жидкости) недопустима в течение более нескольких секунд. Отсутствие смазки приводит к мгновенному схватыванию и задиру трущихся пар (шестерни-торцевые плиты, подшипники скольжения), что выводит насос из строя.

Как правильно подобрать предохранительный клапан для шестеренчатого насоса?

Предохранительный клапан должен быть настроен на давление, не превышающее максимально допустимое рабочее давление насоса (указано в паспорте). Рекомендуется установка непосредственно на напорном патрубке насоса или как можно ближе к нему. Пропускная способность клапана должна быть не менее теоретической производительности насоса. В большинстве промышленных насосов клапан встроен в корпус или крышку.

Каковы основные причины выхода из строя шестеренчатых насосов?

Абразивный износ: Попадание твердых частиц из-за отсутствия или неисправности фильтров. Износ шестерен, корпуса, подшипников.
Кавитация: Работа с недостаточным подпором на всасывании, перегрузка по скорости при низкой вязкости. Приводит к эрозии металла, усталостным разрушениям и повышенному шуму.
Эксплуатация на несовместимых жидкостях: Разрушение уплотнений, коррозия материалов.
Работа в режиме «сухого хода».
Превышение рабочего давления: Поломка валов, деформация корпуса, повышенные нагрузки на подшипники.
Неправильная обкатка после ремонта.

Что означает маркировка, например, ШН 50-25?

Традиционная маркировка шестеренчатых насосов в РФ часто включает аббревиатуру (ШН — шестеренчатый насос) и цифры, обозначающие основные параметры. В примере «ШН 50-25»: 50 — подача в литрах в минуту при номинальной скорости вращения (часто 1500 об/мин), 25 — номинальное давление нагнетания в кгс/см² (примерно 25 бар). Однако единого стандарта нет, и необходимо всегда обращаться к техническому паспорту конкретного изделия для уточнения всех параметров.

Шестеренчатые насосы