Шестеренные насосы для перекачки масла
Шестеренные насосы для перекачки масла: конструкция, принцип действия, применение и подбор
Шестеренный насос является объемным роторным насосом, в котором рабочая среда перемещается посредством переноса ее во впадинах между зубьями шестерен в зоне зацепления. Для перекачки масел, включая индустриальные, турбинные, трансформаторные, смазочные и гидравлические, эти насосы являются одним из наиболее распространенных и надежных решений благодаря простоте конструкции, высокой эффективности и способности работать с жидкостями различной вязкости.
Принцип действия и основные конструктивные типы
Принцип действия основан на создании разрежения на стороне всасывания и нагнетания на стороне выхода. В корпусе насоса находятся две шестерни — ведущая (приводная) и ведомая. При вращении зубья, выходя из зацепления в зоне всасывания, создают увеличение объема камер, куда под действием атмосферного давления поступает масло. Масло, захваченное во впадинах зубьев, перемещается по периферии корпуса в зону нагнтания. При входе зубьев в зацепление объем камер уменьшается, и масло вытесняется в напорный трубопровод.
Существует два основных конструктивных типа шестеренных насосов для масла:
- Насосы с внешним зацеплением: Две одинаковые шестерни с внешними зубьями находятся в зацеплении внутри общего корпуса. Это наиболее распространенный тип, характеризующийся широким диапазоном рабочих давлений (до 300 бар и более в специальном исполнении), простотой обслуживания и относительно невысокой стоимостью. Недостатком является повышенный пульсирующий поток и шумность по сравнению с другими типами.
- Насосы с внутренним зацеплением: Меньшая ведущая шестерня с внешними зубьями находится в зацеплении с большей ведомой шестерней с внутренними зубьями. Между шестернями расположен серповидный уплотнительный элемент, разделяющий зоны всасывания и нагнетания. Такие насосы обеспечивают более плавную подачу, работают тише и компактнее, но сложнее в изготовлении и, как правило, имеют более низкие предельные давления (до 200-250 бар).
- Подача (производительность), Q (л/мин): Объем жидкости, перекачиваемой в единицу времени. Зависит от геометрического объема рабочей камеры и частоты вращения вала. Важно учитывать, что реальная подача всегда меньше теоретической из-за внутренних утечек (обратного перетекания масла из полости нагнетания в полость всасывания).
- Рабочее давление, P (бар, МПа): Давление, на преодоление которого рассчитан насос. Определяет требования к прочности корпуса, жесткости валов и подшипниковых узлов. Шестеренные насосы для масла обычно работают в диапазоне 10-250 бар.
- Вязкость рабочей жидкости, ν (сСт): Наиболее критичный параметр. Вязкость масла напрямую влияет на производительность, создаваемое давление, КПД и выбор зазоров в насосе. Низкая вязкость увеличивает внутренние утечки, высокая — повышает сопротивление на всасывании и может привести к кавитации.
- Частота вращения, n (об/мин): Определяется типом привода (электродвигатель, дизель). Существуют рекомендуемые диапазоны для жидкостей разной вязкости. Превышение скорости для густого масла ведет к кавитации, а слишком низкая скорость для жидкого масла — к падению КПД.
- Коэффициент полезного действия (КПД): Складывается из объемного КПД (отношение реальной подачи к теоретической) и механического/гидромеханического КПД (потери на трение). Общий КПД современных шестеренных насосов для масла может достигать 85-90% в оптимальном рабочем диапазоне.
- Корпус: Чугун (для общих целей, минеральные масла), алюминиевые сплавы (для снижения веса), стальное литье (для высоких давлений и агрессивных сред).
- Шестерни: Высококачественная закаленная сталь, цементированная сталь. Для особых условий — нержавеющая сталь.
- Валы: Легированная сталь, часто с упрочненной поверхностью.
- Подшипники: Скольжения (бронза, спеченные материалы, антифрикционные полимеры) или качения (шариковые, роликовые). Подшипники скольжения лучше приспособлены для работы с высоковязкими жидкостями.
- Уплотнения вала: Сальниковое уплотнение (набивка) для низких давлений и простых условий; торцовое механическое уплотнение — стандарт для большинства применений; дуплексное торцевое уплотнение для агрессивных сред или высокого давления; радиальные манжеты из NBR, FKM, PTFE.
- Системы смазки: Подача масла к подшипникам скольжения турбин, генераторов, крупных электродвигателей, редукторов.
- Гидравлические системы: В качестве источника давления в станочных гидроприводах, системах управления задвижками, механизмах регулирования.
- Трансферные операции: Перекачка масла из цистерн в расходные баки, заправка и слив масла из трансформаторов, турбин, компрессоров.
- Системы циркуляции и охлаждения: Обеспечение циркуляции масла через теплообменники в системах охлаждения промышленного оборудования.
- Топливоподача: Перекачка тяжелых сортов жидкого топлива (мазута) перед нагревом.
- ηоб) / 1000, где D – диаметр делительной окружности шестерни, m – модуль зацепления, b – ширина шестерни, n – частота вращения (об/мин), ηоб – объемный КПД (0.85-0.95). На практике пользуются каталогами производителей, где подача указана для конкретных условий.
- Низкая подача/давление: Износ шестерен и корпуса, засорение фильтра, кавитация из-за высокой вязкости масла или недостаточного диаметра всасывающей трубы, износ уплотнений вала.
- Сильный шум и вибрация: Кавитация (воздух в системе, забит фильтр, высокая вязкость), износ подшипников, нарушение соосности, повышенное давление на выходе.
- Перегрев насоса: Работа на давлении выше номинального, повышенная вязкость масла, износ внутренних деталей, недостаточное охлаждение.
- Утечка масла по валу: Износ или повреждение торцевого уплотнения или сальника, превышение рабочего давления.
Ключевые характеристики и параметры выбора
Выбор шестеренного насоса для конкретной задачи перекачки масла требует анализа ряда взаимосвязанных параметров.
Материалы исполнения и условия эксплуатации
Выбор материалов определяется свойствами масла (минеральное, синтетическое, наличие присадок), рабочим давлением, температурой и требованиями к чистоте.
Температурный диапазон работы насоса ограничивается стабильностью свойств масла и материалов уплотнений. Стандартные уплотнения из NBR работают в диапазоне -20…+100°C, FKM (витон) от -20 до +200°C.
Области применения в энергетике и промышленности
Расчет основных параметров и таблица ориентировочного выбора
Теоретическая подача шестеренного насоса (л/мин) рассчитывается по формуле: Qтеор = (π D m b n
| Параметр | Насосы с внешним зацеплением | Насосы с внутренним зацеплением |
|---|---|---|
| Типовой диапазон давлений | 16 – 300 бар | 10 – 250 бар |
| Вязкость рабочей среды | 1 – 100 000 сСт и более | 1 – 50 000 сСт |
| Уровень шума | Выше среднего | Низкий |
| Плавность потока | Средняя (заметная пульсация) | Высокая (малая пульсация) |
| Чувствительность к загрязнениям | Средняя | Выше средней (из-за серповидного элемента) |
| Типовое применение | Гидропривод, перекачка, смазка под высоким давлением | Трансферные операции, циркуляционные системы, топливоподача |
Монтаж, эксплуатация и устранение неисправностей
Правильный монтаж включает обеспечение соосности с приводом через соединительную муфту с защитным кожухом, надежное крепление на раме, установку предохранительного клапана на напорной линии (если он не встроен) и фильтра на всасывающей линии (обычно 100-200 мкм). Напорная линия должна быть разгружена от напряжений. При работе с высоковязкими маслами часто требуется подогрев на всасывании.
Типичные неисправности и их причины:
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Как подобрать шестеренный насос для перекачки трансформаторного масла?
Необходимо учитывать низкую вязкость трансформаторного масла (около 10-20 сСт при 40°C), требования к чистоте и часто — взрывобезопасное исполнение (Ex). Следует выбирать насос с малыми зазорами для сохранения КПД, с уплотнениями, совместимыми с маслом (NBR, FKM), и обязательно оснащать его фильтром тонкой очистки на всасывании. Предпочтение часто отдается насосам с внутренним зацеплением из-за более плавной работы.
Чем обусловлена необходимость подогрева масла перед перекачкой шестеренным насосом?
С повышением температуры вязкость масла резко снижается. Перекачка холодного, высоковязкого масла приводит к чрезмерному сопротивлению на всасывании, кавитации, резкому росту требуемой мощности привода и износу насоса. Подогрев до рабочей температуры (указанной в паспорте на масло, обычно 40-50°C) обеспечивает оптимальные условия для работы насоса и предотвращает повреждения.
Каковы основные преимущества и недостатки шестеренных насосов по сравнению с винтовыми для перекачки масел?
Преимущества шестеренных насосов: Проще и дешевле в производстве, ремонтопригодны, менее чувствительны к механическим примесям (кроме насосов с внутренним зацеплением), могут создавать более высокое давление.
Недостатки: Большая пульсация потока (особенно у насосов с внешним зацеплением), более высокий уровень шума, как правило, меньшая подача при равных габаритах, ограничения по вязкости на высоких оборотах.
Винтовые насосы обеспечивают исключительно плавный безударный поток, тихо работают и эффективны для перекачки высоковязких и содержащих абразив жидкостей, но значительно дороже и сложнее в ремонте.
Как влияет частота вращения на работу насоса с маслом разной вязкости?
Зависимость критическая. Для высоковязких масел (более 500 сСт) частоту вращения необходимо снижать, чтобы обеспечить достаточное время для заполнения впадин между зубьями на стороне всасывания и избежать кавитации. Для маловязких масел (до 50 сСт) частоту вращения можно увеличивать для достижения нужной производительности, но при этом возрастет нагрузка на подшипники и уплотнения. Производители приводят графики зависимости допустимой скорости от вязкости.
Почему в шестеренных насосах для масла часто используют подшипники скольжения, а не качения?
Подшипники скольжения (например, из бронзы или спеченных материалов) лучше приспособлены для работы в условиях ограниченной смазки или при работе с высоковязкими жидкостями. Они могут работать на самой перекачиваемой среде, более устойчивы к ударным нагрузкам, тише и часто дешевле. Однако они требуют более точного подбора зазоров в зависимости от вязкости масла и температуры.
Какие меры защиты необходимы для шестеренного насоса в системе?
Обязательна установка предохранительного (перепускного) клапана на напорной линии, отрегулированного на давление не выше паспортного для насоса. На всасывающей линии — фильтр грубой очистки (сетчатый). Рекомендуется манометр на выходе и датчик температуры корпуса. Для ответственных систем применяют датчики давления и расхода с сигнализацией и автоматической остановкой при отклонении от нормы.