Шиберный насос — конструкция, виды, принцип работы
Для перекачивания сред, имеющих свойство становиться более вязкими и густыми при снижении температуры, оптимально подходит насос шиберный (или, как его еще называют, пластинчатый). Конструктивной особенностью шиберных насосов, что и позволяет им обеспечивать постоянную степень вязкости перекачиваемой среды, является наличие в их корпусе специальной рубашки. Теплоноситель, который подается извне и циркулирует во внутренних полостях такой рубашки, обогревает транспортируемую через насос среду, не давая ей загустеть. В этой статье мастер сантехник расскажет о принципе действия шиберных насосов.
Особенности конструкции
Насосы шиберного типа благодаря особенностям своей конструкции успешно используются для перекачивания рабочих сред различного типа: кашицеобразных, с содержанием абразивных частиц и нерастворимых примесей другого типа, клеевых смесей и смол. Насосные устройства данного типа отличаются повышенной мощностью всасывания, а также способностью работать с одинаковым усилием в двух направлениях.
Конструкция шиберного насоса состоит из:
-
Корпуса с двумя патрубками (всасывающего и нагнетательного), который изготавливается из чугуна или стального сплава;
-
Приводного двигателя (как правило, асинхронного типа);
-
Вала с пластинами (ротора), который вращается внутри корпуса по эксцентриковой траектории (рабочие пластины располагаются в специальных пазах ротора, кроме того, на поверхности данного конструктивного элемента выполнены пазы, имеющие разные углы наклона в тех местах, где они выходят к граням вала).
Пластинчатые насосы делятся на две большие категории: устройства одинарного и двойного принципа действия. Их основное конструктивное различие заключается в форме поперечного сечения статора – элемента, внутри которого и вращается ротор.
Принцип работы пластинчатых (или шиберных) насосов как одинарного, так и двойного действия можно описать следующим образом:
-
При вращении ротора пластины, имеющие возможность свободно перемещаться в посадочных пазах в радиальном направлении, выдвигаются из них под действием центробежной силы.
-
Торцевая часть выдвинутых пластин входит в плотное соприкосновение с внутренними стенками статора и начинает скользить по ним, перемещая перекачиваемую устройством среду.
Принцип работы шиберного насоса:
В зависимости от схемы, по которой построено управление работой насоса шиберного типа, такое устройство может относиться к регулируемым насосам:
-
Прямого управления;
-
Непрямого.
Схемы управления регулируемых шиберных насосов:
Пластинчатые гидромашины двойного или двукратного действия
Основная особенность шиберного насоса двукратного действия состоит в том, что его статор в поперечном разрезе имеет овальную форму. Двигаясь по внутренней поверхности такого статора, каждый шибер ротора совершает два такта за один оборот вала. Работает пластинчатый насос двукратного действия по следующему алгоритму:
-
Временные рабочие камеры (транспортируемая среда закачивается в них и затем вытесняется в нагнетательную магистраль) формируются такими элементами, как внешняя поверхность ротора, овальная внутренняя поверхность статора, две рядом расположенные пластины и боковые диски. При этом временные рабочие камеры наименьшего объема создаются в том месте внутренней полости шиберного насоса, где зазор между ротором и неподвижной частью двигателя минимальный.
-
Высокая герметичность временных рабочих камер обеспечивается за счет того, что пластины, скользя своей торцевой частью по внутренней поверхности статора, плотно прижимаются к ней.
-
После прохождения пластинами участка с минимальным зазором между ротором и статором объем временной рабочей камеры увеличивается. Это приводит к тому, что в ней резко снижается давление, а значит, создается область разрежения воздуха. При прохождении участка внутренней поверхности статора, где расположен боковой диск, прорези в котором соединены со всасывающей магистралью, происходит наполнение временной камеры перекачиваемой средой.
-
Когда временная рабочая камера, уже наполненная перекачиваемой жидкостью, проходит следующий участок с минимальным зазором между ротором и статором, в ней увеличивается давление рабочей среды, что и способствует вытеснению последней в прорезь второго бокового диска, соединенную с нагнетательной магистралью.
-
Таким образом, за счет овальной формы поперечного сечения статора весь вышеописанный процесс за один оборот вала ротора происходит два раза.
Принцип работы пластинчатого насоса двукратного действия:
На силу прижатия торцевой части рабочих пластин к внутренней поверхности статора при их скольжении по ней влияет давление перекачиваемой жидкости, оказываемое на заднюю поверхность таких элементов. Рассчитать усилие, с которым пластины в процессе скольжения прижимаются к внутренней поверхности статора, можно, если умножить давление жидкости, воздействующей на заднюю поверхность таких элементов, на площадь их торцевой части. При перекачивании под определенным давлением жидкостей, характеризующихся плохими смазывающими свойствами, могут возникать ситуации, когда между торцевой поверхностью пластин и внутренними стенками статора не будет формироваться тонкая пленка рабочей среды. Эксплуатация насоса пластинчатого типа в таких условиях способствует интенсивному износу его рабочих элементов.
Если пластинчатый насос планируется использовать для перекачивания жидкости, которая поступает к всасывающему патрубку под давлением, превышающим 150 бар, то для решения таких задач выбирают модели насосных устройств, конструкция которых укомплектована двойными пластинами. Перекачиваемая жидкость в таких случаях подается через отверстие в задней торцевой части шиберного насоса и поступает в пространство между спаренными пластинами, что и позволяет компенсировать слишком большое давление жидкости, оказываемое на рабочие лопатки.
Устройства одинарного действия
Поперечное сечение ротора шиберных насосов, работающих по принципу одинарного действия, имеет цилиндрическую форму. Изменение объема временной рабочей камеры (это необходимое условие эффективной работы насосного оборудования пластинчатого типа) обеспечивается за счет того, что ротор относительно неподвижной части двигателя совершает вращательные движения по эксцентриковой траектории.
Принцип действия шиберного насоса одинарного типа:
Принцип работы шиберных насосов одинарного и двойного действия, несмотря на различия в их конструкции, один и тот же.
Гидромашины регулируемого типа
В шиберных насосах регулируемого типа положение статорного кольца можно менять. Регулировка пространственного положения статора относительно вращающегося внутри него ротора, для выполнения которой в конструкции насоса имеется три винта, осуществляется следующим образом:
-
При помощи винта ограничения подачи можно изменять эксцентриковую траекторию, по которой двигается ротор. Благодаря этому регулируется уровень подачи шиберного насоса.
-
При помощи винта регулировки положения опоры можно изменять пространственное положение статора в вертикальной плоскости. От данного параметра зависят динамические характеристики насоса и уровень шума, который он издает при работе.
-
Винт регулировки максимального давления позволяет контролировать данный параметр за счет изменения степени сжатия специальной пружины.
Устройство шиберного насоса с регулируемым рабочим объёмом:
Принцип работы шиберного (пластинчатого) насоса регулируемого типа заключается в следующем:
-
Давление перекачиваемой среды, зависящее от величины сопротивления жидкости в гидравлической системе, воздействует на внутренние стенки статора, а через них – на регулировочную пружину. Пока значение такого давления меньше, чем сила сопротивления пружины, статорное кольцо находится в эксцентриситете по отношению к ротору.
-
По мере того как в гидравлической системе возрастает давление рабочей среды, увеличивается и степень ее воздействия на стенки неподвижной части двигателя и регулировочную пружину.
-
В тот момент, когда давление жидкости превысит давление противодействия пружины, статорное кольцо начнет переходить из эксцентриситета в концентричное положение. При этом происходит уменьшение объема временных рабочих камер шиберного насоса, и, соответственно, снижается давление жидкости, которую он подает в нагнетательную магистраль. В ходе дальнейшего увеличения давления жидкости, поступающей во всасывающий патрубок, напор рабочей среды в нагнетательной магистрали может приблизиться к нулю (нулевой ход насоса). Однако даже в этой ситуации насос будет подавать перекачиваемую жидкость в нагнетательную магистраль, объем которой будет равен величине внутренних утечек устройства. Величина давления жидкости в подающей магистрали, при котором становится возможной вышеописанная ситуация, изменяется степенью сжатия регулировочной пружины.
Принцип работы регулятора давления:
В оснащение регулируемых шиберных насосов, в которых предусмотрена опция нулевого хода, входит дренажная система. Через нее из зоны высокого давления рабочей камеры устройства отводятся все внутренние утечки. Наличие в конструкции шиберного насоса такой системы позволяет эффективно отводить тепло от трущихся элементов устройства, а также обеспечивает их смазку.
Регулируемые пластинчатые насосы непрямого действия
Сам принцип работы регулируемых шиберных насосов непрямого действия практически ничем не отличается от способа функционирования устройств с прямым управлением. Основное отличие заключается в типах используемых регулировочных механизмов. Если в шиберных насосах с прямой регулировкой таким механизмом является пружина или одновременно две пружины, то в регулируемых насосных устройствах непрямого типа для этих целей используются поршни, которые, находясь под определенным давлением, обеспечивают требуемое пространственное положение статора.
Устройство регулируемого пластинчатого насоса непрямого действия:
В конструкции регулируемых насосов непрямого принципа действия, как правило, используются одновременно два поршня, диаметры которых соотносятся между собой в пропорции 2:1. Принцип работы шиберных (пластинчатых) насосов данного типа заключается в следующем:
-
Предельный эксцентриситет статора в момент запуска шиберного насоса обеспечивает регулировочная пружина, которая своей обратной стороной воздействует на поршень большего диаметра.
-
Давление жидкости, поступающей в насос по всасывающей магистрали, воздействует как на поршень меньшего диаметра, так и на большой поршень, для чего используется специальный регулятор.
-
Пока значения давлений жидкости, воздействующей на оба поршня, равны, статор находится в точке максимально возможного эксцентриситета, что обеспечивается разностью диаметров поршней, с которыми он связан. При изменении давления в большую или меньшую сторону автоматически начинает меняться и положение статора относительно ротора шиберного насоса.
В продолжение темы посмотрите также наш обзор Роторные насосы — разновидности, конструкция, принцип работы