Насос пластинчатый (шиберный): конструкция, виды, принцип работы

Шиберный насос больше известен как насос пластинчатый, так как его рабочие органы имеют вид плоских или фигурных пластин – шиберов. В 1899 году учёный из США Роберт Блэкмер разработал конструкцию роторного насоса с шиберами. Именно это устройство явилось прототипом современных выдвижных шиберных насосов, имеющих смещённый центр вращения.

В СССР такой насос был запатентован группой учёных Татарского ГНИИПИ Нефтяной промышленности в 1974 году. А в мае 2016 года российский изобретатель Борис Григорьев оформил патент в 29 странах мира на усовершенствованную конструкцию внутреннего элемента пластинчатого насоса. В новом устройстве российскому инженеру удалось повысить объёмный, гидравлический и механический КПД шиберного насоса.

Принцип работы шиберного насоса

Увеличенное давление на выходе создаётся «вихревым эффектом». То есть смещение оси вращения ротора относительно оси корпуса позволяет пластинам выдвигаться в месте большего просвета и прижиматься к статору центробежной силой.

В момент запуска насоса во всасывающем отверстии образуется разряжение. Транспортируемая масса засасывается в пространство между пластинками и выталкивается через выходной патрубок.

Насосы с изменяющейся осью смещения используются для регулировки объёма перекачиваемой жидкости.

Материальное исполнение

Основные элементы пластинчатых насосов могут быть выполнены из самых различных материалов для обеспечения необходимой коррозионной, абразивной и температурной стойкости. Можно выделить следующие основные материалы:

Преимущества

• Относительно винтовых или шестерёнчатых насосов КПД пластинчатых значительно выше.
• Максимально упрощённая конструкция прочна и долговечна. Прочность механизма сводит вероятность сбоев в работе к минимуму.
• Шиберные насосы позволяют перекачивать абразивные и кристаллизующиеся жидкости: с мягкими включениями до 1 см, с твёрдыми не более 500 микрон.
• Простая замена пластин при поломке. Для ремонта шиберного насоса не требуется привлечение профессиональных ремонтников, что значительно экономит средства.
• Корпус (гильза, стакан) насоса и пластины (лопатки) подбираются под перекачиваемое вещество.
• Для создания вакуума, возможен «сухой» запуск.
• Некоторые модели предусматривают реверсивный режим, что значительно расширяет область применения шиберных насосов и даёт возможность производству быть многопрофильным.
• Почти бесшумная работа компактного оборудования не доставляет неудобств работникам. Вибрация пластинчатых насосов относительно других приспособлений ниже примерно на 50%.
• Экономичное энергопотребление сокращает материальные затраты на обслуживание примерно на 20-30 %. Как следствие снижается себестоимость транспортируемой продукции.
• Возможно использование в качестве дозатора.
• Устройство пластинчатых насосов допускает изготовление рабочих деталей из разных материалов для получения определённой устойчивости к химическим веществам, исключения искрообразования, повышения износостойкости, применения в пищевой промышленности и так далее.

Не рекомендуется длительное использование шиберного насоса на сухом ходу. Повышает производительность устройства функция электрообогрева, специальная теплообменная рубашка, уплотнительные кольца из тефлона.

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 двухкратного 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.

Применение

Насосы шиберного типа активно применяются в большом и малом производстве, предполагающем транспортировку продуктов с жидкой или вязкой текстурой. Популярность этих приспособлений обусловлена возможностью полного сохранения рабочей массы: пластинчатый механизм исключает возникновение потерь. Использование насосов шиберного типа значительно повышает объёмы производства или переработки суспензий и вязких масс, при этом являясь максимально безопасным процессом для обслуживающего персонала.

Самовсасывающий эффект пластинчатых насосов нашёл широкое применение в химической, фармацевтической и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности, в косметологии и пищевом производстве.

Материалы, используемые в производстве насосного оборудования

Корпус шиберного насоса, а также основные элементы его проточной части изготавливаются из серого или ковкого чугуна, а также стальных сплавов углеродистого или нержавеющего типа. Толкатель и ротор в пластинчатом насосе может быть произведен из:

• полиэфирэфиркетона;
• углеграфита;
• NBR;
• EPDM.

Модель оборудования подбирается с учетом требований к его температурной, абразивной и коррозионной стойкости. Уплотнение вала насосного оборудование может иметь картриджное или торцевое исполнение. Возможно также оснащение вала магнитной муфтой.

Использование шиберных насосных систем

Шиберные насосы используются для перекачивания различных продуктов:

• Сырой нефти, битума, мазута, парафина, нефтешлама, консистентных смазок и минеральных масел.
• Клея, лаков, шпаклёвок, красок, латексных эмульсий, эпоксидных смол и мастик.
• Кислот, растворителей, чёрного щёлока, жидкого стекла, креозота, каустика, едкого натра.
• Жира, глицерина, эмульгаторов, жидкого мыла, чернил.
• Мёда, майонеза, патоки, шоколада, сгущённого молока, растительного масла, кетчупа, сиропов.

И многих других жидких и тягучих масс.

В автомобилестроении эти насосы используются для усилителя руля, наддува, в системе подачи воздуха при дожигании выхлопных газов, в усилителе тормозной системы больших грузовиков и в автоматической коробке передач. У дизельных легковых автомобилей впускной вакуум двигателей создаётся шиберным насосом.

В бытовой технике подобное устройство насыщает газировку углекислым газом и используется в кофемашинах.

У большинства лёгких самолётов привод гироскопических приборов осуществляется этим видом насоса.

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.

Устройство пожарного шиберного насоса

Чтобы повысить технические и эксплуатационные характеристики центробежных насосов, в вакуумных системах пожарных машин устанавливают шиберные насосы. Их автономная работа не вмешивается в конструкцию выхлопной системы автомобиля и может иметь как ручной, так и электрический привод. Более надёжно работают аппараты, изготовленные из устойчивых к коррозии материалов. Так как в рабочем процессе не исключается попадание воды в полость, шиберы могут заедать из-за скопления ржавчины в роторных пазах. Также необходимо тщательно следить за масляной смазкой трущихся элементов, так как используемое масло в процессе работы постепенно выбрасывается наружу, смешиваясь с водой.

Вакуумный пластинчатый агрегат создаёт необходимое при заполнении водой разрежение во всасывающих рукавах и полости пожарного насоса, создавая напор 16-18 мПа.

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 работы шиберных насосов одинарного и двойного действия, несмотря на различия в их конструкции, один и тот же.

Принцип действия шиберного насоса одинарного типа

Ручной насос

Ручные шиберные насосы используются для перекачивания небольших объёмов жидкости из одной ёмкости в другую. Чаще всего ручные приспособления используются для обеспечения питьевой или технической водой в загородных домах. Ручной насос помогает перекачивать воду из колодца или водоёма при помощи механической силы по разным причинам:

• При отсутствии электропроводки до места забора воды, а, следовательно, нет возможности пользоваться электрическим насосом.
• Необходимо небольшое количество воды и непостоянно.

К преимуществам ручных насосов относится их большой срок использования, невысокая стоимость, независимость от наличия электричества, простой монтаж и обслуживание, возможность применения в любом месте. Однако их использование не обеспечивает постоянной подачей воды и требует физических усилий.

Особенности ремонта и замены элементов

Ни для кого не секрет, что любая техника рано или поздно начинает давать сбои. При этом поломка не всегда является какой-то крупной неисправностью, и ремонт может быть выполнен своими руками. В любом случае для ремонта лепесткового насоса необходимо иметь хотя бы небольшие познания в механике и ремонтных работах.

Детали для насоса следует покупать только в проверенных магазинах

Виды ремонтных работ:

• Поломка ротора. В случае когда ротор изнашивается по тем или иным причинам, специалистами рекомендуется произвести его ремонт, а не замену. Заменить один ротор другим намного сложнее и дороже, чем отремонтировать. В качестве ремонта необходимо провести восстановление пазов так, чтобы их стенки снова стали параллельными, шейки и торцы должны быть отшлифованы.
• Лопатки также могут изнашиваться от интенсивной работы на протяжении длительного промежутка времени. В этом случае их просто заменяют на другие. При этом новые лопатки могут быть изготовлены уже из другого более прочного материала.
• Шейки. В случае изношенности шеек ротора их ремонт совершается путем хромирования либо шлифования.

Как правило, шейки роторного насоса ремонтируются вместе с торцами, которые также должны быть качественно отшлифованы. Ремонтные работы по наладке оборудования шиберного типа являются довольно трудоемкими и требуют большого количества времени и хотя бы минимальных знаний в этой области. И все же несмотря на это, небольшие дефекты и поломки лучше всего исправлять при помощи ремонта. К примеру, сменить изношенные подшипники или усилить сальниковое уплотнение.

В некоторых случаях лучше всего обращаться за помощью к специалистам, а при крупных поломках — заменить детали насоса на новые более устойчивые или же приобрести новый аппарат.

Устройство и применение ручных насосов

Пластинчатые ручные насосы являются маломощной конструкцией, состоящей из длинной трубы с установленным на ней роторно-шиберным насосом. Вода или другая жидкость всасывается из источника (бочки, бака или колодца) путём вращения ручки насоса и передаётся потребителю через кран. Мобильный шиберный насос легко устанавливается и переносится на новое место. Для его использования требуется только шланг.

Ручной шиберный насос может также применяться для перекачивания из бочек различных жидкостей, например, моторных и трансмиссионных масел, дизельного топлива и прочих, чтобы заправлять технику или разливать масла по канистрам.

Особенности конструкции пластинчатых насосов

Ключевым рабочим органом шиберного насоса считается ротор, оснащенный специфическими каналами, внутри которых находятся пластины (отсюда следует и название насоса – пластинчатый). Ротор рабочего органа соединяется с валом, подключенным к двигателю. Помимо пластин и ротора в конструкции оборудования присутствуют:

• уплотнительная система для вала электродвигателя;
• патрубок нагнетания;
• патрубок всасывания (находится с внешней стороны рабочей камеры).

Как выбрать ручной насос?

Выбирая ручной насос, следует понимать, что такое приспособление способно накачать за минуту около 30-40 литров жидкости. Он незаменим в отдалённых местах при отсутствии возможности пользоваться автоматическими насосами. Шиберный насос пригодится для периодического полива овощных грядок на даче. Но не подходит для долгосрочного применения, например, при подъёме большого количества воды из глубокого колодца. Приобретая ручной насос, следует обращать внимание на его внешний вид: на корпусе не должно быть трещин сколов, некачественных швов. Дольше прослужит более дорогой насос из проверенного временем чугуна. Пользуются популярностью модели из нержавеющей стали и пластика. Быстрее сотрутся клапаны из резины. А латунные или бронзовые прослужат дольше в разы. Поршневые кольца также могут быть чугунными или из кожи и резины, что влияет на срок использования насоса и его цену.

Таким образом, выбор ручного насоса основывается, прежде всего, на предполагаемом объёме потребления воды или перекачиваемой жидкости и целесообразности его использования. А также на прочих его характеристиках.

Преимущества и недостатки шестеренчатых насосов с внешним зацеплением

Преимущества:

• Перекачка жидкостей с низкой вязкостью при довольно высоком давлении
• Компенсация износа пластин
• Возможность перекачивания растворителей
• Возможность работы «в сухую» на короткие промежутки времени
• Только одно уплотнение вала
• Возможность создавать хороший вакуум для всасывания жидкости

Недостатки:

• Тяжело обслуживать. Много запасных частей
• Не могут работать на высоком давлении
• Не могут работать с жидкостями с высокой вязкостью
• Не очень хорошая стойкость к абразивным жидкостям

Безмасляные пластинчато-роторные насосы

Для создания вакуума, в котором отсутствуют различные посторонние примеси и пары, применяются пластинчато-роторные безмасляные вакуумные насосы. Также отсутствует необходимость постоянного контроля уровня масла в насосе, что упрощает его обслуживание. Пластины для таких насосов изготавливают из материалов, которые способны работать без смазки, например, из графита. Корпус вакуумных безмасляных пластинчато-роторных насосов изготавливается из металла, поэтому графитовые лопатки скользят по поверхности с минимальным коэффициентом трения.

При значительном износе графитовых пластин снижается производительность вакуумных насосов. При этом насос не выходит из строя, замена пластин позволит восстановить производительность.

К недостаткам безмасляных пластинчато-роторных насосов следует отнести гораздо меньший срок службы пластин. Обычно срок службы не превышает 10 000 часов даже у самых надежных производителей, в то время как металлические лопасти (применяемые в масляных пластинчато-роторных насосах) служат 50 000 часов и более.

Для создания глубокого вакуума пластинчато-роторные насосы не предназначены, в основном их применяют для быстрого создания среднего вакуума. Кроме того, они применяются в качестве форвакуумных насосов, обеспечивая необходимую степень разрежения перед включением в работу насосов глубокого вакуума. В процессе износа пластин образуется графитовый порошок, который со временем покрывает внутренние поверхности отводящих патрубков. Кроме того, в местах контакта пластин быстрее чем у масляных аналогов изнашивается корпус.

Фотография одноступенчатого безмасляного насоса CNV:

Насос пластинчато-роторный 2НВР 5ДМ

Производителем двухступенчатого моноблочного насоса 2НВР 5 ДМ является ООО «Вакууммаш». Электродвигатель, устанавливаемый на заводе имеет надежную защиту от перегрева, что предотвращает преждевременный выход его из строя. Масляные пластинчато-роторные насосы 2НВР 5 ДМ служат для откачки газов, парогазовых смесей, паров из герметичных емкостей, объем которых не превышает 3,5 м3. Откачиваемая среда не должна содержать горючих и взрывоопасных смесей газов, агрессивных химических веществ. Для нормальной работы насоса может применяться масло ВМ-6 или ВМ-1С в объеме 1,2 л. В зависимости от применяемого масла, максимальное остаточное давление может быть от 1х10-5 (ВМ-1С) до 1,3х10-5 (ВМ-6) кПа. Так как насос чувствителен к абразивным частицам, на входе в него обычно монтируется механический фильтр. В случаях, если наличие абразивных частиц исключено, вакуумный пластинчато-роторный насос 2НВР 5 ДМ может эксплуатироваться без фильтра.

Внешний вид вакуумного пластинчато-роторного насоса 2НВР5 ДМ: