Шестеренчатые насосы для пищевой промышленности

Шестеренчатый насос, который также называют шестеренным, относится к установкам объемного типа – за один цикл перекачивает определенное количество рабочей среды. Назначение шестеренчатых насосов – работа с вязкими жидкостями. Их используют для транспортировки животного и растительного масла, майонеза, топленых смесей, шоколада, пищевых кислот, спиртов, жира и т.п. Чаще всего, подобные установки требуются в судостроении, а также нефтяной, газовой, химической и пищевой отраслях промышленности. Также они нередко встречаются в машиностроении, энергетике, фармацевтике, на гидравлических системах и т.п.

Помпа данного типа, соединенная с электродвигателем через муфту, и закрепленная вместе с ним на станине (раме), называется насосным агрегатом.

Шестеренный насос является роторной гидромашиной. Если закачивать в него жидкость под давлением, то она начнет вращать шестеренки с валами, с которых можно снимать крутящий момент для совершения какой-либо работы. Кроме того, такая помпа способна работать в качестве дозатора. Она же хорошо подходит для смешивания.

В зависимости от взаиморасположения и устройства шестерен, насосы бывают: с внешним или внутренним зацеплением.

Агрегаты с внешним зацеплением

Внешние помпы – самые популярные. Они используются там, где требуется значительная мощность. Благодаря меньшим, против внутренних, допускам и надежным опорам вала, они рассчитаны на более высокие скорости и давления рабочей среды. У них проще конструкция, но габариты – покрупнее.

Конструкция

Предохранительный клапан

Важным элементом шестеренного насоса является предохранительный клапан. Он соединен каналами с зонами у впускного и выпускного отверстий. Если, по каким-то причинам, в системе возникнет блокировка жидкости ниже по потоку, то давление начнет повышаться до тех пор, пока оборудование не выйдет из строя. Защитный элемент сделан в виде штока с тарелкой, плотно посаженной в седло. На штоке есть упорная пружина. Она отрегулирована на определенное давление. В случае его превышения, пружина сжимается, тарелка выходит из седла, открывая окно, через которое рабочая среда отправляется из выпускной камеры в зону всасывания.

Виды шестерен

(Эвольвентой называется кривая линия, построенная так, что нормаль, проведенная к любой ее точке, будет касательной к заданной кривой. Например, для окружности эвольвентой является спираль. В технике эвольвента окружности применяется для построения профилей зубьев шестеренок, чтобы они прокатывались без проскальзывания, т.к. она удовлетворяет требованиям основного закона зацепления).

Внешние насосы – простые и надежные. Чтобы повысить расход, используются модели с тремя шестеренкам и более. В них ведомые элементы располагаются вокруг ведущего. Например, у трехшестеренного (рис. 3) теоретическая подача в 2 раза выше, чем у двухшестеренного, аналогичных габаритов. Реально – меньше, из-за большего количества потерь. Если надо поднять давление рабочей среды, применяют многоступенчатые помпы.

Косозубые шестерни (рис. 2, посредине) хороши тем, что входят в зацепление и выходят из него не по всей ширине сразу, а постепенно. Из-за этого, неточности производства и установки меньше сказываются на работе. Подобные элементы вращаются более бесшумно и плавно, они лучше сопротивляются износу. Недостатком деталей данного типа является тот факт, что при вращении появляются осевые усилия. Они прижимают шестерни к корпусу, из-за чего усиливается износ.

Шевронные шестерни (рис. 2, внизу) от указанного недостатка избавлены. Такая деталь может быть цельной либо состоять из двух половинок. В последнем случае, она, фактически, представляет собой две косозубые шестеренки, посаженные на ведущем валу на одну шпонку. У одной из них нарезка левая, у другой – правая. На ведомом валу зафиксирована только одна шестерня, а другая, самоустанавливающаяся, вращается свободно. Зубья наклонены под углом 20-25 град.

Косозубые и шевронные шестерни лучше подходят для насосов большой производительности.

Принцип действия

Ведущая шестерня получает крутящий момент от электродвигателя, через муфту. От нее приводится в движение ведомая. Мощность (частота вращения вала) может регулироваться на моторе либо редуктором. Принцип работы шестеренчатого насоса следующий. Возле камеры всасывания шестерни расходятся, за счет чего на этом участке получается разрежение (рис. 4, п. 1). Рабочая среда, текущая по трубам под атмосферным давлением, засасывается в помпу. Здесь ее захватывают шестеренки, зубцы которых действуют, как маленькие лопатки.

Масло попадает в пространство, ограниченное стенками соседних зубьев и внутренней полукруглой поверхностью корпуса. Поскольку зазор предельно малый, протечки сведены к минимуму. Порции рабочей среды, попавшие в указанные «межзубовые карманы», двигаются вдоль стенки проточной части (рис. 4, п. 2). На участке между шестернями, там, где они соприкасаются, жидкость не просачивается.

В зоне выпуска шестерни снова зацепляются. Благодаря этому, создается область высокого давления. В нее доставляется жидкость из «карманов», после чего она с силой выталкиваются в напорный трубопровод (рис. 4, п. 3).

При малой подаче, частота вращения вала обычно составляет 1750 об/мин либо 3450 об/мин. На больших типоразмерах, данный параметр снижается до 650 об/мин. Агрегаты, рассчитанные на значительное давление, выдерживают до 200 бар.

Запертые объемы

В моделях с прямозубыми шестернями возникает проблема запертых объемов. В зоне высокого давления, расположенной у выпускного патрубка, зубья шестеренок зацепляются. Почти вся рабочая среда на этом участке выбрасывается в напорный трубопровод. Тем не менее, некоторая часть жидкости/масла попадает между зубьями. По мере их схождения, зацепление каждого участка увеличивается до полного. Объем при этом уменьшается практически до нуля, а выхода для рабочей среды нет, из-за эвольвентной формы зубьев.

Как известно, любая жидкость отличается минимальной сжимаемостью. В результате небольшие объемы масла между зубьями, сжатые до предела, становятся причиной биения шестерен, препятствуя нормальной работе, т.к. их сопротивление поднимается до очень высоких значений. Чтобы устранить помеху, в шестернях протачивают канавки для отвода запертых объемов на участок нагнетания либо всасывания.

Расчет производительности

Подачу шестеренного насоса определяют по формуле:

Q = 2πm²zbn

Q – производительность;

m – модуль;

z – количество зубьев;

b – ширина венца (на ведущем колесе);

n – частота вращения вала.

Нетрудно заметить, что все составляющие данного выражения, кроме последнего, для конкретного насоса неизменны. Т.о., для изменения подачи, можно только увеличить либо уменьшить частоту вращения вала, соединенного с электродвигателем. Это значит, что сами по себе шестереночные насосы являются нерегулируемыми.

Материалы

Основные детали выполняются из разных материалов. Те, которые соприкасаются с пищевыми продуктами, обычно делаются из нержавейки. В помпах, которые используются в других секторах промышленности, проточную часть и валы чаще всего выполняют из серого либо ковкого чугуна. Кроме того, корпус может быть из углеродистой стали, алюминия, бронзы, дуплекса либо композитов (ETFE, PPS). Для шестерен берут те же материалы (кроме чугуна). Для опорных втулок – графит, бронзу, карбид кремния. Уплотнение валов делается сальниковым, манжетным, одинарным или двойным торцевым. Иногда встречается магнитная муфта.

Аппараты с внутренним зацеплением

Внутренние помпы (рис. 5) распространены намного меньше, чем внешние. Их главное достоинство в том, что они могут работать с веществами разной вязкости, от 1 до 100 000 сПз, в этом отношении они - универсальные. Кроме того, температура рабочей среды может доходить до 400 град С, а износ у них меньше, чем у внешних. И возможности всасывания лучше.

Конструкция

Устройство агрегата с внутренним зацеплением сложнее, чем с внешним. Здесь выше требования к точности изготовления. Такой шестеренчатый насос, схема которого приведена на рис. 6, представляет собой герметичный корпус с рабочим органом в виде двух эксцентричных шестерен. Меньшая (п. 1 на рисунке 6) из них (как правило, ведущая), с наружными зубцами, находится внутри большей (2), обычно - ведомой. Она посажена на приводной вал, соединенный с электромотором. Ведомая помещена в цилиндрическую расточку корпуса. У нее – внутренние зубья.

Помимо этого, имеются: система уплотнения вала (3), предохранительный клапан (6) и два патрубка, всасывающий (4) и нагнетательный (5). А также серповидная вставка, расположенная внутри ротора, между зубьями шестерен. Она служит для разделения областей подачи и нагнетания.

В устройствах данного типа применяются только прямозубые шестерни. Такие помпы более компактны, но сложнее в изготовлении. Давление рабочей среды – до 14 МПа.

Порядок работы

Рабочая среда, через впускное окно, попадает в проточную часть, в пространство между ведущей и ведомой шестернями (рис. 7). Там она проходит между зубцами. Так же, как и в модели со внешним зацеплением, образуются замкнутые полости, в которых находится транспортируемая жидкость. Повторное зацепление у зоны выпуска выдавливает рабочую среду под напором в нагнетательный патрубок.

Преимущества и недостатки

Шестеренчатые насосы отличаются многочисленными достоинствами:

• Недорогие, из-за простой конструкции.
• Большое давление на выходе (для внешних).
• Компактные и сравнительно легкие.
• Надежные. Есть защита от перегрузок.
• КПД – 90% и выше.
• Могут работать с высоковязкими маслами (внутренние модели – вообще с жидкостью любой вязкости).
• Подача – без пульсаций.
• Хорошо выдерживают большое давление рабочей среды.
• Т.к. валы опираются на подшипники обоими концами, нет перегрузок.
• Низкий уровень шума.
• Можно использовать в качестве дозировочного насоса.
• Возможно применение различных материалов изготовления. Ограничения накладываются только требованиями по допустимости контакта с пищевыми продуктами.
• Помпа способна работать в режиме реверса (некоторые модели).
• Роль смазочного материала играет рабочая среда.
• Насосы - самовсасывающие.
• Простое обслуживание.
• Во внутренних моделях можно настраивать зазор.

Вместе с тем, насосам данного типа присущи определенные недостатки:

• Опорные подшипники находятся в рабочей среде.
• Ухудшается работа в случае увеличения зазора между корпусом и шестеренками. При росте торцового зазора на 0,1 мм, КПД падает на 20%.
• Резко понижается КПД в случае повышения температуры рабочей среды больше допустимой. Поэтому, для высокотемпературных моделей, важно следить, чтобы данный параметр жидкости был в нормальных пределах. Иначе, уменьшение зазоров приведет не только к повышенному износу, но и, возможно, к отказу установки.
• Наличие в масле твердых включений, особенно абразивных частиц, крайне нежелательно (кроме некоторых моделей, преимущественно внутренних). Их размер допускается не более 100 мкм. Из этих же соображений, со стороны всасывания, надо всегда ставить фильтр от крупных твердых частиц.
• Помпы с внешним зацеплением не приспособлены к перекачиванию маловязких жидкостей.
• Длительная работа в «сухом» режиме не допускается.
• У насоса с внутренним зацеплением действует внешняя радиальная нагрузка на вал и есть ограничение по давлению рабочей среды.

Кроме того, как было сказано выше, конструкция шестеренных насосов – нерегулируемая. Изменить подачу можно только путем подключения мотора с переменной частотой вращения, либо через редуктор.

Нормативные документы

ГОСТ 19027-89 распространяется на аппараты внешнего зацепления, предназначенные для смазывающих неагрессивных жидкостей, без абразивных включений. Под юрисдикцию настоящего документа попадает любой шестеренчатый насос характеристики которого удовлетворяют следующим условиям:

• Производительность: 0,25 – 36 куб. м. / час
• Давление: 1,0 – 4,0 МПа
• Кинематическая вязкость рабочей среды: 0,2 – 100 кв. см / с
• Класс чистоты -**- -**- : не хуже 12 (ГОСТ 17216-2001)
• Температура -**- -**- : по таблице

Температурный диапазон жидкости зависит от исполнения помпы и материала изготовления. Для чугуна значения колеблются в пределах от -15 до +190 град С, для бронзы и алюминия – от -30 до +100 град С, для стали – от -40 до +200 град С.

Обозначение

Маркировка шестеренного насоса по ГОСТ включает следующие позиции:

• Типоразмер. НМШ / НМШФ / НМШГ – исполнение, соответственно, на лапах, фланцевый или с обогревом / охлаждением. Далее – подача л / 100 об (округленно) и max давление (МПа х 10). Например: НМШ 1,2-25
• Материал, из которого сделана проточная часть.
• Конструктивное исполнение (базовая версия – не обозначается).
• Климатическое -**- и категория размещения (У и 3 – не указывают).
• ГОСТ 19027-89

Пример маркировки: НМШГ 20-25Д ОМ5 ГОСТ 19027-89.

Заключение

Шестереночные насосы – это простые и эффективные устройства, способные перекачивать высоковязкую рабочую среду. Не смотря на некоторые не слишком серьезные недостатки, преимуществ у них намного больше. Из-за этого, помпы данного типа находят широкое применение в пищевой промышленности, а также в других отраслях.