Jste zde

Principy průmyslových čerpadel – 1.díl – zubová čerpadla

Antonín Vojáček, 18. Leden 2011 - 19:32

Čerpadla jsou velmi důležitým aktivním mechanickým prvkem nejen v oblasti průmyslových strojů. Za několik staletí dlouhou historii vývoje těchto strojů vzniklo mnoho různých principů. V tomto seriálu zkusím stručně představit ta v současnosti nevyužívanější provedení. Dnes se podíváme na princip a vlastnosti zubových čerpadel (typy vnitřní, vnější a gerotor)...

Čerpadla jsou stále jednou z hlavních aktivních mechanických komponent průmyslových systémů. Prostě doprava kapalných, polokapalných a případně i jemných sypkých materiálů se bez nich neobejde. Jenže není čerpadlo jako čerpadlo a existuje mnoho různých provedení, typů, konstrukcí a principů, kde každý z nich se hodí na jiné materiály, jinou viskozitu a teplotu kapalin či pro jiné hodnoty generovaných tlaků apod. Postupně bych na stránkách automatizace.hw.cz rád představil základní principy a provedení čerpadel a pro jaké aplikace jsou vhodná. Některé konstrukce jsou velmi zajímavé a skoro až neuvěřitelné, co se v tomto směru dá vymyslet.

V prvním dílu se dnes podíváme na zoubek v průmyslu jednoho z nejvyužívanějších typů, na zubová čerpadla.

Zubová čerpadla (Gear Pumps)

Jedním z principů v průmyslu nejvyužívanějších pro čerpadla různých velikostí je tzv. zubové čerpadlo. Jeho základním principem je „přenášení“ malých dávek tekutiny či pasty v prostorách mezi zuby jednoho či více ozubených kol otáčejících se v uzavřené „komoře“ se vstupem a výstupem čerpaného produktu. Proto ten název.

Obecně je zubovým čerpadlům vlastní schopnost přesného dávkování čerpaného produktu díky znalosti počtu a velikosti zubů ozubených kol, tedy velikosti a počtu vzniklých „komůrek“. Lze tedy spočítat, jaký objem produktu je ústrojím čerpadla přenesen během jedné otáčky jeho poháněcí hřídele. Pomocí sledování počtu otáček a rychlosti otáčení pak lze docela přesně regulovat průtok i čerpaný objem. Toho se také využívá například u některých automatických plnících zařízení (plniček), pokud není požadavek na přesnost dávkování příliš náročný a čerpaný produkt neobsahuje příliš velké kousky (například kousky ovoce v kompotu).

Obecné vlastnosti zubových čerpadel:

plynulý, kontinuální (obvykle bezpulsní) tok
podle provedení vhodné pro vysoké i nízké tlaky
bezucpávková i ucpávková provedení
vhodná pro široké spektrum látek a produktů, včetně i pevných sypkých materiálů
velmi dobře čerpají obtížně tekoucími média (např. vysoceviskózní a pastovité produkty)
vhodné pro nebezpečné nebo extrémně drahé chemikálie
snadná regulace

Tento princip však lze v praxi aplikovat v různých provedeních a modifikacích, které ve výsledku mohou být vhodné pro velmi rozdílné aplikace, produkty a podmínky:

Zubová čerpadla se dále dělí na provedení:

s vnějším ozubením (External Gear Pumps)
s vnitřním ozubením (Internal Gear Pumps)
provedení "Gerotor"

První dvě varianty se používají nejčastěji, poslední varianta spíše ve specializovaných aplikacích.

Zubová čerpadla s vnějším ozubením (External Gear Pump)

Tato varianta je ideální pro aplikace vyžadující nízké průtoky a vysoké tlaky a to při otáčkách standardních 4pólových elektropohonů. Konkrétně se velmi hodí na čerpání olejů a jiných vysoceviskózních kapalin pro aplikace v petrochemickém průmyslu, čerpání barev a laků, mycích a čisticích prostředků, potravin, čokolád, papíru apod. Viskózní látky totiž zcela zaplní prostor v čerpadle a zmenšují nebo odstraňují vnitřní tření. Výsledkem je velmi přesné dávkování. Speciální provedení se vyrábějí pro aplikace ve zpracovatelském průmyslu pro dopravu velmi obtížně čerpatelných látek. Naopak ty se nehodí pro čerpání produktů s nízkou viskozitu, kde dochází k velkému tření a čerpadlo se může zadřít. Přesto například speciální konstrukce společnosti Verder umožňují čerpat látky s viskozitou již od 0,3 cP. Ty však mají speciální wolframkarbidové hřídele, silikonkarbidová ložiska a zvláštní přední a zadní pouzdra čerpadla.

Například „standardní“ čerpadla VERDERGEAR Liquiflo, která využívají této konstrukce, jsou vhodná pro průtoky 0,4 až 220 litrů/min při provozním výtlačném tlaku do 20 barů. Ale zubová čerpadla společnosti Viking Pump Inc. řady Spur Gear jsou nabízena i pro průtoky až 700 litrů/min a tlaky až do 170 barů. Jsou tedy velmi vhodná pro vysokotlaké systémy. Některé typy je možné použít i pro plynulé čerpání látek až do viskozity 80 000 cP (např. polymerů při čištění vody).

Princip funkce a konstrukce

Zubová čerpadla s vnějším ozubením fungují na principu dvou navzájem identických rotujících ozubených kol, jejichž ozubení na sací straně vychází ze společného záběru a proti stěnám pouzdra čerpadla vytváří prázdné kapsy. S využitím atmosferického tlaku dochází k jejich plnění médiem. V těchto kapsách dochází k transportu čerpaného média od sací části, okolo vnějšího obvodu komory, až do výtlaku čerpadla a poté se ozubená kola dostávají opět do vzájemného záběru a generují tak potřebný tlak.

Ozubená kola jsou uložena na obou stranách hřídele v ložiscích a díky tomu jsou tato čerpadla schopna vyvinout velmi vysoké tlaky (až 200 barů) při otáčkách pohonu obvykle 1500 až 3500 ot./min (malá čerpadla) či do 700 ot./min. u velkých čerpadel. Aby nedocházelo k „přelévání“ kapaliny mezi zuby, je nutné při výrobě dodržet velmi malé výrobní tolerance. Čím větší tlaky mají být generovány, tím přesněji musí být čerpadlo vyrobeno. Díky tomu naopak nejsou vhodná pro abrazivní nebo vysokoteplotní produkty.

Jednotlivé fáze funkce zubového čerpadla s vnějším ozubením.

Typické vlastnosti:

průtok cca 0,2 až 800 litrů/min
výtlačný tlak 15 až 200 barů
rychlost pohonu do 3500 ot./min.
teplota produktu od -30°C do cca +100°C
viskozitu produktu od 0,5 až do 300 000 cP
dosažitelná přesnost průtoku od 0,5%
teplota produktu cca od -30 do 300°C

Typické oblasti využití

olejová čerpadla ve strojích a autech
výroba polovodičů
strojírenský průmysl
farmaceutický průmysl
papírenský průmysl
dávkování chemických látek
pivovary
vodní hospodářství a čistírny vody

Výhody:

vhodný pro vysoké rychlosti
vhodný pro vysoké tlaky
plynulý průtok a přesné dávkování
málo namáhaných částí
relativně tichý provoz (zvláště u šnekového provedení)
možnost přizpůsobení konstrukce různým produktům

Nevýhody:

ložiska se nacházejí v kontaktu s čerpaným produktem
nelze přepravovat sypké materiály
pevné a nutně malé tolerance
vhodné jen pro malé a střední průtoky

Zubová čerpadla s vnitřním ozubením

Tato varianta zubových čerpadel je velmi univerzální a je tak snadno použitelná pro všechny druhy kapalin a průtoky až 6 000 litrů/min. Například viskozita čokolády (max. 100 000 mm2/s) není pro tato čerpadla žádný problém. Některé konstrukce umožňují použití i pro látky se špatnou "mazací" schopností, stejně tak jako pro média s malými pevnými částicemi (mohou obsahovat i abrazivní částice, jako jsou barevné pigmenty). Zvláště jsou excelentní pro vysoce viskózní média s vysokou teplotou (až 400°C) s požadavkem na plynulý a klidný nepulsující tok a tlak. Díky tomu, že komponenty konstrukce nemusí být vyrobeny s tak vysokou přesností jako u jiných typů zubových čerpadel, je možné některá provedení krátkodobě provozovat i „na sucho“ (bez produktu).

Tyto typy však dosahují menších provozních tlaků (do max. 10 barů). V případě přesných konstrukcí lze u některých výrobců (např. společnosti Viking Pump) najít typy i pro tlaky až 30 barů.

Navíc všechna zubová čerpadla s vnitřním ozubením jsou samonasávací, tzn. že čerpaný produkt nemusí být připraven na vstupu čerpadla a čerpadlo je schopné si jej k sobě „přitáhnout“.

Princip funkce a konstrukce

Konstrukce těchto čerpadel využívá dvou do sebe zasazených ozubených kol: ozubeného vnějšího kola – rotoru přímo poháněným externím motorem a ozubeného vnitřního kola – pastorku, který je poháněn otáčejícím se rotorem. Prostor mezi zuby obou kol je pak vyplněn čerpaným médiem. V tomto místě jsou pak obě ozubená kola oddělena srpkovitým obloukem (půlměsíčkem), díky němuž je průběh toku nepulsující, protože v místě zubu rotoru se nachází komůrka pastorku a obráceně. Na výstup čerpadla se tak střídavě vynáší produkt z rotoru a pastorku. Proto je průtok i generovaný tlak velmi stálý. Také díky této konstrukci lze také přečerpávat a dávkovat média od velmi viskózních až po velmi těkavá s minimální viskozitou.

Jednotlivé fáze funkce zubového čerpadla s vnitřním ozubením.

Typické vlastnosti:

průtok až cca 6 000 litrů/min
výtlačný tlak do cca 30 barů
viskozita produktů od 0 až po stovky tisíc cP
(případně i přes 1 mil. cP)
rychlost pohonu cca 1000 - 1800 ot/min.
teplota produktu -60°C až do +400°C

Oblasti použití

barvy a laky (na bázi vody nebo oleje, s/bez pigmentů)
mazlavé potravinářské hmoty, jako je řídká čokoláda, kakaové máslo, majonézy, jablečné pyré
tekutý dehet (při vyšší teplotě) a pryskyřice
čerpání elektrolytu
silikonový olej, glycerín
média s pevnými částicemi

Výhody:

robustní konstrukce
použití pro látky s různou viskozitou
ideální pro velké průtoky
velmi plynulý nepulsující průtok
teplotní odolnost
samonasávací funkce
dlouhá životnost

Nevýhody:

použitelnost jen pro menší tlaky
(typ. do 20 barů, max. 30 barů)

Zubová čerpadla typu "Gerotor"

Čerpadla typu Gerotor jsou speciální verzí zubových čerpadel s vnitřním ozubením bez srpkovitého oblouku vyžívaných hlavně v transportní technice pro oběh olejového mazání strojů a v ménětlaké hydraulice. Maximální tlaky vytvářené těmito čerpadly jsou obvykle v rozsahu 7 až 10 barů. Hlavní výhoda je v možnosti obousměrného provozu, velmi malých rozměrech čerpadla, velmi plynulý průtok a hlavně velmi tichý a spolehlivý provoz.

Cenově jsou Gerotor čerpadla velmi dostupná a jsou především určena pro nízkotlaké aplikace s čistými a lubrikujícími médii jako např. filtrace horkého oleje či jako lubrikační čerpadlo rotačních zařízení.

Princip funkce a konstrukce

Čerpadlo se opět skládá ze dvou rotujících komponent: z rotoru čerpadla, které zde tvoří vyoseně uložené vnitřní ozubené hnací kolo (na obrázku označené šedě) připojené hřídelí k pohonu a hnaného pastorku, který je poháněn rotorem (na rozdíl od zubových čerpadel s vnitřním ozubením, kde je to obráceně). Ten je v podobě vnějšího ozubeného kola (označené žlutě), které se též otáčí uvnitř pevného pouzdra. Protože má o jeden zub více než rotor, pohybuje se o něco pomaleji.

Čerpací princip je patrný z níže uvedeného obrázku. Je založen na „nabírání“ produktu do prostoru mezi rotorem a pastorkem vznikající jejich různou rychlostí otáčející. Díky malým tolerancím mezi oběma ozubenými koly se produkt ve vzniklé komůrce posouvá od sacího otvoru k výstupnímu otvoru na protilehlé straně čerpadla a je neustále oddělen od produktu v předchozí či následující komůrce. Díky tomu čerpadlo silou točivého momentu externího pohonu generuje požadovaný tlak.

Jednotlivé fáze funkce zubového čerpadla typu Gerotor.

Typické vlastnosti:

průtok jen do cca 300 litrů/min
výtlačný tlak do cca 10 barů
viskozita produktů typ. 1 až 800 cP
rychlosti pohonů do cca 2000 ot/min.
teplota produktu: od -30°C do cca +100°C

Použití:

pro lehká paliva, oleje, hydraulické kapaliny
cirkulace oleje v chladicích a filtračních okruzích
cirkulace oleje v průmyslových hydraulických zařízeních
plnění a vyprazdňování nádrží
čerpání ve stacionárních nebo mobilních olejových hospodářstvích

Výhody:

může pracovat obousměrně
velmi tichý provoz
nízké tlakové pulsace objemového toku
skvělé sací vlastnosti
dlouhá životnost
lehká a kompaktní konstrukce

Nevýhody:

vhodné pouze pro malé tlaky a průtoky
jen pro produkty se střední hodnotou viskozity
nutně malé výrobní tolerance
větší zatížení ložiska poháněcí hřídele

Závěrem...

Zubová čerpadla, i když jsou v průmyslu velmi oblíbena, nejsou zdaleka jediným využívaným principem čerpání. Existuje jich celá řada. Proto cca za týden bude na stránkách serveru automatizace.HW.cz další pokračování....

Článek vytvořil z informací níže uvedených výrobců: Antonín Vojáček