Jste zde

Principy průmyslových čerpadel – 3.díl - lopatková čerpadla (Vane pumps)

Antonín Vojáček, 1. Únor 2011 - 22:51

Máme tu další pokračování seriálu. Teď se aktuálně podíváme na zoubek již dlouho známému a využívanému principu lopatkových čerpadel, která se v moderní podobě vyznačují tichým provozem a vynikající sací schopností. Hlavně umožňují čerpat málo viskózní kapaliny typu benzín, líh či voda nebo jsou využívané i pro čerpání plynných látek nebo jako vakuové pumpy.

Lopatková čerpadla (angl. vane pumps) v zásadě využívají modifikovaný princip "mlýnského kola", které je známé již mnoho mnoho staletí. Konkrétně je však vynalezl a nechal si patentovat až pan Charles C. Barnes ze Sackvillu v roce 1874. Od té doby se využívají zvláště v nízko a středotlaké hydraulice, v chemickém průmyslu, v potravinářství a v automobilech jako čerpadla pro dopravu paliva, pro kapaliny posilovače řízení a brzd či kapaliny v automatických převodovkách.

Dále se výborně hodí pro čerpání alkoholu, rozpouštědel a ředidel, benzínu a lihu, metanolu a podobných kapalin s velmi nízkou viskozitou (0 až 500 cP) při teplotách cca -100 až +300°C. Také se dost často využívají v kapalinových systémech, např. v kávovarech, ve strojcích na přípravu nápojů či vodných roztoků. Jsou vhodná i pro kapalné produkty obsahující větší pevné kousky. Zde je jejich hlavní výhoda a uplatnění v porovnání se zubovými čerpadly. Naopak nejsou příliš vhodná pro silně abrazivní látky.

Princip lopatkových čerpadel však umožňuje dobře čerpat i plynné látky, a proto se často využívají například ve vakuových pumpách pro svou velmi dobrou sací schopnost, pro čerpání LPG plynů (propanu), amoniaku, freonů apod. Z výše uvedeného vyplývá, že lopatkové čerpadlo může běžet i naprázdno a v základním provedení je reverzibilní (může se otáčet doleva i doprava).

 

Příklad kombinace lopatkového čerpadla s pohonem.

Princip a konstrukce čerpadla

Základ konstrukce a princip většiny lopatkových (vane) čerpadel spočívá v použití rotačně poháněného rotoru upevněného excentricky (vyoseného) vzhledem ke středu vnitřní válcové dutiny pouzdra. Rotor je v podobě bubnu s výsuvnými či pružnými lopatkami, jejichž vertikální pozice se mění v závislosti na velikosti mezery mezi bubnem a stěnou čerpadla. Otáčením rotoru tak postupně dochází k samovolné úpravě délky lopatek tak, aby vždy vertikálně zcela přehradily prostor mezi bubnem a stěnou. Prostor čerpadla je tak trvale rozdělen do komůrek, jejichž velikost (objem) se s otáčením mění. Největší bývá právě v cestě přepravy kapaliny či plynu od sacího k výtlačnému otvoru, naopak minimální při návratu lopatek k sacímu vstupu. Tím je „automaticky“ zajištěno, že veškerá přepravovaná látka je vždy vytlačena ven nezávisle na tom, zda je výstup vodorovně či svisle a maximalizuje se generovaný tlak čerpadla.

Základním principem lopatkových čerpadel (Vane pumps) je "přenášení" produktu v prostorách mezi lopatkami od sacího vstupu k výtlačnému výstupu.

 

Podle toho, na jakém principu dochází ke změně délky lopatek, se lopatková čerpadla dělí na tři základní provedení:

  • s kluznými lopatkami (sliding vane)
  • s ohebnými lopatkami (flexible vane)
  • s kyvnými lopatkami (swinging vane)

První provedení s kluznými lopatkami bývá v nabídkách výrobců nejčastější a i funkčně je asi nejlepší, i když z pohledu náročnosti výroby patří spíše mezi ta složitější řešení. Lopatky jsou zde v provedení pevných „stěn“, které se tím, jak kopírují stěnu čerpadla, postupně vysouvají a zasouvají do drážek v bubnu rotoru. „Vysouvací tlak“ bývá generován buď instalovanými pružinami v drážkách bubnu, odstředivou silou nebo vztlakem v drážce uzavřené kapaliny či plynu podobně jako například v tlumičích. Zatímco buben rotoru a pouzdro (stěny) čerpadla bývají obvykle kovové (často z nerezové oceli), výsuvné lopatky bývají provedeny z pevného a hlavně na otěr odolného materiálu (např. polypropylenu nebo PVDF), protože se svým koncem trvale smýkají o vnitřní stěnu čerpadla.

Výhodou tohoto provedení je hladký a dost tichý chod, dobré utěsnění po sobě jdoucích komůrek a tedy i relativně dost vysoký generovaný výtlačný tlak a hlavně sací efekt. Je tak vhodné jak pro středně viskózní, tak i těkavé látky. Dokáže pracovat i při vysokých otáčkách (až 2000 ot./min), ale k pohonu mu stačí proti jiným čerpadlům menší výkon motoru. Složitost konstrukce je však vykoupena náročnější a dražší výrobou a tedy i vyšší pořizovací cenou čerpadla.

Ukázka typického provedení lopatkového čerpadla s kluznými lopatkami

 

Druhá varianta s ohebnými lopatkami je vcelku triviální. Prostě rotor i s lopatkami tvoří jeden pevný celek a je obvykle vyroben z pružné gumy. Zatímco při největší vzdálenosti mezi stěnou a středem rotoru jsou lopatky plně napřímeny, v protější pozici jsou lopatky ohnuté a „třou“ se o stěnu. Toto provedení je nejlevnější na výrobu, protože rotor je jeden pevný „gumový celek“ a konstrukce toleruje i větší výrobní nepřesnosti. Lopatky však musí být dostatečně pružné, aby se dostatečně „srolovaly“, ale zároveň nekladly příliš velký odpor pohybu rotoru. Ve vzpřímené poloze proto nemohou být příliš pevné a tedy takovéto čerpadlo není vhodné pro velké tlaky a vysoké otáčky. Také vyžaduje silnější pohon než předchozí kluzná varianta. Na druhou stranu lopatky výborně těsní a čerpadlo dokáže vyvářet dobré vakuum a má výborné sací schopnosti. Je i více vhodné pro abrazivní materiály.

Provedení s pružnými lopatkami prostě jen využívá ohnutí gumy v užší části čerpadla.
Výborná těsnící funkce je ideální pro vakuové pumpy či čerpání plynných látek.

 

Na poslední provedení s kyvnými lopatkami můžete narazit spíše výjimečně, protože je relativně dost náročné na výrobu a neposkytuje přílišné přidané výhody proti výše uvedeným dvěma řešením. Tou hlavní výhodou je hlavně minimalizovaný dotek mezi lopatkou a stěnou a tedy velmi tichý chod a zároveň lopatky vyrobené z odolného materiálu mají větší mechanickou odolnost. Jsou tak vhodnější pro hustší látky, kladoucí při přepravě větší odpor a tlaky na stěny. Celé toto provedení je však masivnější a provozně odolnější než výše uvedení "kolegové".

Provedení kyvnými (vyklápějícími) lopatkami se vyrábí již výrazně méně a je vhodné spíše pro speciální aplikace.

 

Výhoda pohyblivých lopatek spočívá v podobě odolnosti proti nepřesnosti výroby rotoru či pouzdra čerpadla (výrobním tolerancím) a dlouhodobá stálost funkce, protože do určité míry stupeň opotřebení lopatek otěrem o stěnu může být kompenzován rezervou ve vysouvací délce. Proto je lopatkové čerpadlo (vane pump) dost spolehlivé a nenáročné na údržbu.

 

Typické vlastnosti:

  • průtok cca 60 až 1000 litrů/min
  • výtlačný tlak do cca 15 barů (max. 25 barů)
  • viskozita produktů od 0,1 do cca 500 cP
  • rychlost pohonu až 2000 ot/min.
  • teplota produktu -100°C až cca +300°C

Oblasti použití:

  • chemický průmysl - čerpání aerosolů, rozpouštědel
  • potravinářský průmysl – čerpání alkoholu, vodných roztoků
  • čerpání a přeprava paliva / nemrznoucích směsí
  • automobily - oběh chladicí kapaliny, oleje, čerpání paliva
  • přeprava propanbutanu a HN3
  • čerpání freonů a amoniaku
  • hydraulika – nákladní automobily, stavební technika
  • klimatizace, vysoušeče a chladicí systémy
  • výroba polovodičů – CVDS metoda
  • vakuové pumpy

Výhody:

  • čerpání málo viskózních kapalin
  • čerpání produktu obsahující větší pevné kousky
  • klidný nepulsující průtok
  • tichý, spolehlivý a nenáročný provoz
  • mohou běžet naprázdno
  • velmi dobré sací schopnosti
  • provoz při vysokých otáčkách (kluzné provedení)
  • menší požadovaný výkon pohonu

Nevýhody:

  • jen pro nízko a středotlaké aplikace
  • obvykle jen pro menší průtoky
  • složitá konstrukce a mnoho komponent
  • vyšší cena
  • méně vhodné pro látky s vysokou viskozitou
  • nevhodné pro pasty a abrazivní produkty

Závěrem...

Za týden bude na stránkách serveru automatizace.HW.cz další pokračování....

Článek vytvořil z informací níže uvedených výrobců a dodavatelů: Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: 

Komentáře