V minulých dílech seriálu o principech čerpadel (viz níže) jsme se až doposud zabývali koncepcí rotujícího rotoru (oběžného kola) jako hlavní komponenty pohánějící kapalinu a vytvářející požadovaný tlak. Dnes se však podíváme na kategorii pracující trošku odlišně. Na tzv. pístová čerpadla. Přesněji řečeno rotační pístová čerpadla. Ty se totiž navenek často vyznačují tím, že byste podle vnějšího pouzdra ani možná netipovali, že jsou uvnitř nějaké písty. Obvykle se totiž vyznačují dost kompaktním provedením, kde z pouzdra „kouká“ jen rotační hřídel a na protějších stranách umístěné sací a výtlačné potrubí.

I když princip pístových čerpadel je samozřejmě založen na posuvném pohybu pístu ve válci, jejich zdvih je poháněn rotující hřídelí s externím pohonem. Dalším významným znakem rotačních čerpadel je obvykle použití velkého množství malých pístů umístěných do kruhu. Podle toho, zda se hýbají (vysouvají) ve směru podélném či kolmém k poháněné hřídeli čerpadla se rozdělují na radiální a axiální provedení. Toto rozdělení je zde důležité a má významný vliv na nasazení a použití v aplikacích. Jedno však mají společné.

Obecně rotační pístová čerpadla dokáží generovat velmi vysoké tlaky (až v řádu stovek barů) i při relativně nízkých otáčkách, a proto jsou ideální pro všechny vysokotlaké aplikace a systémy. Často jsou nasazována v hydraulických systémech. Na druhou stranu většinou dosahují jen velmi malých průtoků (i menších než zubová čerpadla) a to je raději neporovnávám s lopatkovými čerpadly. To však například v aplikacích pro dávkování malých množství kapalin nevadí. Mimochodem, když se podíváme zpět, je doposud z vlastností jednotlivých provedení patrné, že prakticky nelze mít současně čerpadlo s vysokým provozním tlakem a zároveň i poskytující vysoký průtok.

Obecně se dá říct, že rotační pístová čerpadla se často využívají pro aplikace přenosu výkonu v podobě převodovek u strojů v oblasti zemědělství, strojního a leteckého průmyslu a k šetrné dopravě médií od nízkoviskózních až po vysokoviskózní a pastovité. Také umožňují čerpání plynů a tedy je lze využít pro pneumatické systémy. S ohledem na konstrukční princip jsou tato čerpadla vhodná především pro média jejichž viskozita je na úrovni hodnoty 100 cP a výše a kde se požaduje minimalizace negativního vlivu čerpadla na vlastní medium (např. čerpání jogurtových směsí). U nízkoviskózních médií (např. voda) dochází při čerpání do protitlaku k snížení objemové účinnosti a v takovýchto případech není ani možno využívat spodní rozsah otáček čerpadel.

Samonasávací schopnost rotačních pístových čerpadel je silně závislá na viskozitě media a otáček čerpadla. Čerpadlo je schopno nasát cca 8 m výšky vodního sloupce nebo teoreticky proti pasivním odporům na sání do hodnoty 100 mbarů.

Čerpadlo je snadno čistitelné a jednoduché pro údržbu. To je výhodné pro použití v potravinářství, kosmetickém průmyslu nebo ve farmacii. Obvykle bývají tyto čerpadla konstruována tak, aby je bylo možno několika jednoduchými manipulačními úkony rozložit. Tím se veškeré prvky přicházející do kontaktu s mediem stanou přístupnými očistě. U medií nelepivých nebo nezatvrdávajících postačuje v zásadě čerpadlo dostatečně propláchnout vodou nebo odpovídajícím rozpouštědlem. Tím se čerpadlo samočistí.

Konkrétně vysokotlaká pístová axiální čerpadla jsou vhodná pro hydraulické oleje nebo syntetické kapaliny s podobnými mazacími charakteristikami a odpovídají moderním požadavkům průmyslové a mobilní systémové hydrauliky. Radiální pístová čerpadla pak obvykle slouží např. jako motorové čerpadlo (oddělené umístění od nádrže), jako hydroagregáty (kompletně s nádrži), čerpadla u lisů, u zkušebních a laboratorních zařízení, v hornictví, ve zdvihacích zařízení a speciálních vozidlech a dalších systémech.

Princip a konstrukce axiálního provedení

Axiální pístová čerpadla využívají rotační pohybový mechanismus se šikmo postaveným kotoučem, který generuje postupný periodický zdvih několika malých pístů umístěných v pouzdře v ose s hřídelí. Písty jsou zde tedy umístěny jako komory v bubínkovém revolveru a postupným otáčením šikmého kotouče nebo soustavy pístů dochází k postupnému zatlačování a uvolňování jejich pístnice.

Tyto písty pak v první polovině pracovního cyklu, kdy jsou uvolňovány a pohybují se díky pružinám směrem ke kotouči, provádějí nasávání produktu ze sacího otvoru. Následně v druhé polovině cyklu, kdy jsou kotoučem stlačovány, látku vytlačí do výstupního otvoru. Tím provádí čerpání dopravovaného média a produkují velmi vysoký výstupní tlak.

Podle toho, jak je proveden šikmý kotouč a napojení poháněcí hřídele se axiální pístová čerpadla dělí na provedení:

• s otáčenými písty (Swashplate Pumps)
• s otáčeným šikmým kotoučem (Wobble Plate Pumps)
• s vyosenou hřídelí / nakloněným kotoučem (Bent Axis Pump)

V první variantě se využívá toho, že šikmý kotouč je pevný a hřídel otáčí dokola prostorem pístů (jako se otáčí bubínek revolveru, kde jednotlivé komory jsou zde jednotlivé písty), jejichž pístnice svými vnějšími konci „kloužou“ po pevné nakloněné rovině kotouče. Tím se dle natočené vstupní hřídele stlačují či uvolňují.

V druhé variantě jsou naopak písty pevnou součástí pouzdra čerpadla a poháněcí hřídel je pevně spojena s kotoučem klínovitého průřezu. Jeho nakloněnou rovinou pak klouže po koncích pístnice a tím je postupně nuceně zasunuje a vysunuje ve válcích.

U třetího provedení opět hřídel pohání kotouč, který je zde však svou plochou kolmý na hřídel, ale spolu s ní je vyosen proti ose pístů. Celá soustava je tak funkčně totožná s druhou variantou, pouze zde písty nejsou v ose s poháněcí hřídelí a ovládací kotouč má ve všech jeho místech stejný průřez.

Výhoda konstrukce axiálních čerpadel je možnost relativně snadno realizovat regulaci a průtoku čerpadla při konstantních otáčkách prostřednictvím mechanické změny naklopení šikmého kotouče. Čím více je kotouč naklopen, tím větší zdvih pístům generuje a tím je i větší objem nasávané / vytlačované látky na jednu otáčku.

Princip a konstrukce radiálního provedení

Naproti tomu radiální pístová čerpadla sice využívají stejný základní princip, ale jejich písty jsou umístěny kolmo na osu čerpadla, dokola okolo poháněcí hřídele. Písty tak paprskovitě vybíhají od středu, kde se nachází hřídel k vnějšímu okraji pouzdra vytvářející excentrický kroužek. Na první pohled může řez čerpadlem připomínat strukturu lopatkových čerpadel prezentovaných ve 3. díle, a pravdou je, že i tak částečně pracují.

Pohyb pístů je zde generován proměnnou vzdáleností jeho konce od stěny pouzdra během jeho otáčení, kdy tlačná pružina tlačí písty ve Válcích ven proti vnější stěně, která pak díky svému excentrickému provedení pružinu pístu přetlačuje a pohybuje písty. Tedy podobně jako u lopatkových čerpadel zasouvání lopatek do oběžného kola.

V první části pracovního cyklu, kdy se píst vzdaluje od středu provádí nasávání kapaliny ze sacího otvoru, kterou pak při zpětném pohybu dolů v druhé části cyklu vytlačuje do výstupního otvoru. Současné použití většího počtu pístů pak snižuje pulsaci průtoku (čím více pístů, tím plynulejší je průtok). To samozřejmě platí u obou provedení, tedy axiálního i radiálního.

Hlavní konstrukční rozdíl v obou provedeních spočívá ve výsledných rozměrech čerpadel, kde axiální čerpadlo je logicky užší, ale delší, zatímco radiální konstrukce vytváří velmi krátká čerpadla v ose, ale s velmi velkým průměrem. Radiální provedení však obvykle dovoluje použít větší počet pístů, a proto je jeho průtok v porovnání s axiálním plynulejší a obvykle je dosahováno vyšších tlaků. Na struhou stranu jsou takové konstrukce složitější a dražší na výrobu.

Hodnota průtoku je pak u obou verzí úměrná rychlosti otáčení hřídele. Proto obecně rotační pístová čerpadla bývají často ve vysokootáčkovém provedení pro rychlosti až 3000 ot./min.

Parametry a vlastnosti:

Závěrem...

Dá se říct, že pístová čerpadla jsou vícetlakou alternativou k zubovým čerpadlům, přičemž kombinují výhody externích zubovek (vysoký tlak) a lobe pump (pro velký rozsah viskozit látek). Všechny tyto tři provedení se proto využívají při konstrukci plnících strojů.

Za týden na stránkách serveru automatizace.HW.cz budeme pokračovat některým dalším typem čerpadel.

DOWNLOAD & Odkazy

• Zajímavé odkazy na webové stránky o popisu či výrobcích / prodejcích rotačních pístových čerpadel:
  • www.cerpadlo.cz/slovnik-pojmu.php
  • www.e-cerpadla.cz/samonasavaci-cerpadla-odstrediva-c-29.html
  • www.pumpworld.com/contents.htm
  • www.rhino3d.com/gallery/mechanical/pistonpump.htm
  • www.roymech.co.uk/Related/Pumps/Rotary%20Positive%20Displacement.html
  • www.liquid-dynamics.com/animations/pumps/AxiPis-Anim.html
  • www.ferrariint2.com/eng/content/fx-series
  • www.hydraulicpumpsmotors.com/tag/how-do-piston-pumps-operate
  • www.eurofluid.cz/index.php
  • www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php

• Předchozí díly seriálu o čerpadlech:
  • Principy průmyslových čerpadel – 1.díl – zubová čerpadla
  • Principy průmyslových čerpadel – 2.díl - rotační Lobe pump
  • Principy průmyslových čerpadel – 3.díl - lopatková čerpadla (Vane pumps)
  • Principy průmyslových čerpadel – 4.díl - odstředivá čerpadla
• Další zajímavé články z oblasti průmyslové automatizace najdete na stránkách serveru automatizace.HW.cz.