Jste zde

Principy průmyslových čerpadel – 8.díl - vřetenová čerpadla

V tomto díle se vrátíme k čerpadlům s rotujícím rotorem, tentokrát však v axiálním směru. Podíváme se tedy na šroubová / šneková / vřetenová čerpadla, jak se také nazývají. I když se obvykle vyznačují většími rozměry, stále se využívají pro svou velkou univerzálnost, odolnou konstrukci a dlouhou životnost.

Od pístových a peristaltických čerpadlech si dnes opět odskočíme k čerpadlům rotačním, kde je základem funkce otáčení rotoru. Rotační axiální typ, který jsme dosud nezmínili, se nazývá vřetenové čerpadlo (pozn. někdy také šroubové či šnekové - tato tři označení se obvykle zaměňují). I když se již nevyužívají v tak masovém měřítku jako ještě před dvaceti a více lety (z důvodu zdokonalení zubových, membránových a hadicových čerpadel), stále existuje mnoho aplikací, pro které jsou  velmi vhodná.

Obecně to jsou systémy vyžadující vysokou odolnost, velký průtok a možnost současně čerpat málo i velmi viskózní, abrazivní, či nestejnorodé kapaliny citlivé na smykové tření a pěnění. Také umožňují zachovat neporušenost produktu a jsou schopné dopravovat kapaliny s velkým obsahem vzduchu, par nebo plynů. To je dělá ideálními buď pro čerpání velmi znečištěných nízkoviskózní kapalin, typu znečištěné vody, nebo naopak pro dopravu velmi hustých produktů, jako jsou různé pasty nebo až hrudkovité materiály.

I když to nemusí být hned na první pohled patrné, konstrukcí vřetenových čerpadel je hned několik a při detailním pohledu se mohou dost lišit (různý tvar vřetene (rotoru) i pouzdra (statoru), počet vřeten). Navíc různé provedení pak má vliv i na vlastnosti a výsledné provozní zaměření a použití.

Vřetenová čerpadla se vyrábějí v tzv. horizontálním a vertikálním provedení. Zatímco v prvním případě se toho využívá pro přečerpávání, dopravu a dávkování kapalin převážně ve výrobních linkách v chemickém, potravinářském a farmaceutickém průmyslu, vertikální verze se využívá hlavně jako ponorné čerpadlo pro čerpání čisté, mírně zkalené užitkové, i silně znečištěné splaškové vody z malých i velkých hloubek. Malý průměr těchto vertikálních vřetenových ponorných čerpadel umožňuje jejich nasazení i do velmi úzkých vrtů a výpustných otvorů a jsou tak ideální pro různé vrty, studny a nádrže s převýšením i několik desítek metrů. Jsou tak vhodné k čerpání vody v čističkách, automatických tlakových systémech, k zavlažování a postřiku zahrad, luk a polí nebo pro tlakování zásobníků. Protože jsou konstruována jako bezúdržbová a odolná, je jejich vlastní instalace a obsluha obvykle velmi jednoduchá. Proti odstředivým, membránovým nebo hadicovým čerpadlům, která se v této oblasti také využívají, má vřetenové čerpadlo přece jenom větší mechanickou odolnost a životnost, která se zde pohybuje až kolem 20.000 provozních hodin.

 

Mimo uvedených aplikací čerpání vody v zemědělství (hnojení a postřiky) a v zavlažování se lze se stejnou konstrukcí setkat i v chemickém či potravinářském průmyslu v podobě vertikálních úzkých pump pro čerpání produktů z různých barelů, sudů a kanystrů, obzvláště mají-li kapaliny velmi vysokou viskozitu, pěnivost nebo obsahují pevné částice velikosti i několik mm.
Vřetenová čerpadla se rovněž používají pro čerpání a dávkování médií s velmi vysokou viskozitou nebo kapaliny náchylné na prudkou manipulaci. I když v případě dávkování není jejich přesnost příliš vysoká a dnes je často nahrazují v tomto směru dokonalejší zubová čerpadla a Lobe pumpy (viz 2.díl - rotační Lobe pumpy), jsou velmi vhodná pro plnění velmi pěnivých látek nebo produktů velmi náchylných na míchání. Při přepravě ve vřetenovém čerpadle totiž prakticky nedochází k žádnému „šlehání“ či přílišné rotaci produktu (na rozdíl například od zubovek). Sání, čerpání i výtlak média je pozvolný, bez velkých pulsací a velkých pohybových zrychlení. Jsou tak používaná například pro dopravu a plnění tekutých mýdel, šampónů, gelů, barev či lepidel.

Příklady provedení vřetenových čerpadel.

Princip a konstrukce čerpadel

S konstrukcí vřetenových / šnekových / šroubových čerpadel, jak je také různí výrobci a prodejci nazývají, to není tak lehké, jak se může na první pohled zdát. Je to z toho důvodu, že existuje dost různých variant provedení, přičemž i výkonové parametry se dost liší.

Základní princip vřetenového čerpadla je však poměrně jednoduchý a využívaný již téměř jedno století. Byl vynalezen v roce 1936 francouzským leteckým konstruktérem René Moineau při práci na vývoji nového pohonného dmychadla. Prakticky jde o otáčení rotoru v podobě šroubovice uložené v pevném nepohybujícím se statoru. Každého v tomto smyslu patrně napadne konstrukce tzv. mlýnku na maso. To je však principielně jen jedna možnost konstrukce vřetenového čerpadla. Výrobci nabízí hned několik různých provedení vzájemně se lišících hlavně tvarem vřetena a jejich počtem v čerpadle.

Z pohledu tvaru rotoru se nejčastěji využívají následující základní druhy:

  • Archimédův šroub
  • Excentrický šnekový rotor
  • Vřeteno obdélníkovým závitem
  • Vřeteno lichoběžníkovým závitem
  • Vřeteno cykloidním závitem


Z pohledu počtu použitých vřeten v konstrukci lze čerpadla rozdělit na:

  • jednovřetenové
  • dvouvřetenové
  • třívřetenové

 

Jednovřetenová čerpadla

Jednovřetenová provedení jsou z pohledu nabídky na světovém trhu nejčastější a podle konstrukce se využívají pro nízko- a středotlakou dopravu kapalin. Provozní a výkonové vlastnosti se však dost liší podle konkrétního provedení a typu závitu rotoru. Nejpoužívanější jsou typy s excentrickým šnekovým rotorem a tzv. Archimédovým šroubem.

Konstrukce s Archimédovým šroubem (rotor s ostrým závitem) je v podstatě jen šnek v hladké trubce, korytě či žlabu a prakticky odpovídá již zmíněnému mlýnku na maso. V případě dopravování pevných materiálů se tato konstrukce často nazývá šnekovým dopravníkem. U tohoto čerpadla se kapalina pohybuje pouze působením smykových sil mezi šnekem a kapalinou. Toto řešení používá pro materiál statoru nepružných tuhých materiálů jako např. kovů nebo plastů, kdy součásti jsou uloženy s vůlí. Při této konstrukci pracují tato vřetenová čerpadla obdobně jako zubová čerpadla či dmychadla. Proto se obvykle používají jen pro nízkotlakou dopravu hustých produktů (pasty / kapaliny s vysokou viskozitou) či čerpání vody jen do malých výšek, např. čerpání odpadní vody v čističkách. Výhoda této konstrukce je pak jednoduchá výroba a velmi dlouhá životnost.

Ukázka principu a konstrukce jednovřetenového čerpadla s Archimédovým šroubem.

Provedení s excentrickým šnekovým rotorem, které i u nízkoviskózních kapalin typu voda dosahuje výrazně vyšších tlaků, je již trošku jiné. Rotor zde tvoří oblý závit s velkým stoupáním a malou výškou závitu. Trošku vypadá jako lehce zohýbaná hadice. Je uložen ve statoru z pružného materiálu, který přeneseně představuje matici s dvojitým chodem. Při otáčení však nedochází k posuvu rotoru. Nejčastěji je užívané konstrukční řešení s jedním kovovým rotorem pracující jako vnější vřeteno jež se excentricky otáčí v pryžovém vnitřním vřetenu (statoru). Rotor je nejčastěji vyroben z kovu, materiál statoru je obvykle pružný tj.elastomer. Součásti jsou lícovány s přesahem. Tím vzniknou v meziprostoru velmi dobře utěsněné komůrky - prostory pro čerpanou kapalinu, které axiálně postupují od sání k výtlaku čerpadla a dopravují tak kapalinu. Při otáčení rotoru vzniká excentricita, která musí být nějakým způsobem kompenzována tak, aby pohonná hřídel nepoškozovala uložení ložiska. Tato konstrukce je již na výrobu náročnější, hlavně co se přesnosti výroby týče, a také zde díky těsnosti uložení dochází k většímu opotřebení. Na druhou stranu se vyznačuje možností čerpat i nízkoviskózní kapaliny ve středotlakých systémech (až 60 barů) a při průtocích až 5000 l/min .

Ukázka konstrukce jednovřetenového čerpadla s excentrickým šnekovým rotorem.

Dvouvřetenová čerpadla

Princip činnosti dvouvřetenového čerpadla spočívá v tom, že kapalina je uzavřena do zubových mezer mezi dvěma vřeteny a přesunuje se ve směru pohybu šroubovice. Ve výtlačném místě se zubová mezera otevře vyběhnutím závitů vřeten ze závitů a zmenšováním prostoru otevřené závitové mezery dojde k vytlačování kapaliny ven z čerpadla. Nejvyužívanější profily závitů jsou zde obdélníkový a lichoběžníkový. Poháněna mohou být obě vřetena, ale stále častěji se objevuje přímý pohon jen jednoho vřetena a na druhé se přenáší pomocí ozubených kol. Tato konstrukce se díky dvěma otáčejícím vřetenům hodí pro velké průtoky a střední tlaky. Dvouvřetenová čerpadla se obvykle vyrábějí pro čerpání médií lehce abrazivních, špatně mazných i viskózních a mírně agresivních při tlacích do cca 16 barů a průtocích až do 15000 l/min. Díky uzavření kapaliny do zubových mezer lze vyrobit provedení i pro čerpání velmi horkých kapalin o teplotě až 300°C (např. takové najdete v nabídce společnosti SCHMACHTL).

Ukázka konstrukce a principu dvouvřetenového čerpadla.

Třívřetenová čerpadla

Princip třívřetenových čerpadel je podobný jako u dvouvřetenových pouze s tím rozdílem, že se skládá ze tří vřeten , kde hlavní vřeteno dopravuje kapalinu a dvě pomocná vřetena jej těsní a oddělují pracovní prostor na řadu malých objemů. V nich je od sacího do výtlačného otvoru kapalina přepravována. Na rozdíl od dvouvřetenové verze se zde vždy pohání jen centrální vřeteno a obě pomocná se pohání jen dopravovanou kapalinou.

Vřetena mají u tohoto provedení obvykle cykloidní závit, který zajišťuje oddělení závitových mezer a tím zvyšuje účinnost. Hlavní oblastí použití je čerpání mazacích čistých olejů, např. jako hlavní olejové čerpadlo umístěné na převodovce, kde může dosahovat velmi vysokých tlaků (až 300 barů) a také vysokých průtoků (až 12 000 l/min).

Díky uzavření kapaliny do zubových mezer mezi vřetena lze vyrobit provedení i pro čerpání velmi horkých kapalin o teplotě až 300°C (např. takové najdete v nabídce společnosti SCHMACHTL)

Ukázka konstrukce třívřetenového čerpadla.

Parametry a vlastnosti:

Typické vlastnosti:

  • max. tlak: 1 až 300 barů
  • max. průtok: 500 až 12 000 l/min
  • viskozita média: cca 0,3 až 1 mil. cP
  • max. ot. pohonu: cca 20 až 3000 ot./min.
  • teplota média: cca od -10 do 120 až 300 °C (dle konstrukce a materiálu)
  • max. vel. pevných částic: 1 až cca 20 mm (dle stoupání a velikosti závitu - největší u Archimédova šroubu)
  • délka čerpacích závitů: cca 80 až 3000 mm

Oblasti použití:

  • potravinářství
  • cukrovarnictví a škrobárenství
  • chemický průmysl
  • odpadní vody
  • papírenství
  • zemědělství
  • vysokotlaké čištění
  • aplikace vyžadující striktní hygienu
  • doprava odvodněných kalů
  • čerpání čisté i užitkové vody
  • čerpání močůvky a splašků
  • doprava obzvláště viskózních produktů
  • pro barvy, laky, lepidla
  • pro oleje, mýdla, krémy, gely, pasty
  • pro ovocné šťávy, marmelády, med

Výhody:

  • pro nízké, střední i vysoké tlaky
  • pro nízké, střední i vysoké průtoky
  • prakticky pro produkty všech viskozit
  • dobré sací schopnosti (vyjma Archimédova šroubu)
  • nízká pulsace průtoku i malé vibrace
  • možnost čerpat i produkty s pevnými částicemi

Nevýhody:

  • velké rozměry čerpadla
  • náročné na přesnost výroby a množství materiálu = vysoká cena
  • čím větší požadavek na tlak, tím větší rozměry (délka)
  • vliv viskozity produktu na dopravní výkon
  • méně přesné dávkování

Závěrem...

Vřetenová, šroubová či šneková čerpadla, jak chcete, jsou díky své univerzálnosti vhodná pro mnoho různých aplikací. Dokonce existují i ve vysokotlakých provedeních a poradí si téměř s jakýmkoliv produktem. Bohužel jsou však rozměrově dost velká, hlavně co se délky týče. Navíc čím vícetlakové provedení požadujete, tím více "sekcí" musí čerpadlo mít a tím větší délku čerpadlo má. S tím pak samozřejmě souvisí i vyšší cena čerpadla.

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

Článek vytvořil z informací níže uvedených výrobců a vlastních zkušeností: Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: 

Komentáře