Шестеренные насосы, благодаря относительной простоте конструкции, надежности и долговечности работы, небольшим габаритным размерам и массе, минимальной трудоемкости изготовления, легкости реверсирования, удобству обслуживания широко используются в химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производствах.
По принципу действия шестеренные насосы относятся к группе объемных роторно-вращательных насосов с перемещением перекачиваемой жидкости в плоскости, перпендикулярной оси вращения рабочих органов, выполненных в виде шестерен.
Насосы выполняются с шестернями внешнего и внутреннего зацепления. Наиболее распространенным является насос первого типа, который, как правило, состоит из пары зацепляющихся цилиндрических шестерен, помещенных в плотно охватывающий их корпус, имеющий каналы в местах выхода из зацепления шестерен и входа в него, через которые осуществляется подвод (всасывание) и отвод (нагнетание) перекачиваемой жидкости. При вращении шестерен жидкость, заключенная во впадинах зубьев, переносится из камеры всасывания в камеру нагнетания.
В шестеренных насосах отсутствует эффект действия на конструкцию инерционных сил движущихся деталей. Они допускают относительно высокие частоты вращения, а также кратковременные перегрузки по давлению, величину и длительность которых определяют в основном размеры подшипников роторов. Максимальные частоты вращения составляют обычно 2500 и 4000 об/мин, для насосов небольших подач допускаются более высокие частоты вращения (до 15000 об/мин).
Максимальное давление, развиваемое этими насосами, обычно не превосходит 21 МПа, хотя созданы насосы, пригодные для работы при давлении 34 МПа и даже выше. Подача насосов, предназначенных, как правило, для перекачивания жидкостей с хорошими смазывающими способностями и с широким диапазоном вязкостей, доходит до 60 м3/ч.
К недостаткам шестеренных насосов относят неравномерность подачи (пульсацию), сравнительно большие объемные потери, обусловленные в основном утечками перекачиваемой жидкости через радиальные и торцевые зазоры между шестернями и корпусом насоса, повышенная шумность при работе.
В последние годы отечественные и зарубежные фирмы разработали, запатентовали и выпускают новые конструкции шестеренных насосов для химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств, отличающиеся улучшенными характеристиками.
Рис. 1 Шестеренный насос внешнего зацепления с охлаждением подшипников скольжения
Большим ресурсом работы отличается шестеренный насос внешнего зацепления, содержащий в корпусе 1 (рис. 1) ведущую 5 и ведомую 2 шестерни с цапфами, установленными в подшипниках скольжения 3, 4, 6 и 7. Для усиления теплоотвода от пар трения каждый подшипник скольжения выполнен с радиальными сквозными каналами 8, сообщающими внутреннюю поверхность подшипника с полостью низкого давления (полостью всасывания) через аксиальные каналы 9. Циркуляция перекачиваемой жидкости по каналам 8 и 9 обеспечивает достаточно интенсивный отвод тепла от подшипников скольжения и их смазку.
Фирма Daimler Chrysler AG (Германия) разработала конструкцию шестеренного насоса внешнего зацепления, отличающуюся высоким объемным КПД в течении длительного времени. Это достигнуто за счет того, что полукруглые части корпуса насоса, контактирующие с вращающимися шестернями по наружному диаметру, имеют трехслойную конструкцию: наружный слой выполняется из жесткого материала; внутренний слой – из упругого листового материала; промежуточный, более толстый слой – из упругой пластмассы толщина которого может меняться (увеличиваться) в процессе эксплуатации. Кроме того, контактирующие поверхности внутреннего слоя корпуса и концов зубьев шестерен имеют антифрикционные покрытия. В процессе эксплуатации шестеренного насоса обеспечивается постоянный зазор в паре трения: «внутренний слой корпуса насоса – концы зубьев шестерен» независимо от износа трущихся деталей за счет увеличения промежуточного слоя корпуса, выполненного из упругой пластмассы.
ЗАО «Спецгидравлика» (Россия) выпускает сепийно шестеренные насосы внешнего зацепления типа НМШ по ГОСТ 19027-89, предназначенные для перекачивания нефтепродуктов (масло, нефть, мазут, дизельное топливо) без механических примесей, кинематической вязкостью от 1,8∙10⁻⁶ до 1,5∙10⁻³ м²/с, температурой до 70⁰С и отличающиеся небольшими габаритными размерами. Конструктивными особенностями шестеренных насосов типа НМШ являются: высокий КПД 9не менее 85 %), гарантийный срок эксплуатации – 2 года, удобство в эксплуатации, разгрузка от давления нагнетания крышек и торцевого уплотнения приводного вала, пониженная вибрация при работе. Подача насоса типа НМШ – от 4,0 до 6,3 м³/ч, давление нагнетания – от 0,4 до 2,5 МПа.
Подача перекачиваемой жидкости шестеренным насосом носит пульсирующий характер. Пульсация подачи жидкости вызывает пульсацию давления, причем, вследствие инерции жидкости и высокого ее модуля упругости, амплитуда пульсации давления может значительно превысить амплитуду пульсации подачи. Для уменьшения пульсации потока жидкости, подаваемого шестеренным насосом, фирма Danfoss A/S (Германия) разработала устройство, состоящее из перепускного трубопровода, проходящего от нагнетательного патрубка насоса к всасывающему. В трубопроводе установлен управляемый клапан, с помощью которого небольшая часть подаваемой насосом жидкости возвращается на всасывающую сторону насоса, причем открытие клапана совпадает с максимумом давления. В нагнетательном патрубке насоса за местом ответвления перепускного трубопровода установлен обратный клапан, открываемый в сторону нагнетательного трубопровода и связанный специальным каналом с перепускным трубопроводом.
Высокими технико-экономическими показателями отличаются модернизированные шестеренные насосы внешнего зацепления фирмы Witte GmbH (Германия).Особенностью насосов является применение для изготовления подшипников скольжения специального никеле-серебряного сплава, увеличивающего ресурс их работы.
Рис. 2 Шестеренный насос внешнего зацепления с амортизирующим объемом
Технологичную конструкцию и уменьшенные уровни шума и вибрации имеет насос внешнего зацепления фирмы Hydroperfect International S.A. (Франция). Основная особенность конструкции насоса – наличие амортизирующего (демпфирующего) объема камеры «А» (рис. 2) между выпускным (нагнетательным) патрубком 4 и выходным отверстием Б. Объем камеры «А» гасит пульсацию потока перекачиваемой жидкости на выходе из насоса, являющуюся следствием дискретности объемов жидкости в пространстве между зубьями ведущей и ведомой шестерен. Другой особенностью конструкции насоса является идентичность профилей поперечного сечения деталей 3 и 5, а также вставок 1 и 2, что упрощает изготовление насоса, уменьшая номенклатуру заготовок и операций механической обработки.
Швейцарская инженерная компания Maag Pump Systems производит химические шестеренные насосы внешнего зацепления модульной конструкции серии Maag, предназначенные для перекачивания различных высоковязких жидкостей, таких как: силикон, смолы, жиры, клеи и т. п. Насосы имеют компактную конструкцию и удобны в эксплуатации.
Рис. 3 Шестерня со случайными отклонениями толщины зубьев
Фирма Damilen Chryaler Corp. (США) запатентовала конструкцию зубчатой пары для шестеренного насоса внешнего зацепления. Зубья 1, 2, 3, 4, 5 … (рис. 3) каждой шестерни насоса имеют различную толщину S₁, S₂, S₃, S₄, S₅ … по делительной окружности. Различие по толщине зубьев варьируется в пределах от -8 до +12 мкм и подбирается по закону случайных чисел, что не сказывается на подаче насоса. В то же время исключается появление резонансных частот шума при работе насоса, что снижает его общий уровень шума.
Серия шестеренных насосов внешнего зацепления с большим ресурсом работы выпускается фирмой Pump Engineering Ltd (Великобритания). Насосы рассчитаны на давление нагнетания до 10 МПа, подачу до 36 м³/ч и температуру перекачиваемой жидкости до 140⁰С. Они оснащены встроенными предохранительными клапанами, допускают реверс и удобны в эксплуатации.
Для перекачивания жидкостей, способных вызвать абразивный износ рабочих органов, фирма Fluid Management Inc. (США) разработала конструкцию шестеренного насоса внешнего зацепления, шестерни которого изготавливаются из керамики, а внутри наружного корпуса, изготовленного из металла или пластика, помещена составная рабочая камера насоса, тоже изготовленная из керамики. Для изготовления рабочей камеры насоса используется окись алюминия, а для шестерен смесь окисей алюминия и циркония. Насос отличается большим ресурсом работы при перекачивании жидкостей, содержащих абразивные частицы.
Особенностью конструкции шестеренного насоса внешнего зацепления фирмы Jomo-Hydromechanic GmbH (Германия) является то, что его шестерни изготовлены из конструкционной пластмассы, стойкой к перекачиваемой жидкости. В теле шестерен имеются полости, заполненные термостойким и стойким к перекачиваемой жидкости материалом с невысокой плотностью. При этом снижается масса шестерен без снижения их прочности и уменьшается масса насоса в целом.
Шестеренные насосы внутреннего зацепления по сравнению с шестеренными насосами внешнего зацепления обладают рядом существенных преимуществ: более низким уровнем шума, меньшими габаритными размерами и массой, улучшенной всасывающей способностью, более низкой пульсацией подачи, увеличенной частотой вращения ведущего вала насоса. Однако эти насосы более сложны в изготовлении, поэтому применяются реже. Принцип действия этих насосов такой же, как и шестеренных насосов внешнего зацепления. Для разделения (герметизации) полостей всасывания и нагнетания в шестеренных насосах внутреннего зацепления обычно применяется серпообразный разделительный элемент.
Шестеренный насос с внутренним зацеплением марки «Global Gear» является совместной разработкой фирмы Tuthil Pump and Co. (США) и фирмы Verder A.G. (Германия) и предназначен для перекачивания жидкостей с высокой вязкостью в различных технологических процессах нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств. Насос имеет чугунные шестерни с очень высокой прочностью и подшипники скольжения с высокой нагрузочной способностью, что обеспечивает продолжительный срок службы насоса. Конструкция насоса позволяет удобно производить его техническое обслуживание, не отсоединяя корпус насоса от подводящего и отводящего трубопроводов.
Запирание перекачиваемой жидкости во впадинах зубьев шестерен происходит вследствие беззазорного зацепления зубьев. Так как жидкость при давлении до 20,0 МПа практически несжимаема, то уменьшение межзубового пространства будет сопровождаться резким повышением давления жидкости. Это вызовет возрастание нагрузки как на зубья, так и на опорную поверхности подшипников.
В нестеренном насосе внутреннего зацепления фирмы Barmag Luk Automobiltechnik GmbH und Co. KG. (Германия) для устранения вредного влияния запирания жидкости во впадинах зубьев шестерен предусмотрено специальное разгрузочное устройство в виде радиальных каналов с определенным поперечным сечением, сообщающихся с полостью всасывания.
Низким уровнем воздушного шума отличается шестеренный насос внутреннего зацепления фирмы General Motors Corp. (США). В зоне контакта одного зуба внутренней шестерни с двумя соседними зубьями наружной шестерни образуется замкнутая полость, и давление в ней резко повышается. Для снижения этого давления в боковой стенке камеры выполнена канавка, соединяющая эту полость с полостью всасывания насоса.
Фирма Varisco SpA (Италия) выпускает химические шестеренчатые насосы внутреннего зацепления с магнитной муфтой (герметичные насосы) Varisco серии Vtrm, предназначенные для перекачивания высоковязких, агрессивных, взрывоопасных жидкостей, а также жидкостей, обладающих абразивным действием при условии отсутствия твердых частиц, типа: вязких радиоактивных отходов, изоцианата, диизоцианата, метанола, битумной эмульсии, эпоксидной смолы, полимера и т. п. Подача насосов – до 350 м³/ч, давление нагнетания – до 2,0 МПа, температура перекачиваемой жидкости – до 300⁰С.
Применяются также насосы с шестернями внутреннего зацепления со специальным профилем зуба, в которых отсутствует серпообразный разделительный элемент, отделяющий полость всасывания от полости нагнетания, эти насосы получили название героторных.
Рис. 4 Схема зацепления в шестеренном героторном насосе
Фирма Sumitomo Electric Ind. Ltd (Япония) запатентовала в США конструкцию шестеренного героторного насоса, отличающегося небольшими габаритными размерами и массой. Выступы зубьев внутренней ведомой шестерни 2 (рис. 4) и впадины зубьев наружной ведущей кольцевой шестерни 1 очерчены эпициклоидами, полученными качением по делительным окружностям соответствующих шестерен двух окружностей с диаметрами D₁, D₂. Выступы зубьев наружной шестерни 1 и впадины зубьев внутренней шестерни 2 очерчены гипоциклоидами, полученными качением по делительным окружностям соответствующих шестерен двух окружностей с диаметрами d₁, d₂. Диаметры окружностей удовлетворяют следующим соотношениям: D₂>D₁; D₂- D₁=d₂-d₁. Кроме того, диаметры обеих окружностей, образующих гипоциклоиды больше диаметров обеих окружностей, образующих эпициклоиды.
Оси шестерен смещены одна относительно другой на величину «е», обеспечивающую зацепление. Количество зубьев внутренней шестерни 2 на один зуб меньше, чем у наружной кольцевой шестерни 1. Отделение полости нагнетания насоса от полости всасывания (герметизация) здесь достигается путем непрерывного контакта зубьев внутренней 2 и внешней 1 шестерен в зонах разделительных перемычек между окнами всасывания и нагнетания. Межзубовые впадины шестерен 1 и 2 сообщаются с всасывающим и нагнетательным каналами с помощью серпообразных окон на боковых крышках корпуса насоса.
В шестеренном героторном насосе фирмы Mitsubishi Materials Corp. (Япония) внутренняя шестерня имеет n зубьев, а наружная – n+1. С целью снижения шума зубьям придана особая геометрия. Выступы зубьев наружной шестерни и впадины зубьев внутренней шестерни очерчены гипоциклоидами, полученными качением образующих окружностей по делительным окружностям, а впадины зубьев наружной шестерни и выступы зубьев внутренней шестерни очерчены эпициклоидами. Диаметры окружностей, очерчивающих гипоциклоиды, приняты равными друг другу, а между диаметрами окружностей, очерчивающих эпициклоиды, должно быть выдержано соотношение: d₀=d₁+t/(n+2), где индекс «0» относится к наружной шестерне, «1» - к внутренней, а t – зазор на периферии между зубьями, когда выступ одного полностью входит во впадину другого. Между диаметрами делительных окружностей должно быть выдержано соотношение D₀=D₁ (n+1)/n + t (n+1)/(n+2).
Рис. 5 Схема шестерен облегченной конструкции для героторного насоса
Особенностью шестеренного героторного насоса фирмы Concentric Pumps Ltd. (Великобритания) является облегчение наружной (ведомой) 4 и внутренней (ведущей) 3 (рис. 5) вращающихся шестерен сквозными каналами соответственно 1 и 2. Это уменьшает массу шестерен и насоса в целом, а также снижает потери на трение боковых поверхностей шестерен о корпус и крышку корпуса насоса и , следовательно, повышает механический КПД насоса.
Рис. 6 Шестеренный героторный насос с двусторонним расположением подводящих и отводящих окон для перекачиваемой жидкости
Высокий объемный КПД имеет шестеренный героторный насос фирмы Rover Group Ltd. (Великобритания), изображенный на рисунке 6. Ведущая шестерня 2, установленная на валу 4, приводит во вращение ведомую шестерню 8. Подвод перекачиваемой жидкости осуществляется через окна 1 и 12 соответственно в крышке 7 и корпусе 9, а отвод – через окна 6 и 10. Двустороннее расположение подводящих и отводящих окон уменьшает осевую нагрузку на шестерни, снижая их износ.
На ведущей шестерни 2 выполнены кольцевые проточки 5 и 11, соединенные тремя каналами 3, которые не только разгружают шестерню 2 от осевых усилий, но и уменьшают утечки перекачиваемой жидкости через зазоры между ней, крышкой и корпусом.
Таким образом, проведенный анализ научно-технической литературы и патентных материалов промышленно развитых стран мира – России, США, Германии, Франции, Великобритании и других показывает, что современные тенденции развития конструкций шестеренчатых насосов для химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств направлены на повышение их надежности и долговечности; увеличение объемного и механического КПД; снижение массы, габаритных размеров, шума и вибрации, стоимости изготовления; применение для изготовления деталей и узлов новых материалов с высокими характеристиками.
