Шестеренчатые насосы, объёмные роторные машины. Простые и недорогие, они создают высокое давление. Насосы применяют в гидравлике, системах смазки и нефтегазовой отрасли, там, где нужно перекачивать вязкие среды.
Принцип работы и устройство
Насос работает за счёт вытеснения жидкости. В герметичном корпусе вращаются две шестерни, ведущая и ведомая, в противоположных направлениях. Процесс делится на три стадии:
- Всасывание: Когда зубья выходят из зацепления на стороне всасывания, образуется зона разрежения. Жидкость заполняет межзубные впадины и пространство между зубьями и стенками корпуса.
- Транспортировка: Жидкость, запертая между зубьями, движется по корпусу от камеры всасывания к камере нагнетания. До момента достижения зоны нагнетания она не смешивается и не сжимается.
- Нагнетание: Когда зубья входят в зацепление на стороне нагнетания, объём межзубных впадин уменьшается, и жидкость выдавливается в напорный патрубок.
Зазоры между торцами шестерен и боковыми крышками, а также между зубьями и стенками корпуса, должны быть минимальными. От этих зазоров зависят внутренние утечки (проскальзывание), которые напрямую влияют на объемный КПД.
Основные узлы конструкции
Корпус и крышки
Чугунные, стальные или алюминиевые отливки. Внутренняя поверхность притирается для соблюдения точных размеров. В корпусе формируются полости всасывания и нагнетания.
Шестерни
Из закалённой стали, бронзы или полимеров. Бывают прямозубые, косозубые и шевронные. Косозубые работают тише и дают меньше пульсаций давления.
Подшипники
Подшипники скольжения (обычно бронзовые или из специальных сплавов, работающих на перекачиваемой жидкости) или подшипники качения. Выбор зависит от нагрузки и смазывающей способности среды.
Уплотнения
Чтобы избежать утечек: сальниковые уплотнения или механические торцевые уплотнения (МТУ). В агрессивных средах применяют насосы с магнитной муфтой.
Классификация шестеренчатых насосов
По типу зацепления
- Внешнее зацепление: Классическая конструкция с двумя одинаковыми шестернями, вращающимися в разные стороны. Конструкция простая, поэтому насосы с внешним зацеплением, самые распространённые. Их ставят в гидравлических системах, в масляных насосах ДВС.
- Внутреннее зацепление: Ведущая шестерня находится внутри ведомой с внутренними зубьями; между ними установлен сателлит (звёздочка), разделяющий полости всасывания и нагнетания. Пример, насосы типа ROTAN. Они компактнее, тише и дают более плавную подачу.
- Героторные насосы: Разновидность внутреннего зацепления, где внутренняя шестерня имеет на один зуб меньше внешней. Часто применяются как масляные насосы в автомобильных двигателях.
По профилю зубьев
- Прямозубые: Просты в производстве, но дают высокие пульсации давления и шум: зубья входят в зацепление мгновенно по всей ширине.
- Косозубые: Зубья наклонены под углом. Зацепление происходит постепенно, шум и пульсации меньше, но появляется осевая нагрузка на подшипники.
- Шевронные: Двусторонние косозубые зубья. Нейтрализуют осевое усилие, работают плавнее, но дороже в изготовлении.
| Параметр | Внешнее зацепление | Внутреннее зацепление |
|---|---|---|
| Максимальное давление | До 25–32 МПа | До 16–20 МПа |
| Уровень шума | Высокий (особенно прямозубые) | Низкий / средний |
| Габариты | Больше при той же подаче | Компактные |
| Чувствительность к загрязнениям | Высокая | Средняя |
| Сложность изготовления | Низкая | Высокая |
Расчет параметров насоса
Для подбора насоса и проектирования системы рассчитывают теоретическую и фактическую подачу, а также мощность привода. Формулы, в системе СИ.
Теоретическая подача
Теоретическая подача $Q_t$, объём жидкости, вытесняемый насосом за единицу времени, без учёта утечек. Основная формула для насоса с внешним зацеплением через делительный диаметр шестерен $D$ и коэффициент заполнения $\theta$:
Где:
- $D$, делительный диаметр шестерни (м);
- $b$, ширина шестерни (м);
- $n$, частота вращения ведущей шестерни (об/с);
- $\theta$, коэффициент заполнения (обычно 0.95–1.0, зависит от профиля зуба).
Если заданы модуль $m$ и число зубьев $z$, то $D = m \cdot z$. Формула через модуль: $Q_t = \pi \cdot (m \cdot z)^2 \cdot b \cdot n \cdot \theta$. Для перевода из м³/с в л/мин умножьте результат на 60 000.
Фактическая подача
Фактическая подача $Q_f$ всегда меньше теоретической из-за внутренних утечек через зазоры. Величина утечек зависит от вязкости жидкости и перепада давления.
Где $\eta_v$, объёмный КПД насоса. Для шестеренчатых насосов $\eta_v$ составляет 0.7–0.98. При низкой вязкости (вода) или высоком давлении $\eta_v$ заметно падает.
Мощность привода
Мощность $N$, необходимая для вращения вала насоса, рассчитывается с учётом гидравлических и механических потерь. Инженерам удобна формула, когда подача $Q$ в л/мин, а давление $p$ в бар:
Где:
- $Q_f$, фактическая подача (л/мин);
- $\Delta p$, перепад давления (бар);
- $\eta_{общ}$, общий КПД, равный произведению объемного и механического: $\eta_{общ} = \eta_v \cdot \eta_m$.
| Параметр | Влияние роста вязкости | Влияние роста давления |
|---|---|---|
| Объемный КПД ($\eta_v$) | Растёт (утечки уменьшаются) | Падает (утечки растут) |
| Механический КПД ($\eta_m$) | Падает (растут потери на трение) | Незначительно или растёт |
| Требуемая мощность | Растёт | Растёт линейно |
Материалы и исполнение
Материалы выбирают по химической агрессивности, температуре и вязкости перекачиваемой среды.
Нефтегазовая и топливная отрасль
Материалы: Закалённая сталь (40Х, 40ХН), чугун с покрытием.
Уплотнения: NBR (нитрил), FKM (фторкаучук) для высоких температур.
Химическая промышленность
Материалы: Нержавеющая сталь (12Х18Н10Т, 316L), титан, сплавы Хастеллой.
Особенности: Магнитные муфты для полной герметизации, химически стойкие уплотнения (PTFE, Viton).
Пищевая промышленность
Материалы: Аустенитная нержавеющая сталь, бронза, пищевые полимеры.
Сертификация: Стандарты FDA, EHEDG. Гладкая внутренняя поверхность для лёгкой очистки.
Высокотемпературные среды (битум, смолы)
Материалы: Жаропрочные стали, специальные сплавы.
Конструкция: Корпус с рубашкой охлаждения или подогрева, увеличенные зазоры для компенсации теплового расширения.
Ограничения и недостатки
У шестеренчатых насосов есть ограничения, которые нужно учитывать при проектировании.
Насосы не подходят для маловязких жидкостей, воды, бензина. При низкой вязкости внутренние утечки резко возрастают, объёмный КПД падает до 0.3–0.5, и насос может не выдать нужное давление. Для воды обычно применяют центробежные насосы.
Прецизионные зазоры (обычно 0.02–0.05 мм) забиваются твёрдыми частицами, что приводит к заклиниванию шестерен или ускоренному износу. На всасывании обязательны фильтры грубой и тонкой очистки.
Прямозубые шестерни создают значительные гидравлические пульсации и шум. В напорной магистрали ставят гасители пульсаций, а на фундаменте, виброизоляторы.
Как и все объёмные насосы, шестеренчатые подвержены кавитации. Если давление на всасывании недостаточно, жидкость закипает, образуются пузырьки, которые при схлопывании разрушают шестерни и корпус. Максимальная высота всасывания обычно 4–6 метров. Требуется контролировать NPSH (необходимый всасывающий напор).
Резкое закрытие клапана на нагнетании вызывает скачок давления, способный разрушить корпус или сорвать вал. В системах с шестеренчатыми насосами ставят предохранительные клапаны.
Области применения
Шестеренчатые насосы ставят там, где требуется точное дозирование, высокое давление или работа с вязкими средами.
- Гидравлические системы: Прессы, литьевые машины, краны, экскаваторы (маслонасосы).
- Нефтегаз: Перекачивание нефти, мазута, битума, трансформаторного масла. Системы смазки турбин и компрессоров.
- Химическая промышленность: Дозирование реагентов, перекачивание смол, полимеров, кислот (в коррозионностойком исполнении).
- Пищевая промышленность: Перекачивание растительных масел, шоколадной массы, сиропов, мёда.
- Автомобилестроение: Масляные насосы ДВС, насосы гидроусилителя руля, топливные насосы.
Шестеренчатые насосы, надёжное и компактное решение для вязких жидкостей под высоким давлением. Они подходят для масел, топлива и химикатов. Ключевое правило: подобрать материалы под среду, обеспечить фильтрацию и учесть влияние вязкости на КПД и мощность. Для воды и маловязких сред выбирают другие типы насосов.
