Шестерёнчатые насосы с внутренним и внешним зацеплением: принцип работы, характеристики и применение
Содержание
- Введение
- Принцип работы шестерёнчатых насосов
- Шестерёнчатые насосы с внешним зацеплением
- Шестерёнчатые насосы с внутренним зацеплением
- Сравнительный анализ насосов с внутренним и внешним зацеплением
- Расчёт производительности шестерёнчатых насосов
- Области применения
- Выбор шестерёнчатого насоса для конкретных задач
- Обслуживание и эксплуатация
- Типичные проблемы и их решения
- Энергоэффективность шестерёнчатых насосов
- Связанные продукты
- Источники и литература
Введение
Шестерёнчатые насосы относятся к категории объёмных роторных насосов, которые широко применяются для перекачивания различных жидкостей в промышленных процессах. Эти насосы отличаются простотой конструкции, надёжностью работы и способностью перекачивать жидкости с высокой вязкостью, что делает их незаменимыми во многих отраслях промышленности.
В данной статье мы подробно рассмотрим два основных типа шестерёнчатых насосов: с внешним и внутренним зацеплением. Будут проанализированы их конструктивные особенности, принципы работы, технические характеристики, преимущества и недостатки, а также области применения. Особое внимание будет уделено расчётам производительности и эффективности этих насосов, что поможет специалистам выбрать оптимальное решение для конкретных технологических задач.
Принцип работы шестерёнчатых насосов
Шестерёнчатые насосы относятся к группе роторных насосов объёмного типа, принцип работы которых основан на вытеснении жидкости из рабочей камеры при вращении шестерен. Основной принцип действия всех шестерёнчатых насосов схож, но существуют конструктивные отличия между насосами с внешним и внутренним зацеплением.
Общий принцип действия
Рабочими элементами шестерёнчатых насосов являются две шестерни, вращающиеся в плотном зацеплении внутри корпуса с минимальными зазорами. При вращении шестерён создаются две зоны:
- Зона всасывания — при выходе зубьев из зацепления образуется разрежение, и жидкость заполняет освободившееся пространство между зубьями;
- Зона нагнетания — при входе зубьев в зацепление происходит выдавливание жидкости в напорный патрубок.
Теоретическая производительность шестерёнчатого насоса может быть рассчитана по формуле:
Qт = 2π · b · m · z · n · hz · ηоб
где:
Qт — теоретическая производительность (м³/с);
b — ширина шестерни (м);
m — модуль зубчатого зацепления (м);
z — число зубьев ведущей шестерни;
n — частота вращения ведущего вала (об/с);
hz — высота зуба (м);
ηоб — объёмный КПД насоса.
Примечание: Характерной особенностью шестерёнчатых насосов является пульсация подачи, вызванная циклическим характером процесса вытеснения жидкости. Величина пульсации зависит от числа зубьев и может быть уменьшена за счёт увеличения числа зубьев или применения специальных конструктивных решений.
Шестерёнчатые насосы с внешним зацеплением
Насосы с внешним зацеплением представляют собой классическую и наиболее распространённую конструкцию шестерёнчатых насосов. В них используются две одинаковые шестерни с внешними зубьями, вращающиеся в противоположных направлениях.
Конструктивные особенности
Основными элементами конструкции насоса с внешним зацеплением являются:
- Корпус насоса — обычно изготавливается из чугуна, стали или бронзы, в зависимости от перекачиваемой среды;
- Ведущая шестерня — соединена с приводным валом и передаёт вращение ведомой шестерне;
- Ведомая шестерня — вращается на отдельном валу или втулке;
- Подшипники — воспринимают радиальные и осевые нагрузки;
- Уплотнения — обеспечивают герметичность насоса;
- Предохранительный клапан — защищает насос от перегрузок при избыточном давлении.
Параметр | Типовые значения для насосов с внешним зацеплением |
---|---|
Максимальное рабочее давление | До 25-30 МПа (250-300 бар) |
Производительность | От 0,5 до 250 м³/ч |
Частота вращения | От 100 до 3000 об/мин |
Вязкость перекачиваемой жидкости | От 0,5 до 100000 сСт (зависит от модели) |
Температура перекачиваемой жидкости | От -40°C до +260°C (зависит от материала исполнения) |
Объёмный КПД | 0,85-0,95 |
Общий КПД | 0,70-0,85 |
Преимущества насосов с внешним зацеплением
- Простота конструкции и надёжность;
- Возможность работы при высоких давлениях;
- Способность перекачивать жидкости с широким диапазоном вязкости;
- Самовсасывающая способность;
- Постоянство подачи при изменении противодавления;
- Компактность и небольшой вес относительно производительности;
- Относительно низкая стоимость и доступность запасных частей.
Недостатки насосов с внешним зацеплением
- Более высокий уровень шума и вибрации по сравнению с насосами с внутренним зацеплением;
- Ограниченная способность перекачивания жидкостей с твёрдыми включениями;
- Более высокая пульсация потока;
- Более высокий уровень износа при работе с абразивными средами;
- Необходимость в точной балансировке шестерён для снижения вибрации.
Пример применения насоса с внешним зацеплением
Шестерёнчатый насос НМШ 5-25-4,0/4 с внешним зацеплением используется на нефтеперерабатывающем заводе для перекачивания тяжёлого мазута с вязкостью до 20000 сСт при температуре 80°C. Насос обеспечивает производительность 4 м³/ч при давлении 4,0 МПа. Преимуществом данного насоса является возможность стабильной работы с высоковязкими средами при повышенных температурах, а также простота обслуживания.
Шестерёнчатые насосы с внутренним зацеплением
Насосы с внутренним зацеплением имеют особую конструкцию, в которой большая шестерня (ротор) с внутренними зубьями охватывает меньшую шестерню (ведущее зубчатое колесо) с внешними зубьями. Между шестернями находится полумесяц, который разделяет зоны всасывания и нагнетания.
Конструктивные особенности
Основными элементами конструкции насоса с внутренним зацеплением являются:
- Корпус насоса — обычно цилиндрической формы с входным и выходным патрубками;
- Ротор (внешняя шестерня) — имеет внутренние зубья и обычно вращается на подшипниках;
- Ведущее зубчатое колесо (внутренняя шестерня) — имеет внешние зубья и соединено с приводным валом;
- Полумесяц (серповидный элемент) — неподвижная деталь, разделяющая зоны всасывания и нагнетания;
- Уплотнительная система — обеспечивает герметичность вала;
- Предохранительный клапан — встроенный или внешний.
Параметр | Типовые значения для насосов с внутренним зацеплением |
---|---|
Максимальное рабочее давление | До 17-20 МПа (170-200 бар) |
Производительность | От 0,5 до 300 м³/ч |
Частота вращения | От 100 до 1800 об/мин |
Вязкость перекачиваемой жидкости | От 1 до 1000000 сСт (подходят для особо вязких жидкостей) |
Температура перекачиваемой жидкости | От -60°C до +400°C (зависит от материала исполнения) |
Объёмный КПД | 0,90-0,98 |
Общий КПД | 0,75-0,90 |
Преимущества насосов с внутренним зацеплением
- Более низкий уровень шума и вибрации;
- Пониженная пульсация потока благодаря особенностям конструкции;
- Более высокий объёмный КПД при работе с вязкими жидкостями;
- Лучшая способность самовсасывания;
- Меньший износ при работе с абразивными включениями благодаря особенностям зацепления;
- Возможность работы с очень высоковязкими жидкостями (до 1 000 000 сСт);
- Более равномерная подача.
Недостатки насосов с внутренним зацеплением
- Более сложная конструкция и производство;
- Более высокая стоимость;
- Сложность ремонта и обслуживания;
- Меньшее максимальное рабочее давление по сравнению с насосами внешнего зацепления;
- Большие габариты при аналогичной производительности.
Пример применения насоса с внутренним зацеплением
Шестерёнчатый насос ВГ 40-25 с внутренним зацеплением применяется на пищевом производстве для перекачивания высоковязкого шоколада с температурой 60°C. Насос обеспечивает производительность 25 м³/ч при давлении до 1,6 МПа. Благодаря бережному перекачиванию без пульсаций и возможности полного опорожнения, такие насосы идеально подходят для пищевой промышленности, где важно сохранение структуры продукта и гигиеничность.
Сравнительный анализ насосов с внутренним и внешним зацеплением
Для определения оптимального типа насоса для конкретных условий эксплуатации важно понимать ключевые различия между насосами с внутренним и внешним зацеплением.
Характеристика | Насосы с внешним зацеплением | Насосы с внутренним зацеплением |
---|---|---|
Конструктивная сложность | Простая конструкция | Более сложная конструкция |
Максимальное рабочее давление | Выше (до 25-30 МПа) | Ниже (до 17-20 МПа) |
Пульсация потока | Выше | Ниже |
Уровень шума и вибрации | Выше | Ниже |
Способность перекачивать высоковязкие жидкости | Хорошая | Отличная |
Способность работать с включениями | Ограниченная | Лучшая |
Стоимость | Ниже | Выше |
Обслуживание и ремонт | Проще | Сложнее |
Объёмный КПД | 0,85-0,95 | 0,90-0,98 |
Применение в пищевой промышленности | Ограниченное | Широкое |
Применение в нефтепереработке | Широкое | Ограниченное |
Важно: Выбор между насосами с внутренним и внешним зацеплением должен основываться на конкретных требованиях технологического процесса, свойствах перекачиваемой жидкости, требуемом давлении, допустимом уровне пульсации и шума, а также экономических соображениях.
Расчёт производительности шестерёнчатых насосов
Точный расчёт производительности шестерёнчатых насосов является критически важным элементом при их выборе для конкретных технологических процессов. Рассмотрим основные формулы и методики расчёта.
Теоретическая производительность
Для насосов с внешним зацеплением:
Qт = 2π · m² · z · b · n · ηоб
где:
m — модуль зацепления (м);
z — число зубьев ведущей шестерни;
b — ширина шестерни (м);
n — частота вращения (об/с);
ηоб — объёмный КПД.
Для насосов с внутренним зацеплением:
Qт = π · (D1² - D2²) · b · n · ηоб / 4
где:
D1 — диаметр внутренней поверхности наружной шестерни (м);
D2 — диаметр внешней поверхности внутренней шестерни (м);
b — ширина шестерни (м);
n — частота вращения (об/с);
ηоб — объёмный КПД.
Фактическая производительность
Фактическая производительность насоса всегда ниже теоретической из-за утечек через зазоры и определяется по формуле:
Qф = Qт - Qут
где:
Qф — фактическая производительность (м³/с);
Qт — теоретическая производительность (м³/с);
Qут — объёмные потери через зазоры (м³/с).
Зависимость производительности от вязкости и давления
Производительность шестерёнчатых насосов зависит от вязкости перекачиваемой жидкости и противодавления в системе. При увеличении вязкости жидкости утечки через зазоры уменьшаются, что повышает объёмный КПД. Однако при этом растут гидравлические потери, что снижает общий КПД насоса.
Пример расчёта производительности насоса НМШ 8-25
Исходные данные:
- Модуль зацепления m = 0,005 м;
- Число зубьев z = 8;
- Ширина шестерни b = 0,025 м;
- Частота вращения n = 24,17 об/с (1450 об/мин);
- Объёмный КПД ηоб = 0,92 (при вязкости 100 сСт).
Расчёт теоретической производительности:
Qт = 2π · 0,005² · 8 · 0,025 · 24,17 · 0,92 = 0,00439 м³/с = 15,8 м³/ч
При рабочем давлении 2,5 МПа объёмные потери составляют приблизительно 0,0003 м³/с (1,08 м³/ч).
Следовательно, фактическая производительность:
Qф = 15,8 - 1,08 = 14,72 м³/ч
Это соответствует паспортным данным насоса НМШ 8-25, который обеспечивает подачу 14,4 м³/ч при давлении 2,5 МПа и работе на масле с вязкостью 76 сСт.
Области применения
Шестерёнчатые насосы находят применение в различных отраслях промышленности благодаря своей надёжности, простоте конструкции и способности работать с жидкостями различной вязкости.
Нефтегазовая и нефтехимическая промышленность
В нефтегазовой отрасли шестерёнчатые насосы широко используются для перекачивания:
- Сырой нефти и нефтепродуктов;
- Топлива (бензина, дизельного топлива, керосина);
- Масел различной вязкости;
- Битума и гудрона;
- Смазочно-охлаждающих жидкостей;
- Полимеров и смол.
Типичные серии насосов для нефтяной промышленности: НМШ, Ш, Г, БГ, НМШГ и другие.
Пищевая промышленность
В пищевой промышленности преимущественно используются насосы с внутренним зацеплением из нержавеющей стали для перекачивания:
- Шоколада и кондитерских масс;
- Растительных масел;
- Патоки и сиропов;
- Томатной пасты и кетчупов;
- Мёда;
- Молочных продуктов.
Химическая промышленность
В химической промышленности шестерёнчатые насосы применяются для перекачки:
- Кислот и щелочей;
- Смол и клеев;
- Лаков и красок;
- Полимеров и мономеров;
- Растворителей.
Другие области применения
- Фармацевтика — перекачивание вязких компонентов лекарств, мазей, гелей;
- Целлюлозно-бумажная промышленность — подача клеев, смол, латексов;
- Энергетика — системы смазки турбин, подача топлива;
- Металлургия — системы смазки и гидравлики;
- Судостроение — системы топливоподачи, смазки и гидравлики;
- Строительство — подача вязких компонентов строительных смесей.
Отрасль | Предпочтительный тип насоса | Типичные перекачиваемые среды |
---|---|---|
Нефтегазовая | С внешним зацеплением | Нефть, топливо, масла |
Пищевая | С внутренним зацеплением | Шоколад, патока, растительные масла |
Химическая | Оба типа (зависит от среды) | Смолы, клеи, кислоты, щелочи |
Фармацевтическая | С внутренним зацеплением | Гели, мази, сиропы |
Энергетика | С внешним зацеплением | Смазочные масла, топливо |
Выбор шестерёнчатого насоса для конкретных задач
Правильный выбор шестерёнчатого насоса критически важен для обеспечения эффективной и надёжной работы технологической системы. Рассмотрим основные параметры, которые необходимо учитывать при выборе.
Основные критерии выбора
- Тип перекачиваемой жидкости:
- Вязкость (cСт или мПа·с);
- Химическая агрессивность;
- Наличие абразивных включений;
- Температура;
- Требования к сохранению структуры (для пищевых продуктов).
- Требуемые параметры работы:
- Производительность (м³/ч);
- Рабочее давление (МПа);
- Высота всасывания;
- Допустимая пульсация потока.
- Условия эксплуатации:
- Режим работы (непрерывный/периодический);
- Температура окружающей среды;
- Требования к взрывозащите;
- Допустимый уровень шума и вибрации.
- Материальное исполнение:
- Материал корпуса (чугун, сталь, нержавеющая сталь, бронза);
- Материал шестерён;
- Тип уплотнений (сальниковые, механические, магнитные муфты).
Рекомендации по выбору типа насоса
Выбор насоса по вязкости перекачиваемой жидкости:
- Для жидкостей с вязкостью до 500 сСт — оба типа насосов подходят, выбор зависит от других параметров;
- Для жидкостей с вязкостью 500-5000 сСт — предпочтительнее насосы с внешним зацеплением при высоких давлениях, с внутренним — при требованиях к пониженной пульсации;
- Для жидкостей с вязкостью более 5000 сСт — предпочтительнее насосы с внутренним зацеплением.
Выбор насоса по требуемому давлению:
- До 1,0 МПа (10 бар) — оба типа насосов;
- 1,0-2,5 МПа (10-25 бар) — оба типа насосов, но предпочтительнее с внешним зацеплением;
- 2,5-15,0 МПа (25-150 бар) — насосы с внешним зацеплением;
- Свыше 15,0 МПа (150 бар) — специальные насосы с внешним зацеплением усиленной конструкции.
Выбор насоса по требованиям к пульсации:
- Высокие требования к равномерности потока — насосы с внутренним зацеплением;
- Средние требования к равномерности потока — насосы с внешним зацеплением с повышенным числом зубьев;
- Низкие требования к равномерности потока — стандартные насосы с внешним зацеплением.
Важно: При выборе насоса необходимо учитывать, что его характеристики могут значительно меняться в зависимости от вязкости перекачиваемой жидкости. Как правило, с увеличением вязкости производительность снижается, но одновременно может повышаться объёмный КПД благодаря улучшению герметизации зазоров.
Обслуживание и эксплуатация
Правильное обслуживание шестерёнчатых насосов является ключевым фактором, определяющим их надёжность, долговечность и эффективность работы.
Основные правила эксплуатации
- Подготовка к запуску:
- Проверка наличия смазки в подшипниках;
- Заполнение насоса перекачиваемой жидкостью перед пуском;
- Проверка свободного вращения вала;
- Проверка состояния уплотнений;
- Контроль правильности подключения электродвигателя.
- Рабочий режим:
- Контроль рабочих параметров (давление, температура);
- Контроль отсутствия протечек;
- Мониторинг шума и вибрации;
- Контроль температуры подшипников;
- Проверка работы системы охлаждения (если предусмотрена).
- Техническое обслуживание:
- Периодическая замена масла в подшипниковых узлах;
- Проверка и регулировка зазоров;
- Замена изношенных уплотнений;
- Проверка состояния шестерён и подшипников;
- Очистка фильтров на всасывающей линии.
Периодичность технического обслуживания
Вид обслуживания | Периодичность | Основные операции |
---|---|---|
Ежедневный осмотр | Ежедневно | Проверка давления, отсутствия протечек, уровня шума |
Техническое обслуживание №1 (ТО-1) | 500-1000 часов | Проверка состояния подшипников, уплотнений, долив масла |
Техническое обслуживание №2 (ТО-2) | 2000-4000 часов | Замена масла, проверка зазоров, состояния шестерён |
Капитальный ремонт | 8000-20000 часов | Полная разборка, замена изношенных деталей, регулировка |
Особенности обслуживания для разных типов насосов
Для насосов с внешним зацеплением:
- Контроль и регулировка радиальных и торцевых зазоров;
- Проверка степени износа зубьев шестерён;
- Контроль состояния подшипников и уплотнений вала;
- Проверка работы предохранительного клапана.
Для насосов с внутренним зацеплением:
- Проверка состояния полумесяца и зазоров между ним и шестернями;
- Контроль износа внутренних и внешних зубьев;
- Проверка соосности внутренней и внешней шестерён;
- Особое внимание к состоянию уплотнений при работе с абразивными средами.
Рекомендация: Для продления срока службы шестерёнчатых насосов рекомендуется устанавливать фильтры на всасывающей линии, соблюдать температурный режим перекачиваемой жидкости, избегать работы на предельных режимах и не допускать работы "всухую".
Типичные проблемы и их решения
При эксплуатации шестерёнчатых насосов могут возникать различные проблемы, требующие диагностики и устранения. Рассмотрим наиболее распространённые неисправности и способы их устранения.
Проблема | Возможные причины | Методы устранения |
---|---|---|
Недостаточная производительность |
|
|
Повышенный шум и вибрация |
|
|
Утечки через уплотнения |
|
|
Перегрев насоса |
|
|
Быстрый износ шестерён |
|
|
Пример диагностики проблемы
При эксплуатации насоса НМШ 5-25 с рабочим давлением 2,5 МПа наблюдается снижение производительности на 30% от номинальной и повышенный шум. Последовательная диагностика:
- Проверка давления на входе: обнаружено снижение до -0,05 МПа (вакуум), что указывает на возможную кавитацию;
- Визуальный осмотр всасывающей линии: обнаружено частичное засорение фильтра;
- Решение: очистка фильтра и увеличение диаметра всасывающей линии;
- Результат: восстановление нормальной производительности, снижение уровня шума.
Энергоэффективность шестерёнчатых насосов
Энергетическая эффективность является важным аспектом при выборе и эксплуатации шестерёнчатых насосов, особенно в условиях постоянного роста стоимости энергоресурсов.
Факторы, влияющие на энергоэффективность
- КПД насоса:
- Объёмный КПД (зависит от зазоров, вязкости жидкости, противодавления);
- Механический КПД (зависит от трения в подшипниках, уплотнениях, зубчатом зацеплении);
- Гидравлический КПД (зависит от конструкции каналов, вязкости жидкости).
- Соответствие насоса условиям эксплуатации:
- Работа в оптимальном диапазоне давлений;
- Соответствие производительности требуемой;
- Соответствие характеристик насоса вязкости перекачиваемой жидкости.
- Техническое состояние:
- Состояние зазоров;
- Состояние подшипников и уплотнений;
- Состояние зубьев шестерён.
Пути повышения энергоэффективности
Расчёт потребляемой мощности
Мощность, потребляемая насосом, рассчитывается по формуле:
N = (Q · p) / (η · 1000)
где:
N — потребляемая мощность (кВт);
Q — подача насоса (м³/ч);
p — давление (кПа);
η — общий КПД насоса.
Пример: для насоса с подачей 10 м³/ч при давлении 2000 кПа и КПД 0,75:
N = (10 · 2000) / (0,75 · 1000) = 26,7 кВт
Если повысить КПД до 0,85 (за счёт оптимизации зазоров и снижения потерь):
N = (10 · 2000) / (0,85 · 1000) = 23,5 кВт
Экономия составит 3,2 кВт или 12% потребляемой мощности.
Практические рекомендации по повышению энергоэффективности
- Оптимальный выбор насоса:
- Подбор насоса с характеристиками, соответствующими требуемым параметрам;
- Выбор насоса с максимальным КПД в рабочей точке;
- Учёт изменения вязкости перекачиваемой жидкости при различных температурах.
- Оптимизация режимов работы:
- Использование частотного регулирования для оптимизации режимов работы;
- Поддержание оптимальной температуры перекачиваемой жидкости;
- Работа в зоне максимального КПД;
- Избегание работы на предельных давлениях.
- Регулярное техническое обслуживание:
- Своевременная регулировка зазоров;
- Замена изношенных деталей;
- Поддержание оптимального состояния подшипников и уплотнений;
- Контроль соосности насоса и привода.
Важно: Использование преобразователей частоты для регулирования производительности шестерёнчатых насосов может дать экономию электроэнергии до 30-50% по сравнению с дроссельным регулированием. Однако следует учитывать, что при работе с вязкими жидкостями снижение частоты вращения может привести к ухудшению условий всасывания.
Источники и литература
- Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. — М.: Машиностроение, 2018.
- Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. — М.: Машиностроение, 2019.
- Чиняев И.А. Роторные насосы: Справочное пособие. — Л.: Машиностроение, 2017.
- ГОСТ 19027-89. Насосы шестеренные. Общие технические условия.
- РД 26-01-90-85. Насосы шестеренные. Методы испытаний.
- Frenning L. Pump Life Cycle Costs: A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems. — Hydraulic Institute, Europump, 2018.
- Karassik I.J., Messina J.P., Cooper P., Heald C.C. Pump Handbook. — 4th ed. — McGraw-Hill, 2020.
- Технические каталоги и паспорта насосов серий НМШ, Ш, НМШГ, Г, БГ.
Отказ от ответственности
Данная статья носит исключительно информационный характер и предназначена для ознакомления с техническими характеристиками, принципами работы и областями применения шестерёнчатых насосов с внутренним и внешним зацеплением.
Приведенные в статье данные, формулы и расчеты являются справочными и могут отличаться от фактических характеристик конкретных моделей насосов. При выборе насосного оборудования для конкретных задач необходимо руководствоваться технической документацией производителя и консультироваться со специалистами.
Компания "Иннер Инжиниринг" не несет ответственности за возможные неточности в приведенных данных, а также за любые прямые или косвенные убытки, возникшие вследствие использования информации, содержащейся в данной статье.
© 2025 Компания "Иннер Инжиниринг". Все права защищены.
Купить насосы по выгодной цене
Компания Иннер Инжиниринг предлагает широкий выбор Насосов(In-line, для воды, нефтепродуктов, масел, битума, перекачивания газообразных смесей). Выберите необходимые компоненты для вашего проекта и приобретите их у нас с гарантией качества и надежной доставкой.
Заказать сейчас