Пластинчато-роторные насосы: принцип работы

Пластинчато-роторные вакуумные насосы (РПВН) – машины объемного принципа действия с механическим способом повышения давления в рабочей камере. Ярко выделяющиеся конструктивные элементы – подвижные пластины, закрепленные на роторе (поэтому у насоса такое название). Универсальное оборудование, способное обеспечивать глубокое остаточное разряжение.

Содержание:

1. Общие сведения о пластинчато-роторных насосах
2. Устройство пластинчато-роторного насоса
3. Принцип работы пластинчато-роторного насоса
4. Типы пластинчато-роторных насосов
5. Виды пластинчато-роторных насосов
6. Основные характеристики пластинчато-роторных насосов
7. Преимущества и недостатки пластинчато-роторных насосов
8. Сфера применения пластинчато-роторных насосов
9. Популярные бренды пластинчато-роторных насосов

Общие сведения о пластинчато-роторных насосах

Пластинчато-роторный насос считается подвидом шиберных. Примечательно, что первый работающий экземпляр, способный обеспечивать промышленные объемы производительности, был сконструирован в СССР инженером Борисом Григорьевым. Случилось это в 1974 году, а основные технические решения применяются до сих пор. За свою жизнь Григорьев оформил 29 патентов в области насосного оборудования.

С первого взгляда может показаться, что у такого строения масса недостатков. Главная проблема – множество движущихся и контактирующих элементов. Также не назвать простой конструкцию: вытачивать на станках фигурные детали в больших объемах крайне сложно. Тем не менее РПВН пользуются большой популярностью, а указанные недостатки компенсируются инженерными решениями производителей.

Устройство пластинчато-роторного насоса

Устройство насосного блока:

• всасывающий канал – патрубок, через который воздух поступает в систему (соединен с емкостью или помещением, из которого происходит откачка);
• ротор – подвижный вращающийся элементы с равномерно вырезанными пазами для пластин;
• пластины – плоские детали, проталкивающие воздух и обеспечивающие его перемещение по проточному тракту (выполняются из металла для масляных насосов, из графита или полимеров – для безмасляных);
• статор – неподвижный конструктивный элемент, жестко закрепленный на период работы;
• нагнетательный канал – патрубок, через которых газ выходит под давлением.

Ротор приводится в движение двигателем. Чаще всего применяется электрическая машина, подключаемая к сети 380 В (версии, работающие от дизельного топлива или бензина, встречаются редко). Дополнительные конструктивные элементы: блок управления, фильтры, защитные датчики (температурные, от заклинивания, коротких замыканий и т. д.), измерительные приборы. Промышленные агрегаты снабжаются системами удаленного запуска и автоматизации.

Обязательно применяются обратные клапаны на входе и выходе из проточной части. Их назначение – не допускать движение воздушной среды в обратном направлении (вращение ротора в противоположную сторону не допускается). Для дополнительной герметизации все соединения, через которые воздух в теории может покинуть систему, закрываются уплотнительным материалом (чаще всего из эластичного полимера). Охлаждение корпуса, двигателя, подшипников и других греющихся частей осуществляется жидкостной или воздушной системой (есть модели без активного охлаждения, время работы которых ограничено из-за риска перегрева).

Принцип работы пластинчато-роторного насоса

Ротор относительно корпуса смещен в сторону (либо корпус имеет не круглую, а овальную вытянутую форму). В процессе вращения рабочего колеса (момент предается ему от двигателя через вал) создается центробежная сила. Пластины, находящиеся в пазах, не имеют жесткого сцепления с рабочим колесом, поэтому под действием выталкивающих сил устремляются к границам корпуса. Постепенно в процессе прохождения траектории пластины двигаются назад и вперед, так как расстояние между ротором и корпусом меняется из-за их относительного смещения.

Сжатие делится на этапы:

1. Воздух через патрубок всасывания равномерно делится на объемы. Границы каждого объема – это две соседние пластины, внешняя поверхность ротора и внутренняя корпуса (или статора).
2. Каждая часть воздушной массы постепенно сжимается из-за сужения рабочих полостей.
3. Так как среда не находит выхода (герметизация обеспечена точной подгонкой элементов, масляной пленкой или другими техническими решениями), увеличиваются давление и температура.
4. После достижения предельных величин (для каждой модели они свои) воздушный объем попадает в нагнетательный патрубок и удаляется из системы.
5. Цикл повторяется многократно.

Описан принцип работы классического пластинчато-роторного насоса с единственной рабочей камерой, без регулировки, простого действия. В зависимости от типа конструкция усложняется, но фундаментальные физические законы применяются те же самые.

Типы пластинчато-роторных насосов

Классификация типов:

• По количеству пластин. Однопластинчатые и многопластинчатые. Первый вариант проще и дешевле, ведь за перемещение среды отвечает только одна пластина, которая двигается из стороны в сторону внутри сквозной полости. Многопластинчатые аппараты эффективнее и производительнее, поскольку делят поток на несколько объемов (количество пластин определяется инженерами).
• По принципу действия. У насосов простого действия круглый цилиндрический корпус, в результате чего рабочая область делится ротором только на две части: в одной происходит всасывание, в другой – нагнетание. Если вытянуть корпус в овал, тогда количество областей возрастает до четырех (две на всасывание, две на нагнетание). Каждый полный оборот заканчивается выполнением сразу двух циклов сжатия.
• По управляемости. Самые простые модели не регулируются. Регулируемые делятся на два типа:
  • прямого управления (положение статорного кольца меняется механическим подкручиванием специальных болтов);
  • непрямого управления (регулирование осуществляется специальными настраиваемыми поршнями, находящимися под давлением).

От положения статора зависит, какие объемы будут заключены между соседними пластинками. Смещая его, можно повлиять на такие характеристики, как давление, расход, мощность, производительность. Управляемые насосы предпочтительнее неуправляемых, так как расширяют сферу применения в рамках одного производства.

Классификация РПВН по ступеням:

• одноступенчатые;
• двухступенчатые;
• многоступенчатые.

В одноступенчатых аппаратах воздушный поток проходит через одну рабочую камеру, сжимаясь только раз. В двух- и многоступенчатых предварительно сжатый воздух попадает в новую камеру, сжимаясь еще сильнее и проталкиваясь дальше. Такое решение существенно повышает производительность и давление на выходе.

Виды пластинчато-роторных насосов

В пластинчато-роторных вакуумных насосах много трущихся контактных элементов. Это проблема, поскольку такие детали имеют свойство истираться со временем и выходить из строя. В тяжелых производственных условиях, когда насос практически не выключается, это недопустимо. Изготовители решают вопрос двумя способами: заливкой масла или «сухой» обработкой.

Масляные

Масло – классический смазочный материал. Помимо продления срока масляного РПВН службы оно способствует:

• отводу тепла от конструктивных элементов;
• снижению влияния окислительных процессов;
• отводу лишних засоров.

Главный минус решения, если не учитывать усложнение технического обслуживания – потенциальная вероятность загрязнения откачиваемой среды. Масляные пары портят воздух – использовать его потом нельзя. Поэтому приходится устанавливать фильтрационную систему и туманоуловители. 

Безмасляные

Отсутствие масла – гарантия экологической чистоты аппарата. Методы «удаления» масла из рабочей схемы:

• точная подгонка деталей, исключающая трение;
• применение стойких к истиранию материалов (керамика, высокотемпературный пластик, гибкие полимеры);
• обработка поверхностей специальными растворами, создающими защитную пленку на деталях.

Сухие РПВН менее долговечны, чем масляные, сильнее шумят и вибрируют. Также они дешевле, но хуже в плане ремонтопригодности. Некоторые запасные части придется заказывать (не всегда есть в свободной продаже).

Основные характеристики пластинчато-роторных насосов

Главные параметры:

• мощность электродвигателя (кВт);
• частота вращения ротора (об/мин);
• предельное остаточное давление (мбар);
• максимальная производительность (м³/ч);
• предельная температура среды (℃);
• масса (кг);
• габариты (см).

Обратите внимание на количество заправляемого смазочного материала, если насос масляный. Промышленные версии снабжаются измерительными приборами со шкалой давления (может быть в мбар, МПа, атмосферах и других единицах).

Преимущества и недостатки пластинчато-роторных насосов

Пластинчато-роторные насосы часто сравнивают с шестеренными и роторно-поршневыми. У первых РПВН выигрывают в плане равномерной подачи воздуха к потребителям (шестеренные делают это с ощутимыми «рывками»). Поршневые, в свою очередь, гораздо требовательнее пластинчатых в плане чистоты всасываемого газа (поршень придет в негодность, если сдавит твердую абразивную частицу в рабочем цикле).

Другие преимущества РПВН:

• приемлемый уровень шума (допустима работа в одном помещении с людьми);
• универсализм (за счет управляемого рабочего объема);
• долговечность, когда речь идет о качественной модели;
• приемлемая стоимость по сравнению с другими видами насосного оборудования;
• компактные размеры, простота монтажа (нет нужды в массивных креплениях из-за минимальных вибрационных возмущений);
• глубокий вакуум в откачиваемой емкости (низкое остаточное давление).

Недостатки РПВН:

• не подходят для перекачки агрессивных газов;
• большое количество трущихся деталей;
• сложность ремонта;
• эффекты «заклинивания», «залипания» пластин при пониженных или повышенных температурах среды.

Последний пункт связан с расширением или сжатием любых материалов в зависимости от окружающей температуры. Если она низкая, пластина ходит в прорезях слишком свободно, а если высокая – застревает и перестает выдвигаться в нужный момент. Поэтому производители указывают в инструкции допустимый температурный режим.

Сфера применения пластинчато-роторных насосов

Пластинчато-роторные насосы используются в следующих областях:

• пищевая промышленность, вакуумирование продуктов;
• производство мобильных насосных станций (благодаря приемлемым габаритам);
• сборка электронных гаджетов, выпуск полупроводниковых компонентов;
• лабораторные исследования, научные эксперименты, медицинские операции (только для «сухих» версий);
• формовка деталей с помощью вакуума;
• бумажная промышленность, полиграфия;
• пневматическая транспортировка;
• сушка конструкций и материалов, дегазация, аэрация;
• вакуумные подъемники, столы, стенды, присоски;
• напыление различных защитных слоев;
• обработка и сушка древесины;
• крепление деталей на станках с ЧПУ;
• вакуумное литье.

Большой плюс в том, что РПВН имеет регулировочные органы. Отсюда универсализм, «подгонка» давления и разряжения под конкретный технологический процесс. Поэтому их применимость практически не ограничена. При необходимости насосы возьмут на себя функции воздуходувок или компрессоров.

Популярные бренды пластинчато-роторных насосов

Компании-изготовители пластинчато-роторного вакуумного оборудования присутствуют как в Европе, так и в Азии с Россией. Есть американские модели, но они не пользуются популярностей из-за сложных логистических цепочек и высокой цены.

Европейские

Все лидирующие предприятия расположены в Европе. Продукцию премиум-класса поставляют следующие бренды:

• Atlas Copco (Швеция);
• Becker (Германия);
• Busch (Германия);
• Edwards (Англия);
• GEV (Италия);
• Elmo Rietschle (Германия);
• ERSTEVAK (Россия);
• Leybold (Германия);
• Pfeiffer Vacuum (Германия);
• Pneumofore (Италия);
• Welch (Германия);
• DVP (Италия).

Представленное оборудование отличается надежностью, долговечностью, эффективностью. Именно в европейских лабораториях тестируются новые варианты пластин, смазочных материалов, форм и т. д. Минусы для покупателя – высокая цена и осложненное техническое обслуживание (долгое ожидание после отправки агрегата на завод для ремонта).

Китайские

Азиатские поставщики стараются не отставать от мировых трендов, пользуются европейскими лицензиями на внедрение запатентованных технологий и удешевляют производственный цикл. Лидерство в сфере удерживает, конечно же, Китай. Популярные китайские бренды:

• AiVac;
• KYKY;
• Value.

Плюс – массовость производственного цикла. На рынке всегда присутствуют запасные части, расходные материалы и аналоги. По надежности и эффективности китайские насосы уступают европейским, но это нивелируется доступной ценой.

Российские

Россия поставляет оборудование среднего класса. Неприхотливое, долговечное, мощное. Но нет такой точности, как в европейских моделях. Лидеры отечественного рынка:

• «Вакууммаш»;
• «Гидромех»;
• «Мегавакуум»;
• «МТ».

Потенциальная выгода покупателя российских устройств – постоянная поддержка завода-изготовителя. Хорошо отлаженная внутренняя логистика позволяет быстро и качественно проводить гарантийное обслуживание, обращаться за доработкой насоса, уточнением эксплуатационных инструкций.