Импеллерный насос является насосом объёмного типа и относится к пластинчато-роторным насосам. Он имеем несколько названий: ламельный насос, насос с гибкой крыльчаткой, насос с мягким ротором, насос с гибкими пластинами. Тем не менее, под каждым из упомянутых названий имеется ввиду один и тот же насос, импеллерный. Для понимания, почему он так называется и каков принцип его работы, необходимо рассмотреть из каких частей состоит насос и какие у него конструктивные особенности.
Импеллерный насос состоит из двух основных узлов: электродвигателя и корпуса насоса.
Электродвигатель насоса
В качестве привода насоса используется асинхронный электродвигатель закрытого типа с максимальной частотой вращения вала до полутора тысяч оборотов в минуту. Диапазон мощности электродвигателей для импеллерных насосов колеблется от 0,55 киловатт до 6 киловатт. В зависимости от производителя насоса, он может поставляться с частотным преобразователем электродвигателя или механическим вариатором. Принцип действия этих устройств различен. Частотный преобразователь позволяет регулировать скорость вращения вала электродвигателя с помощью изменения частоты напряжения питания. Механический вариатор или как его еще называют механическая передача, производит регулировку оборотов вала за счет изменения передаточного отношения между собственными входным и выходным валами. Преимущество использования частотного преобразователя в том, что можно производить регулировку в более широком диапазоне. Главным же преимуществом механического вариатора является то, что корректировка производится вручную, а значит есть возможность более точного регулирования.
Стоит отметить одну особенность - импеллерные насосы могут выпускаться как в моноблочном варианте с электродвигателем, так и в версии без электродвигателя (версия со свободным валом).
Корпус насоса
Корпус насоса состоит из передней крышки, задней крышки, торцевого уплотнения, крепёжного фланца и гибкой крыльчатки – импеллера.
Передняя крышка непосредственно контактирует с перекачиваемой жидкостью, а также с гибкой крыльчаткой насоса. То, что проточная часть имеет контакт с крыльчаткой является главной особенностью данного насоса и определяет принцип его действия. Это происходит из-за того, что передняя крышка насоса имеет несимметричную форму (форма круга «сплюснутого» с одной из сторон). С внутренней стороны крышки в месте, где сектор круга «сплюснут» и происходит контакт гибкими лопастями крыльчатки. В зависимости от завода изготовителя несимметричную форму получают либо на стадии литья передней крышки, либо способом дополнительной наплавки сектора круга с последующей механической обработкой. Для правильной работы насоса несимметричным должен быть сектор круга между всасывающим и нагнетательным патрубками.
Передняя крышка имеет два патрубка для всасывания и подачи перекачиваемого продукта. При этом стоит отметить, что каждый из двух патрубков может являться как всасывающим, так и нагнетательным (в зависимости от задачи пользователя). То есть насос может перекачивать жидкость в обоих направлениях. Эта особенность называется реверсом насоса. Изменение направления движения потока возможно даже во время эксплуатации насоса, например, когда жидкости перекачено излишнее количество. Насос имеет переключатель реверса, который может быть односкоростным или двухскоростным.
Патрубки на передней крышке импеллерного насоса расположены друг относительно друга под углом 90 или 180 градусов и могут иметь несколько видов подсоединений. Импеллерные насосы бывают с быстроразъемным соединением, с молочной гайкой и метрической наружной резьбой. Соединение с молочной гайкой – это гигиеническое соединение предназначенное для пищевой, фармацевтической и косметической промышленности. Это резьбовое соединение с круглой резьбой часто встречается в молочной и пивоваренной промышленности. Быстроразъемное соединение позволяет произвести оперативный демонтаж импеллерного насоса (например, это нужно для частой промывки насоса).
Задняя крышка насоса - это диск с отверстием по центру. С задней стороны этот диск соединен с крепёжным фланцем корпуса насоса, который в свою очередь скреплён с ответным фланцем электродвигателя. Между передней и задней крышками корпуса насоса находится уплотнительное полимерное кольцо.
Подвижная часть насоса - импеллер, находится внутри корпуса, то есть ограничена его передней и задней крышками. Импеллер представляет из себя монолитное широкое рабочее колесо открытого типа, с различным количеством гибких, пластичных лопастей. Гибкие лопасти импеллера на концах имеют увеличенную толщину. Ширина импеллера в зависимости от модели насоса изменяется, так как она напрямую влияет на его производительность. В центральной части импеллер имеет металлическое посадочное отверстие. Оно служит для соединения импеллера с валом электродвигателя. Отверстие бывает с пазом под шпонку для шпоночного соединения или с нарезанными шлицами для шлицевого.
Для герметизации электродвигателя конструкцией насоса предусмотрено механическое уплотнение, которое состоит из двух колец. Внутреннее кольцо является подвижным и выполнено из синтетического полимера с графитом в обойме из нержавеющей стали. Оно нужно для отсутствия протечек между вращающейся парой и валом. Внешнее полимерное кольцо герметизирует неподвижное кольцо и корпус насоса.
В качестве материалов изготовления корпуса импеллерного насоса используют сплавы на основе меди – латунь и бронза. Эти сплавы сочетают в себе ряд свойств, которые способствуют долгой работе насоса: твердость, износостойкость, низкий коэффициент трения (высокие антифрикционные свойства). Кроме этого очень часто в качестве материалов изготовления корпуса используют нержавеющие стали, в том числе высоколегированные пищевые нержавеющие стали.
Рабочую часть насоса – импеллер изготавливают как правило из полимерных материалов: Neoprene, NBR, EPDM. Первый из них Neoprene это синтетический каучук, NBR – синтетический полимер (бутадиен-нитрильный каучук), EPDM – синтетический эластомер (этилен-пропиленовый каучук). Импеллер из материала EPDM имеет сниженный ресурс работы и ограничения по числу оборотов электродвигателя. Гибкую крыльчатку из EPDM не рекомендовано устанавливать в насосах, где обороты электропривода превышают 900 оборотов в минуту, зато этот материал более устойчив к высоким температурам перекачиваемого продукта.
Ресурс работы импеллера и выбор материала его использования зависит от многих факторов. Например, ресурс сильно снижается из-за частой и продолжительной работы насоса без жидкости, которая служит смазкой для импеллера. Уровень вязкости жидкости и длительная работа при высоких температурах тоже влияют на срок службы гибкой крыльчатки. Материал импеллера и уплотнений насоса необходимо выбирать индивидуально в соответствии с техническими требованиями и сферой применения.
Принцип работы насоса
Электродвигатель насоса подключен к электросети, подается электропитание. Вал электродвигателя начинает вращаться. Жестко закрепленный на валу импеллер с гибкими лопастями также начинает вращаться. Импеллер вращается, касаясь концами лопастей внутренней поверхности корпуса. Когда лопасти импеллера проходят место сужения диаметра корпуса они сгибаются уменьшая тем самым полезный объём между двумя соседними лопастями. После прохождения «сплющенной» области корпуса – лопасти разгибаются, принимая своё первоначальное состояние. Разгибающиеся лопасти за счет разрежения пространства создают всасывающий эффект в районе одного из патрубков (так как несимметричная область корпуса находится между патрубков). Перекачиваемый продукт поступает в корпус насоса. Далее он перемещается между лопастями по окружности проточной части корпуса по ходу его вращения импеллера. Достигая область сужения лопасти снова изгибаются и ввиду уменьшения пространства между смежными лопастями – продукт выдавливается в напорный патрубок.
Стоит отметить, что производительность насоса прямо пропорциональная частоте вращения вала электродвигателя. Именно по этой причине импеллерные насосы иногда используют в качестве насосов-дозаторов.
Технически импеллерный насос сочетает в себе возможности центробежного насоса и насоса объемного типа: он создает напор и производительность и в то же время может перекачивать густые вязкие жидкости.
Кроме этого насос с гибкой крыльчаткой является самовсасывающим. Он может осуществлять самовсасывание продукта на высоту до 6-7 метров даже если изначально в корпусе нет жидкости, и делает это в течении нескольких секунд.
В начале статьи было упомянуто, что импеллерный насос еще называют ламельным. Дело в гибких лопастях импеллера – ламелях. Они осуществляют плавное бережное перекачивание продукт, без ударов и пульсаций. В следствие чего не происходит разрушение структуры продукта. Насос создает ламинарный поток.
Течение жидкости
В гидромеханике принято различать два вида движения жидкости - ламинарный и турбулентный. Рассмотрим в чем между ними отличие.
Жидкость - это физическое тело скорость движение частиц, которого друг относительно друга достаточно высока. Жидкости бывают газообразные и капельные. Главное свойство жидкости - текучесть. Текучесть жидкости можно охарактеризовать плотностью и вязкостью. Плотность жидкости - это масса единицы объема жидкости, которая в некоторых случаях зависит от температуры и давления. Вязкость - это свойство жидкости характеризующее силы внутреннего трения жидкости.
В идеальном случае, когда скорость и давление течение жидкости остаются постоянными, ее движение происходит отдельными параллельными слоями. Это происходит из-за сил молекулярного сцепления частиц жидкости. Такое течение жидкости называют ламинарным, а поток жидкости, который можно охарактеризовать таким течением - ламинарным потоком. В случае повышения скорости течения, происходит перенос объема жидкости из слоя в слой, структура потока разрушается. Течение имеет вихревой, хаотичный характер. Такой поток называют турбулентным.
Преимущества и недостатки импеллерного насоса
Импеллерный насос имеет ряд преимуществ:
- Простота конструкции и как следствие простота технического обслуживания и ремонта
- Способность перекачивать вязкие жидкости
- Способность всасывания жидкости на высоту до 6-7 метров
- Отсутствие застойных зон в рабочей камере
- Возможность смены направления перекачивания жидкости (реверс насоса)
- Возможность использования в качестве насоса-дозатора из-за прямо пропорциональной зависимости производительности насоса и частоты вращения вала
- Возможность перекачивания жидкостей с включениями
- Создает ламинарный поток, без вспенивания и без разрушения структуры жидкости
- Относительно невысокая стоимость в сравнении с насосами со схожими характеристиками и возможностями
- Возможность использования в пищевой промышленности
- Имеются версии насоса со свободным валом
К недостаткам можно отнести:
- Кратковременная работа в режиме сухого хода, ввиду интенсивного износа подвижной части – импеллера
- Ограничения по температуре перекачиваемой жидкости
- Ограничение по перекачиваемым средам
- Ограничения по оборотам электродвигателя
- Требует периодического обслуживания
Импеллерные насосы активно применяют в различных сферах производства: нефтеперерабатывающая промышленность, косметическая промышленность, химическая промышленность, фармакологическая промышленность, ну и конечно пищевая промышленность (для перекачивания вина, для перекачивания молочной продукции).
