Pístová čerpadla s inovativní konstrukcí pohonu – téma vědeckého článku o mechanice a strojírenství, přečtěte si volný text vědeckovýzkumné práce v elektronické knihovně CyberLeninka

Výrobce vysokotlakých čerpadel, společnost KAMAT, důkladně přepracoval koncept mechanického provedení pohonů třípístových čerpadel pro tlaky až 3500 barů. Tento typ čerpadla, speciálně vybavený systémem pro regulaci otáček pracovního pohonu, zajišťuje vysoký výkon a výrazné úspory energie.

Podobná témata vědeckých prací v mechanice a strojírenství, autor vědecké práce — Jan Sprakel

Vývoj konstrukce samovyrovnávacího pístu pro vysokotlaká čerpadla pro servis ropných a plynových vrtů

Výpočet charakteristik třípístových čerpadel

Spolehlivost, hlavní poruchy a příčiny poruch vysokotlakých čerpadel palivových systémů vznětových motorů

Vývoj parametrické řady vysokotlakých vodních zdrojů pro technologie hydrojet v hornictví

Vývoj a výzkum hydraulického převodového multiplikátorového pohonu strojů a mechanismů
i Nemůžete najít, co potřebujete? Vyzkoušejte službu výběru literatury.

Text vědecké práce na téma „Plunžrová čerpadla s inovativní konstrukcí pohonu“

KAMAT GmbH & Co. KG

Pístová čerpadla s inovativní konstrukcí pohonu

Efektivní generování vysokého tlaku

Dipl.-Ing., výkonný ředitel KAMAT GmbH & Co. KG (Německo)

Výrobce vysokotlakých čerpadel, společnost KAMAT, důkladně přepracoval koncept mechanického provedení pohonů třípístových čerpadel pro tlaky až 3500 barů. Tento typ čerpadla, speciálně vybavený systémem pro regulaci otáček pracovního pohonu, zajišťuje vysoký výkon a výrazné úspory energie.

Vysokotlaká čerpadla se používají jak v těžebním průmyslu, tak i v technologiích vysokotlakého vodního paprsku, a také jako procesní zařízení v dalších výrobních procesech. „Klasická“ konstrukce pístového čerpadla s jednodílnou převodovkou a tělesem čerpadla, kterou společnost dříve nabízela, se již dlouho široce používá v různých oblastech vysokotlaké techniky (až do 3500 barů). Doposud zůstává v mnoha případech nejoptimálnějším technickým řešením pro různé spotřebitele.

Jako objemové hydraulické stroje mají tato čerpadla vysokou účinnost, což otevírá možnosti pro jejich rozsáhlé použití i mimo „standardní“ průmyslová odvětví, například v těžebním průmyslu.

průmyslu, v technologii vysokotlakého vodního paprsku a také v technologiích pro zpracování různých povrchů.

Například v chemickém a zpracovatelském průmyslu pístová čerpadla stále více nahrazují odstředivá provedení a umožňují významné úspory energie při provozních tlacích 80 až 100 barů. Pístová čerpadla se stále častěji používají i v odvětvích, která dříve používala složitá membránová čerpadla.

Cílem nového vývoje je vytvořit novou konstrukci čerpadla s vyššími hlučnými charakteristikami a výrazně nižší úrovní vibrací.

Moderní zákazníci mají stále vyšší nároky na tichý provoz vysokotlakých čerpadel. Tento požadavek je obtížné splnit se stávající koncepcí pohonu čerpadla, protože kliková hřídel, která pohání písty přes příčné hlavy, musí mít asymetrický tvar, což umožňuje její umístění uvnitř pevné skříně čerpadla. Asymetrie tvaru způsobuje silné vibrace a vysokou hladinu hluku a v důsledku výsledných vibrací také ztěžuje akustickou izolaci provozu čerpadla.

V tomto ohledu se výrobce čerpadel KAMAT rozhodl upravit konstrukci převodovky, aby dosáhl výrazného snížení hladiny hluku a zároveň zachoval stávající výhody osvědčené koncepce převodovky. Mezi tyto výhody patří snadná údržba, odolnost výrobku a vysoká energetická účinnost.

Nový koncept konstrukce převodovky

Výše uvedeného cíle bylo úspěšně dosaženo vytvořením prefabrikované bytové konstrukce, ve které sym-

Vysokotlaká čerpací stanice pro těžební průmysl s frekvenčním měničem

KAMAT STY & Co. KS

metricky vyvážený klikový hřídel, který přenáší sílu z převodovky na písty. A další inovace v podobě dvojitých šikmých ozubených kol převodovky přispěla ke zvýšení plynulosti čerpadla.

Společnost KAMAT vyrábí převodovky ve vlastních dílnách. Za tímto účelem byla v roce 1983 akvizice společnosti jednoho ze subdodavatelů, která se zabývala výrobou komponentů pro mechanické pohony. Od té doby společnost KAMAT disponuje odpovídajícím know-how, které zajišťuje kompletní výrobu převodovek.

V posledních několika letech byla nová konstrukce převodovky důsledně zaváděna do celé výrobní řady třípístových čerpadel s výkonem 80 až 530 kW. Jako základní konstrukce pohonného mechanismu se stala také základem pro pětipístovou konstrukci čerpadel, která již byla uvedena do sériové výroby, a poskytuje tak vyšší výkon čerpadla během provozu s výraznými úsporami provozních nákladů.

Nejlepší podmínky pro efektivní provoz čerpadla

Mechanické provedení pohonu umožňuje řídit provoz čerpadla v požadovaném režimu na základě technologie změny otáček pohonu, která se stala jednou z klíčových kompetencí společnosti KAMAT, stále více požadovanou mnoha zákazníky jejích produktů.

Hlavními konstrukčními prvky pohonu přenášejícími pracovní síly jsou příčníky, které díky svým velkým rozměrům vytvářejí relativně nízký měrný tlak. Zároveň umožňují udržovat vynikající hydrodynamický mazací režim pohonu čerpadla, a to i v oblastech s nejvyšším zatížením, a to i při nízkých otáčkách pohonu.

Jedinečnost této konstrukce pístového čerpadla spočívá ve schopnosti zajistit hloubku nastavení pohonu v rozsahu od 10 do 100 % jmenovité frekvence otáčení při zachování plného zatížení.

Nový přístup společnosti KAMAT k principům řízení

Konstrukce nových čerpadel nyní umožňuje vytvořit vysoce účinné,

Třípístové čerpadlo KAMAT K 40000^. s výkonem 400 kW, vybavené prefabrikovanou převodovkou

Reduktor čerpadla KAMAT K40000-3

Pětipístové čerpadlo KAMAT K 50000M^ o výkonu 530 kW, vybavené prefabrikovanou převodovkou

Vnitřní konstrukce čerpadla KAMAT K50000M-5

, řídicí systém přizpůsobený potřebám zákazníka. Pokud čerpací jednotka používá dvě vysokotlaká čerpadla, je provoz hlavního čerpadla regulován změnou otáček jeho pohonu pomocí frekvenčního měniče. Pokud je poptávka po pracovní kapalině vyšší než dodávka hlavního čerpadla, přebírá hlavní zátěž pomocné čerpadlo. Čerpací jednotka je tak řízena pouze jedním čerpadlem vybaveným regulátorem otáček pohonu s poměrně širokým regulačním rozsahem. Tato skutečnost, s přihlédnutím k nákladům na frekvenční měnič v nevýbušném provedení dle norem ATEX a s povolením k použití v uhelných dolech, se stává velmi významnou ekonomickou výhodou, zejména v těžebním průmyslu. V jiných odvětvích vede použití několika hydraulických čerpacích jednotek s jedním frekvenčním měničem k významným úsporám provozních nákladů.

Snižte opotřebení o 90 %

Dalším důležitým faktorem, který zajišťuje vysokou provozní účinnost takových čerpadel, je způsob regulace, respektive řízení průtoku pracovní kapaliny v souladu s potřebou v daném okamžiku.

Standardním řešením pro dosažení tohoto cíle jsou obtokové ventily, které přesměrují 100 % průtoku čerpané kapaliny buď ke spotřebiteli, nebo do nádrže. V praxi může k takovému přepínání docházet až 3krát během deseti sekund, což při vysokých tlacích a vysokých průtocích čerpadla vytváří značné zatížení celého hydraulického systému, což se stává vážnou a nežádoucí zkouškou pevnosti čerpadel, potrubí, ventilů a nádrží.

Řídicí systém používá tlakový senzor a měnič otáček

Čerpací stanice umožňují vyhnout se přepínání obtokového ventilu za účelem úpravy přívodu pracovní kapaliny. V praxi to vede ke snížení opotřebení konstrukčních prvků čerpadla přibližně o 90 %, což výrazně snižuje jejich provozní náklady a zvyšuje jejich provozní připravenost.

Navrženo pro náročné provozní podmínky

Další vlastností nových čerpadel je možnost jejich stejně efektivního provozu v horizontální i vertikální polohe. Lité těleso čerpadla lze použít v různých teplotních podmínkách jak v těžebním, tak v ropném a plynárenském průmyslu. Zákazník si může být jistý maximální životností zařízení i v extrémně nepříznivých podmínkách. Všechny modely jsou vyráběny dle mezinárodních norem, jako je API 674, korozivzdorné mořské vodě, a na vyžádání je lze dodat v provedení dle norem ATEX, v nevýbušném provedení. Jsou vhodné i pro čerpání agresivních, abrazivních a těkavých kapalin.

Vývoj nových oblastí použití

Nový koncept pohonu čerpadla, který nabízí výše popsané výhody a vlastnosti, umožňuje zákazníkům v „klasických“ odvětvích, jako je těžba, vysokotlaké čištění nebo vysokotlaká hydraulika, těžit z výhod, jako je účinnost, životnost a údržba, tichý provoz a snížené celkové náklady.

KAMAT GmbH & Co. KG

náklady. Tyto výhody ocenili i odborníci v jiných oblastech jejich použití: poptávka po vysokotlakých pístových čerpadlech pro použití v technologických procesech neustále roste.

Nová čerpadla se nyní používají ve vysokotlakých homogenizačních procesech (při tlacích až 3500 XNUMX barů), v zařízeních na čištění plynů a vstřikování vody a v zařízeních na reverzní osmózu. Zavedení pístových čerpadel v těchto technologiích jasně ukazuje snížení provozních nákladů, a to nejen díky jejich vyšší účinnosti, ale také extrémně robustní konstrukci a velmi širokému rozsahu nastavení provozního režimu.

KAMAT GmbH & Co. KG

Salinger Feld 10, 58454 Witten, Německo tel./fax: +49 02302 89030 e-mail: [email protected] www.kamat.de

Dipl.-Ing. Jan Sprakel společně s Dr. Andreasem Wahlem řídí společnost KAMAT GmbH & Co. KG (Witten, Německo).

Poté, co pro společnost začal pracovat v roce 1994 jako konstruktér, několik let vedl konstrukční oddělení a v roce 2002 se stal technickým ředitelem společnosti. Pod jeho vedením se zaměření inovací v konstrukci čerpadel přesunulo od zdokonalování jednotlivých dílů a jednotek k vytvoření zcela nového konceptu vysoce výkonných jednotek a systémů. Dnešní KAMAT je předním světovým výrobcem vysokotlakých čerpacích zařízení.

Úplně prvními zástupci řady čerpadel jsou pístová zařízení. Historie čerpacích zařízení tedy začala mechanismem výtlačného tlaku kapaliny a od té doby se stala hlavním principem pístového mechanismu. Moderní konstrukce pístových jednotek samozřejmě prošla velkým množstvím úprav, které přispěly ke vzniku výkonného a odolného tělesa s rozsáhlými vlastnostmi pro provoz v mnoha průmyslových odvětvích a domácích podmínkách.

Vzhledem k tomu, že princip činnosti pístového čerpadla je založen na metodě objemového pohybu, jsou jeho pracovními prvky považovány samotný píst a válec, ve kterém se pohybuje. Pohyb pístu uvnitř skříně probíhá vratnými pohyby, které jsou přenášeny z klikového hřídele poháněného elektromotorem.

Princip činnosti pístových čerpadel

Uvnitř válce dochází k pohybu pístu, který je s tyčí spojen tuhou spojkou. Je to aktuátor, který ji uvádí do pohybu klikovým mechanismem. Během pohybu pístu doprava se pracovní objem uvnitř válce, kam se dostává čerpaná kapalina, rozpíná a tím pracovní plocha ztrácí tlakovou sílu. Současně se zvedá sací ventil, kterým se zpracovávaná kapalina uvnitř válce dostává působením tlaku z potrubí nebo rozdílu hladiny v přívodní nádobě. Z toho vyplývá, že voda zpočátku vstupuje do sací trubice, poté prochází zpětným ventilem a odtud proudí tryskami do vnitřního objemu válce.

Když se píst pohybuje doleva, zpracovávaná kapalina, která se již nachází uvnitř válce, je vytlačena spodní rovinou pístu. V tomto bodě se pracovní tlak zvyšuje a stlačuje kapalinu. Aby byla čerpací síla dostatečná, sací ventil se současně se stlačením uzavře a výtlačný ventil se otevře, kterým zpracovávaná látka pod tlakem vystupuje do výtlačného potrubí. Ukazuje se tedy, že když se píst pohybuje dolů po válci, současně stlačuje kapalinu, která se tam nachází, a vytlačuje ji z čerpadla pod požadovaným tlakem.

Existuje takový pojem jako přívod dvojčinného pístového čerpadla. Je to objem kapaliny, který je přiváděn do výtlačného potrubí za určitý časový úsek. V zásadě lze tuto definici použít pro jakýkoli typ vakuového čerpadla bez ohledu na jeho konstrukci.

Pro určení posuvu existuje speciální vzorec. Písmeno Q označuje množství kapaliny vytlačené na jeden krok pístu. Písmeno V označuje počet těchto kroků za daný časový úsek. Získáme tedy následující vzorec pro určení objemu: V = f x S, kde f je plocha pístu a S je jeho krok. Dodávané množství se vypočítá takto: Q = f x (S x i/6O), kde i je počet zdvihů za minutu.

U jednočinných pístových čerpadel jsou výkonové charakteristiky určeny dodávkou časově proměnných cyklů s harmonogramem dodávky pracovní kapaliny do výtlačného potrubí s přerušovaným průtokem. Pro vyrovnání této pulzace se ve skutečnosti používají dvojčinné jednotky.

Pístová čerpadla

V této jednotce se tvar pístu podobá disku, který má těsnění ve formě elastických kovových nebo litinových kroužků. Pro dodatečné utěsnění pístu disku uvnitř válce lze použít gumové nebo kožené manžety vhodného tvaru.

Typy pístových čerpadel

Píst je v podstatě stejný píst, ale má dutou strukturu. Jeho pohyb se provádí uvnitř těsnicí ucpávky, aniž by se dotýkal vnitřních stěn hlavního válce. Ukazuje se tedy, že tvar pístu připomíná tyč nebo jádro. Během pohybu jádra nahoru je zpracovávaná kapalina nasávána do pracovního prostoru válce. Toho je dosaženo tím, že pod tlakem vnějšího působení tlaku se sací ventil otevře a propustí skrz sebe potřebné množství kapaliny k naplnění pracovního prostoru válce. Když se píst vrátí zpět, deska ventilu se přitlačí k sedlu, čímž se uzavře vstup, zatímco výtlačný ventil se otevře a uvolní kapalinu pod vysokým tlakem, což jí umožní průchod do potrubí.

Během pohybu pístu nahoru a dolů se dotýká pouze některých částí ucpávky, která utěsňuje samotnou pístnici uvnitř válce. Pro úplné utěsnění této ucpávky a stěn válce se používá ucpávková miska s těsněním, která zároveň slouží jako mechanismus snižující opotřebení a oděr při tření pohyblivých částí. Dosahuje se absolutní izolace povrchu válce od opotřebení, což umožňuje používat takovou jednotku po mnoho let bez nutnosti opravy nebo výměny tohoto prvku.

Každé čerpadlo má svůj vlastní základní princip činnosti a pístová zařízení se považují za objemová čerpadla. Pro uvedení pístnice do pohybu uvnitř ucpávky je k ní na pevné spojce připevněn klikový hřídel, který je pomocí speciálního převodu spojen s elektromotorem a ten zase sám provádí rotační proces, čímž nutí píst vykonávat vratné pohyby. Co se týče oblasti použití a typu kapaliny jako pracovního média, pístová čerpadla jsou schopna čerpat jak běžnou vodu, tak jakoukoli kapalinu s nízkou viskozitou a nevstupovat do chemické reakce s materiály, ze kterých jsou vyrobeny pracovní části čerpadla. Jednoduše řečeno, princip činnosti tohoto zařízení je podobný dávkovači. V závislosti na typu konstrukce může být pístová jednotka ruční nebo automatická, ale tento typ neovlivňuje vysokou kvalitu generování požadovaného tlaku. Vzhledem k tomu, že konstrukce pístu umožňuje nepoužívat vnitřní těsnění, má toto čerpadlo širokou škálu funkcí a je efektivně používáno v nejrůznějších průmyslových odvětvích a domácích podmínkách.

Existuje řada výhod, díky kterým je pístové čerpadlo tak oblíbené:

• V procesu instalace takového zařízení neexistují žádné složité schémata;
• Pístová čerpadla se vyznačují jednoduchým ovládáním a snadným nastavením;
• Mazací prostor pro mechanismus spojky od elektromotoru k klikovému hřídeli je umístěn na přístupném místě, což zajišťuje rychlé a snadné doplňování maziva;
• Pístové čerpadlo je nastavitelné pro provoz s vysokým vakuem, aby jednotka dosáhla požadované pracovní komprese.

Pokud vezmeme v úvahu stupeň podávání pístových zařízení s trojitým účinkem, lze jeho úroveň určit pomocí následujícího vzorce: Q = 3 x f x (S x i/6O). Hlavním rysem těchto mechanismů je maximální snížení výskytu pulzací čerpaného průtoku, díky čemuž není nutné připojovat další speciální zařízení pro vyrovnání dávkovacího schématu.

Vzduchová pístová čerpadla

V podstatě se tyto mechanismy nazývají vakuové pumpy, protože po nasátí plynu nebo vzduchu vytvářejí požadovanou úroveň tlaku a vytlačují vakuové médium z výtlačného otvoru. Taková zařízení jsou velmi oblíbená v potravinářském průmyslu, protože je lze použít k čištění všech druhů odpařovacích stanic, varných zařízení a dalších vakuových zařízení od nevypouštěných kondenzátů páry nebo plynných částic, aby se zabránilo kontaminaci produktů technologického procesu a poruše některé jednotky vakuového systému. Existují generátory nízkého, středního, vysokého a ultravysokého vakua, ale ve výše uvedené situaci je nejpřijatelnější vakuová pumpa, která vytváří nízkou úroveň vakua, která se liší od atmosférického tlaku nejméně o 90 %.

Pokud jde o princip činnosti pístových vzduchových čerpadel, jsou podobná činnosti kompresoru, který také nasává vzduch nebo plyn za sníženého tlaku, stlačuje zpracovávané médium a pumpuje ho na určené místo. Jediný rozdíl je v tom, že u pístového zařízení je úroveň komprese mnohem vyšší, než jakou dokáže generovat standardní kompresor. Ve skutečnosti však takové jednotky nejsou schopny dosáhnout účinnosti vyšší než 35 %. Pro zvýšení tohoto ukazatele jsou k nim připojeny speciální přídavné mechanismy, které vyrovnávají tlak na sání a při vypouštění zpracovávaného média do výtlačného potrubí.

Hlavní výhody a nevýhody pístových a plunžrových čerpadel

V první řadě stojí za zmínku, že taková zařízení jsou poměrně spolehlivá a mají vysokou údržbu, bez ohledu na jejich konstrukční typ. To je zajištěno použitím vysoce pevných materiálů při výrobě dílů pro taková čerpadla, stejně jako přesností montáže tělesa a vnitřních pracovních prvků při dodržování všech norem moderních GOST. Kromě toho lze pístovou jednotku použít při zpracování média, které vyžaduje speciální spouštěcí podmínky. Pokud porovnáme pístovou jednotku například s oběhovým nebo kapalinokružným čerpadlem, pak je tento mechanismus bezpochyby mnohem atraktivnější, protože může fungovat za podmínek suchého sání, což se nedá říci o jiných typech podobných zařízení.

Pokud jde o nevýhody, je třeba v první řadě poznamenat poměrně nízkou produktivitu. Dnešní trh je samozřejmě plný velkého sortimentu takových zařízení a existují modely, které poskytují dobré ukazatele produktivity, ale hlavním kritériem takových zařízení jsou vysoké náklady, které jsou v mnoha případech iracionální pro celkovou návratnost nákladů na pořízení zařízení pro konkrétní technologický proces.

Metody použití pístových zařízení

V takových jednotkách není stupeň vytvořeného paprsku v zásadě omezen. Pro zvýšení samotného podávání čerpadla je vhodná pouze akce se zvětšením konstrukčních rozměrů pracovní komory a rychlosti vratných pohybů pístu, což přímo závisí na výkonu elektromotoru a kvalitě těsnění, ve kterém se píst pohybuje.

Tuto techniku nelze nazvat stabilní, protože pohyb pracovní kapaliny uvnitř válce je cyklický, v důsledku čehož je přívod kapaliny nestabilní, což obecně s rostoucím počtem otáček povede ve větší míře nikoli ke zvýšení objemu dodávky, ale ke vzniku zvýšených setrvačných pulzací. To určuje hlavní oblasti použití pístových čerpadel, kde je technologický proces dán použitím vysokého tlaku s relativně malým přívodem tlaku.

Abychom podrobněji určili zaměření takového zařízení, můžeme uvést příklad organizace práce lisovacích jednotek v chemickém průmyslu, kde minimální tlak pro provoz čerpadla je 1000 atmosfér nebo i více. Existují také speciální jednotky, které jsou určeny pro provoz v agresivním prostředí, při čerpání výbušných směsí nebo některých druhů paliv. Kromě průmyslových odvětví se pístová čerpadla široce používají i v každodenním životě. S pomocí takového mechanismu je tedy zajištěna čistá voda pro obytné budovy, zemědělské organizace atd.