Вакууммашнасосы, компрессоры, запчасти

Вакуумная техника

Принцип работы водокольцевого вакуумного насоса и его устройство

Редакция Вакууммаш8 мин чтения

Водокольцевой вакуумный насос откачивает газ за счёт ячеек переменного объёма, которые образуют эксцентрично посаженное колесо и вращающееся водяное кольцо. Вода одновременно служит поршнем, уплотнением и охладителем, поэтому предельный вакуум зависит от её температуры.

Содержание
  1. Устройство
  2. Принцип работы
  3. Рабочая жидкость
  4. Предельный вакуум
  5. Схема обвязки
  6. Насосы ВВН и ВК
  7. Плюсы и минусы
  8. Неисправности
  9. Частые вопросы

Из каких узлов состоит водокольцевой насос

Водокольцевой вакуумный насос относится к объёмным машинам, хотя внешне похож на центробежный. Основа конструкции - цилиндрический корпус и рабочее колесо с радиальными лопатками, вал которого смещён относительно оси корпуса. Это смещение (эксцентриситет) и создаёт ячейки переменного объёма, без него насос не работает.

Корпус с торцов закрыт двумя крышками, в насосах ВВН их называют лобовинами. В лобовинах выполнены серповидные окна: через одно газ входит в рабочую полость, через другое уходит вместе с излишком воды. Вал опирается на подшипники качения в выносных корпусах, место выхода вала из рабочей полости уплотняется сальником или торцевым уплотнением. По данным изготовителя, в ВВН1-0,75, ВВН1-1,5 и ВВН1-3 стоит сальниковая набивка, в 2ВВН1-0,8 - торцевое уплотнение.

УзелНазначениеЧто изнашивается
КорпусОбразует цилиндрическую камеру, в которой вращается водяное кольцоВнутренняя поверхность от абразива и кавитации
Лобовины (торцевые крышки)Несут всасывающее и нагнетательное окна, задают фазы всасывания и сжатияТорцевые поверхности у окон, растёт торцевой зазор
Рабочее колесоРаскручивает воду в кольцо и делит полость на ячейкиТорцы лопаток и ступицы, кромки лопаток
Вал и подшипникиПередают вращение от двигателя, держат колесо по осиПодшипники, шейки вала под уплотнением
Сальник или торцевое уплотнениеНе пускает воздух в полость и воду наружуНабивка, защитная втулка, пара трения

Отдельные детали ВВН (корпус, левая и правая лобовины, колесо, ротор в сборе, корпус подшипника) продаются как запчасти, их перечень есть в разделе запчасти для насосов ВВН.

Как водяное кольцо создаёт разрежение

Перед пуском полость заполняют водой примерно до оси вала. При вращении лопатки отбрасывают воду к стенке корпуса, и она образует кольцо, концентричное корпусу. Колесо же стоит со смещением, поэтому в верхней части лопатки почти полностью погружены в воду, а в нижней выходят из неё. Между ступицей, внутренней поверхностью кольца и двумя соседними лопатками получается ячейка, объём которой за один оборот сначала растёт, потом падает.

Цикл одной ячейки за оборот колеса:

  1. Ячейка проходит зону, где лопатки погружены в воду: объём газа в ней близок к нулю.
  2. Колесо поворачивается, вода отходит от ступицы, объём ячейки увеличивается. Ячейка в этот момент открыта на всасывающее окно, и в неё поступает газ из откачиваемой системы.
  3. В точке наибольшего объёма ячейка проходит перемычку между окнами и отсекается от всасывания.
  4. Дальше вода снова подступает к ступице, объём уменьшается, газ сжимается.
  5. Когда давление в ячейке поднимается до давления на выходе, она открывается на нагнетательное окно, газ и часть воды выталкиваются в сепаратор.

Получается, что водяное кольцо работает как поршень, а лопатки как стенки цилиндров. Металлического контакта ротора с корпусом в рабочей полости нет, уплотнение между ячейками держит вода. Поэтому насос спокойно переносит капли и пар в откачиваемом газе и не загрязняет его маслом.

Зачем насосу постоянная подача воды

Вода в насосе выполняет сразу три задачи: уплотняет торцевые зазоры между колесом и лобовинами, служит жидким поршнем и забирает теплоту сжатия. Часть воды каждый оборот уходит через нагнетательное окно вместе с газом, поэтому её надо непрерывно восполнять. Производитель ВВН прямо указывает, что для поддержания кольца и отвода тепла необходима постоянная циркуляция чистой воды.

Отвод тепла делает сжатие почти изотермическим: газ на выходе нагрет немного, в отличие от сухих машин. Ещё одно следствие - водяной пар из откачиваемой смеси частично конденсируется на холодной воде. Если в газе много пара, фактическая производительность по смеси оказывается выше, чем по сухому воздуху.

Без воды насос не работает и быстро выходит из строя: пропадает уплотнение, сальник или торцевое уплотнение работают всухую, колесо может задеть лобовины. Запуск всухую - самая частая причина задиров на торцах колеса.

Требования к воде

  • без песка и окалины, иначе быстро растут торцевые зазоры;
  • по возможности мягкая: накипь на стенках и в окнах уменьшает сечение каналов;
  • с минимальной температурой, которую позволяет схема, от неё зависит предельный вакуум (см. следующий раздел).

Предельный вакуум и температура воды

Глубину разрежения ограничивает давление насыщенного пара самой рабочей жидкости. Когда давление на всасывании приближается к давлению пара воды при её температуре, вода начинает кипеть в ячейках, пар занимает объём, и откачка газа практически прекращается. Чем теплее вода, тем раньше это наступает.

Температура воды, °CДавление насыщенного пара, кПа
101,23
151,71
202,34
304,25
407,38
5012,35

Таблица показывает физический предел, реальный насос до него не доходит: часть объёма теряется на перетечки через торцевые зазоры и на кавитацию у ступицы. В технической литературе для одноступенчатых жидкостно-кольцевых насосов приводят остаточное давление порядка 10 кПа, двухступенчатые дают более глубокий вакуум. Для серии ВВН изготовитель указывает номинальное давление 0,04 МПа (абсолютное), это и есть расчётный режим, при котором нормируется производительность.

Практический вывод для механика: если насос перестал держать прежний вакуум, первым делом измерьте температуру воды на выходе. Рост на 15-20 °C из-за засорённого теплообменника или уменьшенного подпитка сам по себе снижает вакуум, хотя сам насос исправен.

Схема подключения насоса

Насос редко работает сам по себе, его ставят в обвязку с сепаратором и системой подачи воды. Применяют три типовых варианта.

  • Прямоточная схема. Свежая вода подаётся из водопровода, отработанная после сепаратора сливается. Простая, но расход воды наибольший.
  • С частичной рециркуляцией. Часть воды из сепаратора возвращается в насос, часть сбрасывается и заменяется свежей. Расход меньше, температура остаётся приемлемой.
  • Замкнутая. Вода циркулирует через бак и теплообменник. Подходит, когда воду нельзя сливать или нужна другая рабочая жидкость.

Типовой порядок элементов по ходу газа:

  1. Вакуумная линия от потребителя (ресивер, фильтр, доильная система).
  2. Отсечной кран и вакуумметр на всасывании.
  3. Обратный клапан или кран, чтобы при остановке вода не уходила в вакуумную линию.
  4. Насос.
  5. Сепаратор (бак) на нагнетании: газ уходит в атмосферу, вода отделяется.
  6. Из сепаратора вода идёт на слив или через теплообменник обратно на подпитку.

На подпитке ставят вентиль, которым настраивают расход, и по возможности термометр на сливе. Подбор производительности для молочных ферм разобран отдельно в статье вакуумный насос для доильной установки.

Отечественные ВВН и компрессоры ВК

Самая распространённая отечественная серия водокольцевых вакуумных насосов - ВВН. Цифра после дефиса обозначает производительность в кубометрах в минуту: ВВН1-3 рассчитан примерно на 3 м3/мин, ВВН1-12 на 12 м3/мин. Насосы предназначены для откачки воздуха, неагрессивных газов и парогазовых смесей.

МодельНоминальная производительностьЧастота вращения, об/минМощность двигателя, кВт
ВВН1-0,750,0125 м3/с (0,75 м3/мин)14502,2
ВВН1-30,056 м3/с (около 3,4 м3/мин)15007,5
ВВН1-120,2 м3/с (12 м3/мин)100030

Данные приведены по сведениям изготовителя (ГМС Ливгидромаш). Направление вращения - по часовой стрелке со стороны двигателя, на ВВН1-12 для коммунальной техники встречается исполнение с левым вращением. Подробнее по каждой модели, включая ВВН1-6, смотрите статью характеристики насосов ВВН1-3, ВВН1-6, ВВН1-12, а сами насосы собраны в разделе водокольцевые насосы ВВН.

Тот же принцип работы у жидкостно-кольцевых машин ВК. Их выпускают как вакуум-компрессоры: они могут откачивать газ и одновременно подавать его с небольшим избыточным давлением, что нужно, например, в вакуумных машинах коммунальной техники. Ассортимент - в разделе водокольцевые компрессоры ВК.

Где водокольцевой насос выигрывает, а где нет

Сильные стороны:

  • откачивает влажный газ, пар и газ с каплями жидкости, для пластинчатых и золотниковых машин это опасно;
  • в откачиваемый газ не попадает масло;
  • сжатие почти изотермическое, газ на выходе почти не нагрет, это важно для горючих смесей;
  • нет трущихся пар в рабочей полости, ресурс определяется в основном подшипниками и уплотнением вала.

Ограничения:

  • вакуум ограничен давлением пара воды, для глубокого разрежения нужны двухступенчатые машины или другие типы насосов;
  • нужен постоянный расход воды и место под сепаратор;
  • значительная часть мощности уходит на перемешивание водяного кольца, удельное энергопотребление выше, чем у сухих машин той же производительности;
  • жёсткая вода даёт накипь, зимой при остановке в неотапливаемом помещении воду нужно сливать.

Если среда сухая и чистая, а нужен вакуум глубже 10 кПа, рассматривают золотниковые агрегаты, например вакуумные агрегаты АВЗ.

Почему падает вакуум: разбор неисправностей

ПризнакВероятная причинаЧто сделать
Насос не создаёт вакуум после пускаНет воды в полости, не открыт вентиль подпиткиОстановить, залить воду, проверить подачу
Вакуум ниже, чем раньшеТёплая вода, подсос воздуха по линии или сальнику, выросли торцевые зазорыЗамерить температуру воды, проверить линию на подсос, при износе - ремонт с заменой колеса или лобовин
Удары и треск внутриКавитация при работе у предельного вакуума, избыток водыУменьшить подпитку, впустить немного воздуха на всасывание, понизить температуру воды
Перегрузка двигателяСлишком много воды, накипь, задевание колесаОтрегулировать подачу воды, очистить полость, проверить зазоры
Нагрев подшипникового узлаИзнос или нехватка смазки, перекос при центровкеСменить смазку или подшипник, проверить центровку
Течь по валуИзнос сальниковой набивки или защитной втулкиПоджать или заменить набивку, проверить втулку

Перед любой разборкой насоса отключите двигатель с вывешиванием запрещающего плаката, закройте кран на вакуумной линии, впустите в насос атмосферный воздух и слейте воду из корпуса и сепаратора. Если насос откачивал горючие или вредные газы, полость перед вскрытием промывают водой и проветривают.

Частые вопросы

Почему насос называют водокольцевым, если он вакуумный?

Название описывает способ работы: внутри при вращении колеса образуется кольцо из воды, которое уплотняет ячейки и работает как поршень. Вакуумным насос называют по назначению: он откачивает газ из системы.

Можно ли запустить водокольцевой насос без воды на несколько секунд?

Нельзя. Без воды нет уплотнения, а сальник или торцевое уплотнение и торцы колеса работают всухую. Даже короткий сухой пуск оставляет задиры.

Какой вакуум даёт одноступенчатый водокольцевой насос?

Для одноступенчатых машин в литературе приводят остаточное давление порядка 10 кПа. Предел зависит от температуры воды: при 15 °C давление пара воды 1,7 кПа, при 40 °C уже 7,4 кПа.

Почему вакуум падает летом?

Летом теплее вода подпитки, выше давление её пара, и ячейки раньше заполняются паром. Помогают холодная подпитка, теплообменник в замкнутой схеме и увеличение расхода свежей воды.

Чем водокольцевой насос отличается от компрессора ВК?

Принцип одинаковый, разница в назначении. Насосы ВВН работают на создание разрежения, жидкостно-кольцевые машины ВК рассчитаны также на подачу газа с избыточным давлением.

Источники

Читайте также

Материал носит справочный характер. Перед ремонтом и заменой деталей сверяйтесь с паспортом и руководством по эксплуатации насоса. Заметили ошибку - напишите на admin@vvnpump.cc.