Řez odstředivým čerpadlem – nejpoužívanějším čerpadlem v energetice
Pro dopravu kapalin se v průmyslu používá velké množství druhů čerpadel. Podle principu práce a konstrukce se čerpadla dělí na 3 základní skupiny:
1. Hydrodynamická čerpadla – mechanická energie pohonu čerpadla se nejdříve mění na dynamickou složku (kinetickou energii kapaliny) a následně na energii hydraulickou (statickou, tlakovou energii kapaliny). Využívají například odstředivé síly působící na kapalinu při jejím rotačním pohybu. Vzhledem ke své jednoduchosti a spolehlivosti jsou to nejpoužívanější čerpadla vůbec. Mezi hydrodynamická čerpadla patří radiální a diagonální odstředivá čerpadla, axiální čerpadla nebo obvodová a labyrintová čerpadla.
2. Hydrostatická (objemová) čerpadla – mechanická energie pohonu je přímo transformována na hydraulickou energii kapaliny. Čerpadla jsou založena na cyklickém nasávání a vytlačování určitého objemu kapaliny. Pracovní objem čerpadla může tvořit zdvih pístu, mezera mezi zuby nebo lamelami oběžného kola nebo vnitřní objem úseku trubky. Mezi hydrostatická čerpadla patří především rotační čerpadla (zubová, vřetenová, lamelová a pístová) a čerpadla s kmitavým pohybem (pístová, membránová, plunžrová).
3. Čerpadla založená na jiném principu práce – speciální typy čerpadel, obvykle využívající pracovní proud plynu nebo kapaliny, případně mechanický zdvihový mechanismus. Do této skupiny patří hlavně proudová a plynotlaká čerpadla.
Dále budou popsány konstrukce nejrozšířenějších typů čerpadel. Protože většina zařízení na dopravu médií v jaderné elektrárně jsou čerpadla odstředivá, bude jim věnována náležitá pozornost.
Odstředivé čerpadlo patří mezi hydrodynamická čerpadla a je ideálním zařízením pro čerpání větších objemů vody a jí podobných kapalin. Hlavním pracovním prvkem čerpadla je oběžné kolo osazené zakřivenými lopatkami, které se volně otáčí v uzavřené spirálovité skříni. Oběžné kolo je poháněno externím zdrojem – nejčastěji elektromotorem, protože pro účinnou práci čerpadla jsou potřebné poměrně vysoké otáčky rotoru.
Řez odstředivým čerpadlem – nejpoužívanějším čerpadlem v energetice
Voda je přiváděna sacím otvorem do středu rotujícího oběžného kola, kde ji paprskovité, zakřivené lopatky roztáčejí. Na kapalinu začíná působit odstředivá síla. Vlivem lopatek a odstředivé síly se kapalina posouvá stále dál a dál od osy rotace. Po opuštění konců lopatek (rotoru) se kapalina ve velké rychlosti dostává do vnitřního prostoru spirální skříně a po jejím vnitřním povrchu klouže až k výtlačnému otvoru, ze kterého je vyvržena ven. Její kinetická energie se transformuje na energii tlakovou.
Odstředivé čerpadlo je velice populární díky své jednoduchosti, nízké ceně a dostatečnému výkonu.
Odstředivá čerpadla jsou z principu své práce vhodná především ke kontinuální dopravě větších množství kapalin, a nehodí se pro dávkovací režimy, kdy jsou v krátkých, ale početných intervalech čerpány malé objemy. Průtok odstředivým čerpadlem není konstantní veličina, ale závisí na otáčkách rotoru a protitlaku výstupního potrubí následujícího za čerpadlem. Když je protitlak velký, může se pro zvýšení parametrů čerpané kapaliny použít vícestupňové provedení čerpadla, kdy je na jedné hřídeli za sebou umístěno několik odstředivých stupňů. Startující odstředivé čerpadlo musí být vzhledem k slabému sacímu efektu nejdřív zavodněno a po odstavení čerpadla musí být zabráněno zpětnému proudění kapaliny, protože stojící oběžné kolo je volně průchozí z obou stran.
Vysokou popularitu a využitelnost v technologii zajišťuje odstředivému čerpadlu jeho jednoduchá konstrukce, nízká pořizovací cena, dobrá škálovatelnost (pracovní parametry čerpadla) a nenáročná údržba.
Otevřený rotor odstředivého čerpadla se zahnutými lopatkami
Axiální čerpadla připomínající menší Kaplanovu turbínu nebo lodní šroub dopravují velké objemy kapalin na nevelký výškový rozdíl.
Jak již název napovídá, kapalina proudí čerpadlem ve směru jeho osy. Pohyb kapaliny zabezpečuje oběžné kolo ve tvaru obyčejné vrtule s několika lopatkami pevně nebo otočně uchycenými na centrálním náboji. Rotor čerpadla tak pracuje jako lodní šroub.
Axiální čerpadla nejsou schopná dosáhnout větších čerpacích výšek, proto se používají hlavně k přečerpávání velkých objemů kapalin s malým rozdílem hladin.
Zubová čerpadla patří mezi hydrostatická čerpadla, u kterých dochází k přesouvání malých objemů kapaliny od sání k výtlaku. U zubových čerpadel tvoří tento objem prostor mezi zuby otáčejících se oběžných kol. A protože je tento elementární přepravní prostor vždy stejný, dá se z otáček a počtu zubů lehce zjistit aktuální průtok čerpadlem. Přesná znalost závislosti průtoku na otáčkách předurčuje zubová čerpadla k použití při přesném dávkování kapalin v různých procesech.
Rozebrané zubové čerpadlo používané v hydraulických systémech
Schéma zubového čerpadla s vnějším ozubením, založeného na dvojici rotujících ozubených kol
V principu existují dva druhy zubových čerpadel. Oba druhy pracují s dvojicí rotujících ozubených kol, ale v prvním případě mají obě kola vnější ozubení a v druhém je jedno kolo s vnitřním ozubením. Zubová čerpadla s vnějším ozubením vytvářejí odvalováním zubů na sání prázdné prostory, které se plní čerpaným médiem. Zuby, jejichž vrcholy kloužou po vnitřních stěnách pouzdra, přesouvají malé porce kapaliny až k výtlaku čerpadla, kde opět do sebe zapadají a tím vytlačují kapalinu do výstupního hrdla. Proces se cyklicky opakuje a zabezpečuje na výstupu plynulý průtok média s dostatečným tlakem.
Pracovní písty rotačního axiálního pístového čerpadla
Tato hydrostatická čerpadla využívají pro posuvný zdvih většího množství malých pístů externě poháněný rotující disk. Písty jsou umístěny do kruhu a pohybují se buď v axiálním, nebo v radiálním směru. Rotační pístová čerpadla mají relativně malé průtoky čerpaného média, ale dosahují vysoké hodnoty tlaků, a proto se často využívají ve vysokotlakých, například hydraulických systémech.
Rotační pístová čerpadla mají dobrou samonasávací schopnost, jednoduchou konstrukci, snadnou údržbu. Malé písty axiálních čerpadel jsou buď statické a jejich pohyb zabezpečuje nerovnoměrně tlustý otáčející se souosý disk, nebo se otáčejí společně s diskem s vyosenou hřídelí (o cca 30° proti ose pístů) a pohyb pístů je způsoben různou vzdáleností disku od pístového zásobníku.
Řez vysokotlakým rotačním pístovým čerpadlem s axiálním pohybem pístů