Virpuļsūknis

Virpuļsūknis ir iekārta, kas paredzēta ūdens sūknēšanai vai padevei no rezervuāriem, akām, uzglabāšanas tvertnēm. Parasti to izmanto tur, kur nelielos apjomos nepieciešams nodrošināt ievērojamu spiedienu. Sūknējamā šķidrumā nedrīkst būt mehāniskie piemaisījumi. Šāda veida sūkņi tiek uzstādīti automātiskās ūdens apgādes sistēmās, dzesēšanas šķidruma padevei metālgriešanas darbmašīnās un tie tiek izmantoti lauksaimniecības apūdeņošanas kompleksos. Ķīmiskajā rūpniecībā tos izmanto dažādu šķidrumu piegādei, ieskaitot agresīvus, gaistošus un ar gāzi piesātinātus šķidrumus. Virpuļsūkņus var arī izmantot kā zema spiediena kompresorus, vakuuma sūkņus un padeves sūkņus katlu palīgiekārtām. Virpuļsūkņus pēdējā laikā plaši izmanto vietās, kur jānodrošina paaugstināts spiediens un neliels ražīgums.

Virpuļsūkņu darbības princips

Pašreiz nav vēl izstrādāta vispāratzīta virpulsūkņu teorija, bet pastāv vairākas hipotēzes par šo sūkņu darbības principa būtību. Darbrats darbojas līdzīgi centrbēdzes sūkņa darbratam, iesūcot šķidrumu darbrata vidējā daļā un izspiežot perifērijā. Šis darbības rezultātā rodas šķērsvirpuļi un garenvirpuļi.

Šķidrums izplūst no darbrata ārējās aploces ar ātrumu (u2). Pa kanālu plūstošajam šķidrumam sajaucoties ar šķidrumu, kas izplūst no darbrata, tā daļiņas kanālā iegūst impulsu darbrata kustības virzienā un palielina spiedienu kanāla garenvirzienā. Daļiņām kanālā kustoties ar dažādiem ātrumiem, notiek intensīva sajaukšanās - virpuļu veidošanās, un sakarā ar to rodas ievērojami enerģijas zudumi.

Daļa spiediena tiek patērēta, pārvarot darbrata hidraulisko pretestību un meridionālā berzes spēka komponenti uz kanāla sieniņām. Visas hidrauliskās pretestības var izskaidrot ar virpuļu rašanos starplāpstiņu kanālā un virpuļsūkņa periferiālajā kanālā. Zudumus raksturo hidrauliskais lietderības koeficients Nh. Virpuļu veidošanās rada ari zināmus tilpuma zudumus (iztekot šķidrumam pa spraugām starp darbratu un sūkņa korpusa kanālu). Šos zudumus raksturo kanāla tilpumiskais lietderibas koeficients nw.

Virpuļsūkņa galvenais elements ir lāpstiņritenis, kas aprīkots ar asmeņiem, ievietots korpusā un uzstādīts uz vārpstas. Starp sūkņa riteni un apvalku ir minimāls klīrenss (līdz 0,2 mm). Galvenā atšķirība starp virpuļveida modeļiem un aksiālo un centrbēdzes virpuļveida analogiem ir metode sūknētā šķidruma padevei apvalkā. Šeit tas pārvietojas un atstāj sūkņa korpusu pa pieskares līniju līdz lāpstiņritenim. Vienības korpusā šķidrums griežas ar riteni. To ietekmē centrbēdzes spēks, kas rodas noteiktas griešanās rezultātā, un gropes iesūkšanas spēks. kas atrodas starp riteņa asmeņiem. Centrbēdzes spēka ietekmē ūdens pārvietojas uz sūkņa lāpstiņu perifēriju. Rezultātā rievās parādās vakuums un rodas sūkšanas spēks. Kad sūkšanas efekts pārsniedz centrbēdzes efektu, tad šķidrums pārvietojas uz riteņa centru. Šī tendence saglabājas, kamēr spēki izlīdzinās, pēc tam cikls atkārtojas. Rezultātā uz katra asmens veidojas virpulis, kas noved pie spiediena palielināšanās. Šī darbības principa dēļ šāda veida sūkņus sauca par virpuļsūkņiem. Ķermeņa iekšpusē esošais šķidrums veic sarežģītas kustības, taču pašas ierīces dizains ir ārkārtīgi vienkāršs.

Galvenie enerģijas zudumi rodas sūkņa kamerā un sūkņa lietderības koeficients ir zems - parasti 15...30%. Maziem strūklas sūkņiem lietderības koeficients ir zemāks nekā lieliem. Par darba šķidrumu parasti izmanto ūdeni, gaisu, tvaiku, bet transportējamā plūsma var būt šķidrums vai gāze. Strūklas sūkņus iedala šķidruma-šķidruma, šķidruma-gāzes, gāzes-šķidruma un gāzes-gāzes sūkņos. Ūdens-strūklas sūkņos par darba šķidrumu lieto ūdeni.

Lai izveidotu efektīvu plūsmu ar suspendētajām daļiņām, ir svarīgi radīt pietiekami spēcīgu virpuļplūsmu, lai izraisītu cieto daļiņu iesūkšanu. Tam nepieciešama ļoti spēcīga sūknēšanas darbība ar lielu jaudu. Virpuļsūkņa veidojumi ir atkarīgi no šķidruma īpašībām, piemēram, blīvuma un viskozitātes. Rotoriem ir arī padziļinājums, lai notīrītu cietās vielas, kaut arī ar dažām izmaksām sūkņa efektivitātei.

Šie sūkņi nav derīgi tādu šķidrumu pārsüknēšanai, kas satur cietu daļiņu piemaisījumus (sevišķi smiltis), jo to klātbūtne paātrina darbrata un statora starptelpas sieniņu ātru nodilšanu un līdz ar to strauju lietderības koeficienta samazināšanos. Virpuļsūkņus pēdējā laikā plaši izmanto vietās, kur ir jānodrošina paaugstināts spiediens un neliels ražīgums.

Sevišķi perspektīva ir virpuļsūkņu lietošana šķidruma un gāzes maisījuma pārsūknēšanai. Daļēji šos sūkņus lieto vieglu šķidrumu (benzīna, spirta u. c.), saspiestas gāzes, skābes, sārmu un citu ķīmiski agresīvu šķidrumu pārsūknēšanai.

Sūkņa darba ražīgums

Sūkņa darba ražīgumu raksturo pieci rādītāji (ja darba un sūknējamā šķidruma blīvums ir vienāds):

1. Darba spiediens H1;
2. Darba šķidruma caurplūdums Q1;
3. Sūknēšanas augstums H2;
4. Sūkņa ražīgums Q0;
5. Sūkņa lietderības koeficients ɳ, kuru izsaka attiecība:

${\textstyle \eta =(Q_{0}H_{2})/(Q_{1}H_{1})}$

Priekšrocības un trūkumi

Salīdzinot ar populārajiem centrbēdzes virpuļsūkņiem, virpuļveida analogiem ir vairākas priekšrocības:

• Tiem piemīt pašgruntēšanas spēja;
• Izveidotais spiediens ir 3–7 reizes lielāks (pie vienādu riteņu izmēra un ātruma);
• Vienkāršāka sūkņa konstrukcija. Sakarā ar to virpuļu modeļu remonts / uzturēšana ir lētāka;
• Mazāka piegādes atkarība no pretējā spiediena ūdens apgādē;
• Iespēja pārsūknēt ar gāzēm piesātinātu šķidrumu.

Virpuļsūkņiem salīdzinājumā ar centrbēdzes sūkņiem ir šādas priekšrocības:

• Kompaktāka, vienkāršāka, vieglāka un lētāka konstrukcija;
• Vairums virpuļsūkņu ir pašuzsūcoši, tādēļ viegli automatizēt to darbu;
• Mazjutīgi pret celšanas augstuma maiņām, jo stāva raksturlīkne H=f(Q).

Trūkumi šādiem sūkņiem ir:

• Salīdzinoši neliela efektivitāte (darbības režīmā līdz 45%).
• Nepiemērotība, lai sūknētu ūdeni, kas satur abrazīvus fragmentus, jo tas noved pie spiediena, efektivitātes pazemināšanās un ierīces iekšējo elementu ātra nodiluma.

Visvairāk izplatītām virpuļsūkņu konstrukcijām lietderības koeficients ir35…38%. Mazā lietderības koeficienta dēļ virpuļsūkņus nelieto lielām jaudām. Virpuļsūkņu attīstītais sūknēšanas augstums sasniedz 250m un jauda 25kW. Gaitas ātruma koeficients 6…40. Rotācijas ātrums virpuļsūkņiem, tā pat kā centrbēdzes sūkņiem ierobežots kavitācijas rašanās dēļ. Tādējādi redzams, ka virpuļsūkņa darba process ir saistīts ar lieliem neizbēgamiem enerģijas zudumiem.