Ликбез по насосам

               
 
       Типов насосов существует столько, что может сложиться впечатление, что все уже известно и всегда можно подобрать какой-то уже известный  насос для данной конкретной задачи. Но наш мир от идеала далек, и по закону пакости,  вдруг стенка траншеи от дождя и снега размокла и обвалилась, образовав дикую смесь воды, грязи, песка и снега на дне траншеи – и никакой насос ее не берет. Или втянутый в насос полиэтиленовый пакет или мусор застрял в колесе и требуется разборка насоса. Таких ситуаций на самом деле много, и объясняются они именно несовершенством насосов – ошибках, допущенных при конструировании в выборе принципа действия насоса.

    Большинство эксплуатируемых в мире насосов – это так называемые «центробежные» насосы. Казалось бы, в самом названии присутствует принцип работы насоса, и главным действующим лицом в этих насосах является центробежная сила. Но, если кто-то помнит учебники физики, центробежная сила относится к силам инерции. Силы инерции (по тем же учебникам физики) работу не производят.

   Что работает в «центробежном» насосе? Гребное колесо, заключенное в направляющий аппарат – улитку. Выход из улитки направлен ПО КАСАТЕЛЬНОЙ к окружности. То есть, гребное колесо РАЗГОНЯЕТ, сообщает жидкости линейную скорость на протяжении всей окружности улитки, а на участке выхода из улитки жидкость вылетает из колеса ПО КАСАТЕЛЬНОЙ. А центробежная сила направлена ПО РАДИУСУ. Чтобы сильно не вдаваться в теорию – попробуйте переключить направление вращения «центробежного» насоса, как раз останется одна и только одна центробежная сила. И насос вообще качать перестанет. А центробежная сила никуда не денется, ей влево, вправо – все равно.

    В чем слабость принципа действия «центробежных» насосов? В невысоком КПД, около 70% на пике, но это полбеды. Для работы центробежного насоса нужна высокая окружная скорость. Если перекачиваемая среда вязкая, то будут очень велики потери на турбулентность (внутреннее трение и нагрев среды), а если перекачиваемая среда легкая, то и давление создать не удастся. То есть, область успешного  применения центробежных насосов – вода и что-то близкое к воде, достаточно жидкое и тяжелое. Чтобы не возвращаться больше к центробежным насосам, отметим два важнейших их достоинства – простота (всего одна вращающаяся деталь) и способность перекачивать жидкости с высокой степенью загрязнения абразивом.

      Из выпускающихся промышленностью насосов только один тип объемных насосов подходит для перекачивания жидкой среды, загрязненной абразивом – это плунжерные буровые насосы. Но сам принцип образования переменных объемов – возвратно-поступательное движение плунжера, а это значит, кривошипно-шатунный механизм, клапанная система и необходимость дублирования для выравнивания характеристики подачи приводит к тому, что массогабаритные показатели насоса не лезут ни в какие ворота. Буровой насос УНБТ-1600L с производительностью 59,7 л/сек имеет массу 35800 кг при допустимых оборотах 100 об/мин (100 ходов в минуту). Сравнимый по производительности шестеренный насос ПНШ 250/12 при производительности 69,44 л/сек и 750 об/мин имеет массу 720 кг. Разница в весе почти в 50 раз. При таком соотношении веса и производительности любой насос плунжерного типа – это практически нетранспортабельное узкоспециализированное и дорогое оборудование, применение которого оправдано лишь там, где без него обойтись невозможно – при бурении (и его еще и доставить надо).

    За счет чего шестеренный насос ПНШ 250/12 имеет при меньших габаритах большую производительность, чем УНБТ-1600L? За счет больших оборотов, 750 об/мин у шестеренного и 100 об/мин у плунжерного. Быстрее вращать плунжерный не получится, инерционные нагрузки с ростом оборотов растут квадратично, и произойдет задир подшипников. Из сказанного делаем вывод, что производительность роторных насосов при равных габаритах всегда выше производительности плунжерных и поршневых за счет большей верхней границы допустимых оборотов. Почему же шестеренные или роторные насосы не используются вместо плунжерных? Потому, что поверхности шестерен будут моментально разрушены присутствующим в перекачиваемой среде абразивом.

      Но ведь плунжерный и центробежный насосы как-то перекачивают жидкую среду с абразивом, не разрушаясь через пять минут работы? Дело не в присутствии абразива в жидкости, а в условиях заклинивания твердых частиц между подвижными деталями. В плунжерном насосе  плунжер не касается стенок камеры, а размер абразивных частиц заведомо меньше зазора между плунжером и камерой. То есть, в плунжерном насосе НЕТ МЕХАНИЧЕСКОГО ЗАКЛИНИВАНИЯ АБРАЗИВНЫХ ЧАСТИЦ между подвижными и неподвижными деталями.

       Таким образом производительного, небольшого по габаритам и весу роторного насоса, способного перекачивать вязкую среду с присутствием абразивных частиц  на данный момент   нет. И дело тут именно в том, что конструкторы насосов не понимают, как можно совместить объемный принцип вытеснения с отсутствием заклинивания абразивных частиц между вращающимися деталями насоса и пытаются решить задачу «в лоб», упрочнением шестерен. А это ошибка.

     Ошибка состоит в том, что встречное вращение роторов не является единственным решением, роторы можно вращать в одну сторону – попутно. Что это дает?

    Из известных технических решений насосов наиболее близким к предлагаемому является коловратный насос с серповидными роторами. Коловратный насос способен перекачивать вязкие жидкости с крупными включениями неабразивного характера, например, шоколад с цельными орехами. Жидкость с абразивом коловратный насос перекачивать не может, так как происходит быстрое разрушение поверхностей роторов и поверхности расточек корпуса.

     Разрушение поверхностей роторов абразивными частицами является прямым следствием принципа действия коловратного насоса – встречного вращения роторов. При встречном вращении роторов поверхности роторов сближаются без взаимного перемещения, образуя клин, по мере приближения к зазору между роторами все более пологий - Рис.1.


    Размер абразивных частиц носит случайный характер и всегда найдется абразивная частица, размер которой сопоставим с зазором между роторами.
Любые подвижные детали невозможно выполнить без зазора, и при работе насоса в этот зазор между роторами всегда возникает обратный переток жидкости из полости высокого давления в полость низкого давления. Этим перетоком абразивная частица будет вовлечена в зазор между роторами, захвачена поверхностью роторов и раздавлена, заодно повреждая поверхность самих роторов.

     Распределение сил при заклинивании абразивной частицы между роторами показано на Рис.2, слева.
Чем ближе к оси симметрии происходит заклинивание частиц, тем больше рычаг и возникающие силы. Заклинивание частиц приложено радиально к наружной поверхности ротора, и острая грань ротора, как наименее жесткая часть ротора будет вынуждена отгибаться к центру (Рис.2). Деформированная грань будет в процессе вращения нагребать абразивные частицы перед собой, повреждая заодно поверхность расточек корпуса. При попадании нескольких абразивных частиц между наружной поверхностью ротора и расточкой корпуса произойдет поднятие металла рядом с возникающими бороздами и полное заклинивание роторов.

       Таким образом, разрушение коловратного насоса абразивными частицами носит лавинообразный характер, что делает его непригодным для перекачивания сред, содержащих абразив.  Устранить недостатки коловратного насоса можно только поменяв сам принцип образования объемов – со встречного на попутное вращение роторов – Рис.3.

     При синхронном вращении роторов в одну сторону их поверхности по линии смыкания двигаются не в одну, а в разные стороны, и поверхность одного из  роторов (в данном случае, правого) будет выталкивать частицу из зазора, не давая ей заклинить между роторами.
 
     Однако, в отличие от коловратного насоса, роторная машина с попутным (в одну сторону) вращением роторов при одной паре роторов дает только пульсирующее изменение объемов, и для одной пары роторов требуется ее оснащение клапанной системой со всеми вытекающими недостатками.

    Найдено более простое и более эффективное решение роторной машины попутного вращения – машина содержит две пары роторов на общих валах, при этом роторы первой секции играют роль клапанов для роторов второй секции и наоборот – Рис.4.

     На Рис.4 слева изображена первая секция роторов, справа – вторая секция роторов с установочными углами.
     Данные углы рассчитаны для идеального случая с полностью гладкой характеристикой подачи.

     Второй недостаток роторных машин со встречным вращением жестких роторов – это заклинивание абразивных частиц между ротором и корпусом (Рис.2, справа). Заклинивание абразива между роторами и корпусом характерно не только для коловратного насоса, но и для любого шестеренного насоса – между зубьями шестерен и корпусом, и для винтовых насосов – между поверхностью гребня винта и поверхностью расточки корпуса.
 
     Данный недостаток объясняется крайне неудачной геометрией набегающей поверхности ротора, вытекающей опять же, из ранее выбранного принципа встречного вращения роторов. Необходимая геометрия поверхности, способной сдвигать конгломерат абразивных частиц  хорошо известна, например, в конструкции отвала бульдозера – Рис.5.

     Нож бульдозера имеет отрицательный угол наклона к поверхности, а тыльная часть ножа имеет с этой поверхностью острый угол. Движение режущей кромки ножа вперед (по стрелке) приводит к тому, что конгломерат абразивных частиц сортируется на фракции – более мелкая фракция проходит под ножом, и заклинить уже не может, так как у ножа имеется затыловочный острый угол и абразивные частицы попадают в увеличивающийся зазор, а более крупные частицы перекатываются по поверхности, не прижимаемые сверху, так как передняя поверхность ножа имеет отрицательный угол наклона к поверхности.

    Режущая кромка принципиально является концентратором приложения силы и основой любого режущего и рубящего инструмента.
    Но в роторных машинах со встречным вращением роторов выполнить переднюю по ходу вращения поверхность ротора с описанной геометрией поверхности невозможно, так как заклинивание абразива между роторами будет отгибать режущую кромку к центру ротора (описано выше и показано на Рис.2).
 
      В отличие от машин встречного вращения, у машины попутного вращения нет заклинивания абразивных частиц между роторами, и это позволяет выполнить на передней по ходу вращения поверхности выступающую режущую кромку с описанной геометрией, предусмотрев понижение профиля роторов на противолежащей от кромки стороне ротора.

      Еще одним положительным моментом машин попутного вращения является возможность жесткой синхронизации вращения валов машины без использования шестерен. Разумеется, возможно решение механизма синхронизации вращения с помощью паразитной шестерни, но есть технологически более простое решение, одновременно обеспечивающее меньший люфт и более высокий КПД механизма – на валах установлены (либо выполнены заодно с валом) по две эксцентриковые шейки под углом в четверть оборота вала друг к другу, связанные двумя шатунами. Один из валов связан с механизмом привода машины и является ведущим. Полученный механизм синхронизации имеет только трение качения (более высокий КПД) и технологически значительно проще, так как не требуется зуборезного оборудования.

                Заключение

      Предложена конструктивно простая роторная машина, содержащая корпусные детали и два вращающиеся вала. На передней поверхности каждого ротора имеется нож с режущей кромкой, имеющей отрицательный наклон. Принцип действия машины исключает заклинивание абразивных частиц между роторами, а отрицательный наклон ножа – также и между ротором и корпусом машины. Форма роторов задана тремя радиусами  и  проста для изготовления.
      В настоящий момент автору неизвестна ни одна конструкция роторного насоса с жесткими роторами, способная конкурировать с предложенным решением.

       Принципиальные отличия предлагаемых роторных машин попутного вращения от роторных машин встречного вращения:

1. Отсутствие заклинивания твердых частиц, присутствующих в перекачиваемой среде, между роторами машины.
2. Отсутствие заклинивания твердых частиц, присутствующих в перекачиваемой среде, между роторами и корпусом машины, противостояние пластичным загрязнениям и налипанию отложений на стенки расточек корпуса.
3. Возможность перемалывания втянутого льда, мелкого мусора и частиц растений режущими кромками роторов.
4. Простая геометрия роторов - технологичность, возможность  замены режущих кромок (ресурс).
5. Отсутствие трущихся деталей.
6. Возможность получения гладкой характеристики подачи рабочего тела (или крутящего момента).
7. Возможность работы с высокими давлениями (жесткость конструкции).
8. Возможность работы в большем диапазоне температур (нет эластичных элементов).
               
                Наиболее перспективные области применения.
1. Насосы для аварийной откачки жидких и вязких сред с высоким содержанием абразива.
2. Добыча вязкой нефти, бурение и гидроразрыв пласта.
3. Вентиляция – малогабаритные малошумящие вентиляторы высокого давления.
4. Отопление – малошумящие вентиляторы наддува печи, дымососы.
5. Бытовая техника – пылесосы.
6. Модификации машины с внутренним сжатием (расширением) могут найти широкое применение для утилизации ВЭР.



    Данная форма роторов защищена патентом РФ 2542644.

Матвеев А.Л. г.Рубцовск 2017 г.
8-913-081-2353
79130812353@ya.ru

При использовании материалов ссылка на автора публикации обязательна.