Статья из журнала "Наука и Жизнь" - Современные насосы: акцент на герметичность", авторы Алексей Кобзев, Антон Шевкопляс, инженеры

Авторы: Алексей Кобзев, Антон Шевкопляс, инженеры

Насос — один из самых древних механизмов, созданных человеком для перекачивания воды. Русское название «насос» взамен иностранного названия «помпа» придумал Михаил Васильевич Ломоносов. Насосы отличаются от других старинных водоподъёмных устройств, например водоподъёмного колеса и нории. Первое представляло собой деревянное колесо с закреплёнными на нём вёдрами, которое крутили люди. А один из видов нории (от арабского слова, означавшего «водокачка») выглядел как движущаяся верёвка или цепь с ковшами. В Древнем Египте уже 3000 лет назад с помощью норий поднимали воду с глубины до 100 метров.

История не сохранила имени изобретателя, поместившего норию в жёлоб и заменившего ковши на диски или шары, которые при движении гнали воду по жёлобу. Так, по сути, был создан первый насос объёмного типа. Кстати, когда человек лопатой гонит воду по канаве, он использует тот же принцип. По крайней мере, с III века до н. э. люди используют для подачи воды так называемый винт Архимеда — винт, помещённый в деревянную трубу. Подобная конструкция используется в современных мясорубках. Скорее всего, Архимед усовершенствовал уже существовавший механизм. Винт Архимеда применялся вплоть до начала ХХ века.

Первый известный поршневой насос был изобретён древнегреческим механиком Ктесибием из Александрии, жившим в III веке до н. э. Изготовленный из бронзы, он имел все основные элементы современного насоса: цилиндр, поршень (плунжер) и клапаны. Такой насос был способен создавать сильную струю воды, поэтому он и его усовершенствованные версии служили в Древней Греции и Риме в первую очередь для тушения пожаров, но не только. Ученик Ктесибия, известный механик и изобретатель Герон Александрийский, в своём трактате писал, что пожарный насос изготавливается подобно колодезным. Насос Ктесибия был слишком совершенен, чтобы быть первым механизмом подобного рода, тем более что объяснение того, почему вода следует за поршнем — «природа не терпит пустоты», — встречается ещё у Аристотеля, жившего в 384—322 годах до н. э. Но сведения о более ранних конструкциях до нас не дошли.

В Средние века и Новое время поршневые насосы широко применялись в горнорудных производствах для откачки воды из шахт.

Несмотря на то, что насосы с вращательным движением элементов способны развивать мощность на треть больше, чем с возвратно-поступательным, они долгое время не разрабатывались. Лишь в XV веке у Леонардо да Винчи возникла идея центробежного насоса, в котором вода при взаимодействии с вращающимися лопастями движется от центра к краям. В 1558 году несколько конструкций насосов описал в своей книге итальянский военный инженер и механик Агостино Рамелли. Две из них применяются и поныне. Но первую работающую конструкцию роторного насоса (с вращающимися зубчатыми колёсами) в начале XVII века создал ректор иезуитского колледжа в Лотарингии Иоганн Лейрехон, а центробежного насоса — в 1689 году французский физик Дени Папен. Насос Папена состоял из двухлопастного колеса, вращающегося в кожухе. О большом интересе учёных к этой проблеме в то время говорит то, что обоснованием теории центробежных машин занимался знаменитый математик Леонард Эйлер.

Однако отсутствие мощных и быстрых двигателей делало подобные насосы неконкурентоспособными и в целом тормозило развитие этого вида техники. Кстати, первые реально используемые паровые машины в XVIII веке были созданы именно для приведения в движение насосов для откачки воды из угольных и рудных шахт. Первую паровую машину для привода поршневого насоса создал в 1705—1712 годах английский изобретатель Томас Ньюкомен.

Использование современных материалов, двигателей и технологий стремительно ускоряет дальнейшее развитие насосов. В настоящее время насосный агрегат — сложнейшее устройство, включающее в себя механические и электрические компоненты, а также системы мониторинга и контроля.

Современные насосы работают не только с водой, но и с другими жидкостями, в том числе загрязнёнными различными веществами. Новые технологические процессы предъявляют к насосам всё более высокие требования. На данный момент одна из самых сложных задач, которые решают разработчики насосов, — это перекачка опасных жидкостей. Ведь в случае ядовитой или огнеопасной жидкости необходимо обезопасить как человека, так и окружающую среду от любых утечек. Также не стоит забывать, что каждая утечка ведёт к потере продукта, а значит, и к финансовым потерям, особенно существенным при высокой стоимости продукта. Именно поэтому новый виток в развитии конструкции насосов связан с герметичными насосами.

Посмотрим, где происходит утечка, на примере наиболее распространённого центробежного насоса. В таком насосе вал, закреплённый в подшипниках, вращается вместе с установленным на нём рабочим лопастным колесом. Двигатель же расположен снаружи. Утечка происходит там, где вал выходит из корпуса насоса, в местах контакта вращающейся и неподвижной его частей. Именно это место необходимо герметизировать или, как говорят специалисты, уплотнить.

В ранних моделях современных насосов использовали так называемые сальниковые устройства. Они представляют собой камеру с внешней стороны корпуса в том месте, где вал выходит наружу. Вокруг вала укладывали уплотнительный материал — набивку. Затем с помощью специального устройства (в простейшем случае — гайки) набивку сжимали, прижимая к стенкам камеры и к валу, тем самым не позволяя жидкости вытекать из насоса. Название «сальник» сохранилось с тех времён, когда в качестве набивки использовалась пропитанная жиром пенька. Сейчас применяют шнуры круглого или квадратного сечения из эластичного материала. Недостаток сальниковых устройств — трение вала о набивку, что приводит к их недолговечности.

Со времён Второй мировой войны сальниковые устройства практически везде успешно заменяют торцевыми механическими уплотнениями. Теперь они обеспечивают герметизацию насоса, разделяя две среды. Познакомимся с их конструкцией поближе.

Главными элементами уплотнения служат два кольца: подвижное, которое вращается вместе с валом, и неподвижное, которое прикреплено к корпусу насоса штифтом. Неподвижное кольцо вала не касается, что позволяет избежать износа; поэтому герметичность обеспечивается соприкосновением поверхностей этих колец, образующих так называемую пару трения, которая также называется основным уплотнением. Эти два кольца — единственные трущиеся элементы в данном устройстве. Зазор между их поверхностями равен высоте шероховатости этих поверхностей и, как правило, не превышает одной миллионной доли метра. В правильно работающей паре трения между поверхностями трения должна присутствовать тончайшая плёнка жидкости, обеспечивающая их смазку и отвод тепла.

Выбор материалов колец уплотнения — задача непростая. Кольца должны обладать достаточной прочностью и износостойкостью, чтобы выдержать воздействия во время работы насоса, а также химической стойкостью к перекачиваемой среде. Кроме того, пары трения должны выдерживать высокие температуры, возникающие из-за трения. Таким образом, кольца пары трения — сложнейшие изделия, для разработки которых необходимы теоретические и расчётные методы механики, термодинамики, гидравлики и трибологии. Принимая во внимание малость зазора между кольцами, изготовление современных торцевых уплотнений попадает в разряд нанотехнологий.

Для обеспечения необходимого контакта подвижное кольцо прижимается к неподвижному кольцу пружиной, блоком пружин или сильфоном (так называют упругую однослойную или многослойную гофрированную оболочку из металлических, неметаллических и композиционных материалов). Для дополнительной герметизации используются вторичные уплотнения, представляющие собой кольца круглого сечения из эластомера.

Описанное торцевое уплотнение называют по количеству пар трения одинарным. Оно не исключает утечку перекачиваемой среды, а лишь минимизирует её. Дальнейшее развитие технологии уплотнительной техники привело к появлению двойных торцевых уплотнений, для которых используются различные вспомогательные системы, также называемые «планами промывки» или «планами трубопроводной обвязки». В область уплотнения, расположенную между двумя парами трения, подаётся специальная жидкость, называемая барьерной. Её давление должно быть выше давления перекачиваемой среды в области уплотнения. Таким образом обеспечивается герметичность при работе. Кроме того, барьерная жидкость образует необходимую плёнку на парах трения, отводя тепло и обеспечивая смазку в том случае, если перекачиваемая жидкость не имеет необходимых свойств. Например, вода теряет свои смазывающие свойства при температуре около 80°C.

Двойные уплотнения с барьерной жидкостью позволяют исключить утечки, но достаточно дороги и сложны в обслуживании. Кроме того, пары трения через некоторое время выходят из строя из-за износа. Их постоянно необходимо проверять и заменять.

Однако не только торцевые уплотнения помогают избежать утечки. Развитие электромеханики и теории электромагнетизма позволило взглянуть на конструкцию насоса по-другому, в результате чего появились насосы, в принципе исключающие контакт перекачиваемой жидкости с внешней средой, — это насосы с магнитной муфтой и насосы с «мокрым ротором». Напомним, что ротором называется вращающаяся часть машин, а муфтой — устройство, соединяющее вращающиеся части машин (например, валы) для передачи вращения.

Принцип действия насосов с магнитной муфтой основан на передаче крутящего момента от двигателя рабочему колесу насоса с помощью постоянных магнитов из редкоземельных металлов (см. рисунок). Двигатель вращает вал с закреплёнными на нём ведущими магнитами, которые находятся снаружи герметичного корпуса насоса. Движение ведущих магнитов заставляет вращаться ведомые магниты, которые расположены внутри корпуса насоса и соединены с рабочим колесом.

Поскольку вращение передаётся на расстоянии, в корпусе насоса нет отверстий, ведущих наружу, соответственно нет и утечек. Более высокая цена насосов с магнитной муфтой связана с дороговизной материалов, из которых изготовлены магниты. Как правило, они делаются из сплавов неодима, кобальта и самария. Наиболее эффективным сейчас считается сплав NdFeB (неодим-железо-бор). Зато срок службы таких магнитов составляет десятки, а то и сотни лет, намного больше, чем у самого насоса.

Насос с «мокрым ротором» представляет собой механизм, совмещающий электродвигатель и классический центробежный насос. По принципу работы он аналогичен насосу с магнитной муфтой, только роль магнитов выполняют катушки (обмотки) статора (неподвижной части электродвигателя) и ротора. Мокрым он называется потому, что ротор, защищённый от замыкания специальным цилиндром (рубашкой), находится внутри корпуса насоса в перекачиваемой жидкости, которая одновременно смазывает и охлаждает подшипники. На валу ротора закреплено рабочее колесо. Крутящий момент от «сухих» обмоток статора передаётся через герметичную оболочку, позволяющую избежать утечек. Такая конструкция делает насос очень компактным с минимумом деталей. Правда, из-за того, что катушки статора и ротора разделены несколькими перегородками, коэффициент полезного действия таких насосов относительно невысок. Это приводит к повышенному расходу электроэнергии.

Как видим, существует несколько вариантов обеспечения полной герметичности насосов. В зависимости от свойств перекачиваемых жидкостей, условий эксплуатации и экономической целесообразности специалисты выбирают нужную конструкцию. Стремительное развитие как технологий, применяемых при производстве торцевых уплотнений, так и технологий, связанных с электромагнитным полем, определит в дальнейшем вектор развития насосной техники.