В каждой трубопроводной системе есть свое сердце – насос, который перекачивает рабочую среду – жидкость или газ согласно логистике, установленной в сети арматуры. Существует более десятка разных типов насосов, которые перемещают рабочую среду по трубопроводам, затрачивая энергию не только на перемещение среды по трубам, но и на её взаимодействие с деталями самого насоса.
Так, поршневой насос расходует энергию на перемещения поршня как во время рабочего хода, создавая давление в трубопроводе, так и во время холостого хода для заполнения рабочего объема при своем дискретном режиме работы.
Центробежный насос не только разгоняет лопатками рабочего колеса поток и закручивает его в напорный трубопровод, но и расходует дополнительную энергию для изменения на 90° направления движения среды от входа на выход через рабочее колесо, на трение среды о диск рабочего колеса и замкнутую поверхность корпуса улитки.
Наилучшую эффективность работы имеет осевой насос, у которого среда идет без резких изгибов проточного тракта, но также имеются потери на трение на стенках трубы при движении среды от входа на выход, на противоток среды между концами лопастей и корпусом, дополнительное трение о втулку крепления лопастей, установка которой уменьшает действующее рабочее сечение трубопровода.
Кроме этих внутренних недостатков от гидравлических потерь все типы насосов имеют сборную механическую конструкцию, состоящую из трех разных частей: двигателя, корпуса самого насоса и системы передачи вращающего момента на рабочий орган – вал поршневого насоса, или на рабочее колесо в улитке центробежного насоса или лопасти в осевом насосе.
Все части приходится центровать по оси вращения, прочно крепить на специальной консоли, предусматривать систему смазки, что увеличивает общий вес конструкции, расходы на монтаж всего агрегата и общую стоимость устройства.
В настоящее время в асинхронных двигателях в ярмо короткозамкнутого ротора впрессовывается массивный вал для передачи вращающего момента двигателя через подшипники в щитах на сам насос. Затем обе части соединяются этим валом, тщательно центруются и крепятся на консоли. Эта конструкция имеет значительный вес, требует точной центровки оси вращения двигателя с осью вращения насоса, потому что любой дисбаланс рабочего органа насоса от износа компрессионных колец поршня, от кавитации или налипания фрагментов рабочей среды на лопасти рабочего колеса приводит к вибрации и разрушению подшипников как двигателя, так и насоса. Весь агрегат требует частого техобслуживания и контроля работоспособности.
В этой связи целесообразно использовать насос с полым валом ротора, готовая демонстрационная модель которого представлена на рисунке 1. Предлагаемая модель представляет собой единый блок-насос на основе самого распространенного асинхронного двигателя со ступенчатым изменением скорости вращения ротора за счет переключения пар полюсов статора, что позволяет менять производительность перекачки рабочей среды.
На данную модель насоса существует Патент Российской Федерации № 146402 (рис. 2).
Этот блок-насос имеет много преимуществ: он меньше по габаритам, легче по весу, проще в техобслуживании и ДЕШЕВЛЕ в производстве, чем модели российского производства, представленные на рисунках 3, 4, 5, и модели иностранного производства, изображенные на рисунках 6, 7, 8.
Осевой насос европейского производства (рис. 9) можно соотнести с предлагаемым блок-насосом (Патент № 146402) по размерам и весу, однако он в 3-4 раза дороже насоса российского производства.
Рассмотрим принцип действия насоса с полым валом ротора более подробно. Внутри ротора двигателя (рис. 10) за счет уменьшения толщины ярма (рис. 11) вместо массивного тяжелого вала впрессована труба (рис. 12) с закрепленным внутри рабочим колесом (рис. 13), которое при необходимости легко менять. Труба вращается в подшипниках корпуса электродвигателя, и через простые кольцевые или торцевые уплотнения (рис. 14) входит во фланцы (рис. 15), которые соединяются с трубопроводами. Для повышения напора рабочей среды и повышения эффективности работы во фланцах устанавливаются выправляющие устройства. Чтобы изменить направление перекачки рабочей среды в трубопроводе достаточно переключить фазы питания электродвигателя и открыть/закрыть необходимые клапаны.
Внутри предлагаемого блок-насоса рабочая среда движется прямоточно через одинаковое рабочее сечение трубопровода и насоса. Это уменьшает общее трение внутри любой напорной сети, т. к. отсутствует большая поверхность цилиндров и цикличность напора (которая существует в поршневом насосе), нет изогнутой замкнутой поверхности улитки и диска с лопатками (как в центробежном насосе), нет приводного вала и центральной втулки для крепления лопастей (как в осевом насосе). Эти преимущества предлагаемого насоса с полым валом ротора и установленным внутрь его рабочим колесом сокращают потребление энергии до 25 % по сравнению с другими моделями, особенно с центробежными насосами.
Насос собирается одним блоком на заводе, проходит испытания на всех режимах на стенде, и отправляется заказчику готовым для установки на рабочее место, остается лишь закрепить на фланцы трубопровода. При этом вес блок-насоса небольшой, что облегчает монтаж в отдаленные места всей трубопроводной сети.
В настоящее время в Липецкой области на электромеханическом заводе изготавливают линейку асинхронных электродвигателей (мощностью от 50 Вт до 400 кВт), и готовятся к выпуску промышленного образца блок-насоса с полым валом ротора.
Естественно, возникает вопрос о применении такого насоса в быту (в обычном хозяйстве) и на производстве. Маленький легкий блок-насос мощностью 50 Вт незаменим на даче, в сельском подворье, на ферме для заполнения емкостей водой из близлежащего водоема, а для подачи воды в нужное место достаточно просто повернуть клапан из положения наполнения в положение полив и переключить фазы. Трубы менять нет необходимости!
Насосом с двигателем мощностью 200 кВт можно перекачивать 5 000 м3/час сточных ливневых вод или снабжать водой населенные пункты с 25 %-й экономией энергии по сравнению с промышленным насосом ОВ5-55 К массой 2 100 кг, напором 11 м и КПД 84 %.
Для создания высоких напоров для перекачки воды или нефтепродуктов необходимо установить в насос рабочее колесо диагонального типа, а обороты асинхронного двигателя (до 3 000 об./мин) позволят перекачивать на большие расстояния необходимые объемы между насосными станциями по трубопроводам. В море на супертанкерах осевые насосы производительностью 4-5 тыс. м3/час применяются сейчас для балластных операций. Для этого дополнительно запускают судовые дизель-генераторы, расходуют дорогое топливо. Уменьшение потребления энергии на перекачку десятков тысяч тонн балласта приведет к экономии топлива для судовой электростанции до 25 %, и снизит загрязнение атмосферы. Таким образом, хорошо в мире живет тот, кто тратит не МНОГО, а РАЗУМНО.
Желающие приобрести блок-насос для собственных нужд могут обратиться в редакцию журнала, автор статьи предоставит реквизиты завода-изготовителя.
