Объёмный насос¶

Объёмный насос — это тип гидравлической машины, в которой перемещение жидкости (или газа) осуществляется за счёт периодического изменения объёма рабочей камеры, отделённой от входа и выхода. В отличие от динамических насосов (например, центробежных), объёмные насосы создают напор не за счёт инерции потока, а за счёт вытеснения жидкости из замкнутого пространства. Они способны работать с высокими давлениями, обеспечивают постоянную подачу при изменении сопротивления сети и обладают свойством самовсасывания (у большинства типов).

¶Принцип действия

Работа объёмного насоса основана на цикличном изменении объёма рабочей камеры. В первой фазе (всасывание) объём камеры увеличивается, давление в ней падает ниже атмосферного, и жидкость поступает из всасывающего трубопровода. Во второй фазе (нагнетание) объём камеры уменьшается, жидкость вытесняется в напорный трубопровод. Клапаны или запирающие элементы (золотники, поршни, роторы) предотвращают обратный переток.

Важнейшая характеристика — подача (объём жидкости, вытесняемой за один цикл), которая теоретически не зависит от давления на выходе. На практике подача несколько снижается из-за утечек через зазоры (объёмный КПД).

¶Классификация

Объёмные насосы делятся на две основные группы: возвратно-поступательные (поршневые, плунжерные, диафрагменные) и роторные (вращательные).

¶Возвратно-поступательные насосы

В этих насосах рабочий орган (поршень, плунжер или диафрагма) совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение. Жидкость всасывается и нагнетается через клапанную систему.

• Поршневые насосы. Поршень (диск с уплотнительными кольцами) движется в цилиндре. Обеспечивают высокие давления (до 1000 атм и более), но имеют пульсирующую подачу. Применяются в гидроприводах, нефтедобыче, водоснабжении.
• Плунжерные насосы. Плунжер (длинный цилиндрический стержень) движется в уплотнительном сальнике. Отличаются от поршневых меньшим трением и возможностью создания сверхвысоких давлений (до 3000 атм). Используются в гидроабразивной резке, очистке поверхностей, в химической промышленности.
• Диафрагменные (мембранные) насосы. Поршень воздействует на гибкую диафрагму (мембрану), которая отделяет рабочую камеру от привода. Жидкость контактирует только с диафрагмой и корпусом, что позволяет перекачивать агрессивные, абразивные, вязкие или токсичные среды. Герметичны, не требуют смазки в проточной части. Широко применяются в химической, пищевой, фармацевтической промышленности, а также в системах дозирования.

¶Роторные насосы

В роторных насосах рабочий орган (ротор) совершает вращательное или планетарное движение. Клапаны отсутствуют, запирание камер осуществляется за счёт геометрии ротора и корпуса.

• Шестерённые насосы. Две или более шестерни вращаются в корпусе. Жидкость захватывается впадинами зубьев и переносится от всасывающей к нагнетательной полости. Просты, компактны, надёжны. Используются в системах смазки, гидроприводах, для перекачки масел и топлива.
• Винтовые насосы. Один или несколько винтов (шнеков) вращаются в обойме. Обеспечивают плавную, равномерную подачу, низкий уровень шума, способны перекачивать вязкие жидкости (нефть, битум, пасты). Бывают одно-, двух- и трёхвинтовые.
• Пластинчатые (шиберные) насосы. В роторе с эксцентриситетом относительно корпуса установлены пластины (шиберы), которые под действием центробежной силы или пружин прижимаются к корпусу. Камеры между пластинами изменяют объём. Используются в гидроусилителях руля, в станках, в системах кондиционирования.
• Кулачковые (роторно-поршневые) насосы. Роторы с профилированными кулачками (например, в форме «восьмёрки») вращаются синхронно. Обеспечивают высокую точность дозирования, способны перекачивать вязкие и абразивные среды. Применяются в пищевой промышленности (шоколад, пасты), в фармацевтике.
• Перистальтические насосы. Жидкость перемещается по гибкому шлангу, который пережимается роликами или башмаками на вращающемся роторе. Полностью герметичны, не имеют контакта с механизмом, обеспечивают точное дозирование. Используются в медицине (инфузионные насосы), в лабораториях, в химической промышленности для перекачки стерильных или агрессивных сред.

¶Характеристики и параметры

Основные технические параметры объёмных насосов:

• Подача (Q) — объём жидкости, вытесняемой в единицу времени (м³/ч, л/мин). Зависит от рабочего объёма камеры и частоты циклов.
• Давление (P) — максимальное давление на выходе, которое способен создать насос (МПа, бар, атм). Ограничено прочностью корпуса, уплотнений и мощностью привода.
• Объёмный КПД (η_об) — отношение фактической подачи к теоретической. Учитывает утечки через зазоры и клапаны. Обычно составляет 0,85–0,98.
• Мощность (N) — потребляемая мощность привода (кВт). Рассчитывается по формуле: N = (Q × P) / (η_об × η_мех), где η_мех — механический КПД.
• Коэффициент пульсации — степень неравномерности подачи. Минимальна у винтовых и перистальтических насосов, максимальна у одноцилиндровых поршневых.
• Самовсасывание — способность насоса удалять воздух из всасывающей линии и создавать разряжение. Большинство объёмных насосов обладают этим свойством, но для некоторых (например, шестерённых) требуется заливка перед пуском.

¶Применение

Объёмные насосы востребованы в отраслях, где требуется:

• Высокое давление — гидроприводы (прессы, экскаваторы, подъёмники), гидроабразивная резка, очистка поверхностей (аппараты высокого давления).
• Точное дозирование — химическая промышленность (дозирование реагентов), фармацевтика (наполнение ампул), пищевая промышленность (добавление ароматизаторов, красителей).
• Перекачка вязких и абразивных сред — нефтяная и газовая промышленность (нефть, битум, шлам), строительство (бетон, цементный раствор), горнодобывающая промышленность (пульпа, рудная мелочь).
• Герметичность и стерильность — медицина (инфузионные насосы, аппараты искусственного кровообращения), пищевая промышленность (молоко, пиво, соки), фармацевтика.
• Работа с агрессивными жидкостями — химическая промышленность (кислоты, щёлочи, растворители). Для этих целей часто применяют диафрагменные и перистальтические насосы.

¶Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокое давление (до 3000 атм и более).
• Постоянная подача при изменении сопротивления сети.
• Самовсасывание (у большинства типов).
• Возможность работы с вязкими, абразивными и агрессивными средами.
• Точное дозирование (у некоторых типов).

Недостатки:

• Пульсирующая подача (особенно у поршневых и диафрагменных).
• Сложность конструкции и высокая стоимость (по сравнению с центробежными насосами).
• Чувствительность к загрязнениям (зазоры в роторных насосах).
• Ограниченная производительность (по сравнению с динамическими насосами).
• Необходимость в предохранительных клапанах (при перекрытии напорной линии давление может превысить допустимое).

¶История

Прообразы объёмных насосов известны с древности. В III веке до н. э. Архимед описал винт Архимеда — устройство для подъёма воды, которое можно считать прототипом винтового насоса. В I веке до н. э. римский инженер Витрувий описал поршневой насос с двумя цилиндрами, использовавшийся для пожаротушения.

В эпоху Возрождения Леонардо да Винчи разработал проекты различных поршневых и роторных насосов. В XVIII веке, с развитием паровых машин, поршневые насосы стали основным типом для водоснабжения и промышленности. В XIX веке появились шестерённые и винтовые насосы. В XX веке, с развитием гидравлики и химической технологии, были созданы диафрагменные, пластинчатые, кулачковые и перистальтические насосы.

В России и СССР объёмные насосы активно разрабатывались с 1930-х годов. Были созданы мощные поршневые насосы для нефтяной промышленности, шестерённые насосы для станкостроения, винтовые насосы для перекачки вязких нефтепродуктов. В послевоенные годы советские инженеры (например, В. И. Ануфриев, А. М. Гольдберг) внесли значительный вклад в теорию и расчёт объёмных насосов.

¶Интересные факты

• Самые мощные объёмные насосы в мире — поршневые насосы для гидроразрыва пласта (ГРП) в нефтедобыче. Они могут развивать давление до 1500 атм и подачу до 10 м³/мин.
• Перистальтические насосы используются в медицине для переливания крови и введения лекарств, так как они не повреждают клетки крови и обеспечивают стерильность.
• Винтовые насосы способны перекачивать жидкости с содержанием твёрдых частиц до 50% по объёму (например, шлам, пульпу).
• Диафрагменные насосы могут работать «на сухую» без повреждения, так как диафрагма не требует смазки перекачиваемой жидкостью.

¶Источники

• Башта Т. М. «Гидравлика, гидромашины и гидроприводы». — М.: Машиностроение, 1982.
• Лойцянский Л. Г. «Механика жидкости и газа». — М.: Дрофа, 2003.
• «Насосы. Справочное пособие» / Под ред. В. И. Ануфриева. — М.: Машиностроение, 1990.
• ГОСТ 17398-72 «Насосы. Термины и определения».
• «Объёмные гидромашины» / Под ред. Ю. А. Беленкова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005.