Розділ 1 аналіз відомих науково-технічних розробок та досліджень в галузі насосних агрегатів та їх приводів

1.1. Аналітичний огляд конструкцій насосних агрегатів та галузі їх використання

Класичним підходом до класифікації насосних агрегатів є їх поділ за принципом дії на об’ємні, динамічні та спеціальні (струменеві, газліфти, електромагнітні) [83]. Практично, при виборі типу насосного агрегату необхідно врахувати вид ПС, а також такі фактори як температура і в’язкість цього середовища. Від фізичних та хімічних властивостей ПС залежить конструкція насоса, принцип його роботи, а також вибір матеріалу. З огляду на це, згідно [105], розрізняють насоси для чистих та малозабруднених рідин, забруднених рідин та суспензій, малозагазованих рідин, газорідинних сумішей, агресивних рідин, рідких металів тощо.

Насоси, що розглядаються за їх функціональним призначенням, можна віднести до галузевих. Значна частка цих насосів має обмежене застосування і розглядається в різних класифікаціях як “інші насоси”. Вони не входять до переліку “лопатевих - відцентрових, осьових і вихрових” чи “об’ємних -роторних і поршневих” насосів, а тому іноді всі ці насоси називають “насосами галузевого призначення” [76].

Особливості конструкції і принцип дії різних насосів визначають діапазони подачі і напору, в межах яких доцільно використовувати насоси того або іншого типу, та галузі їх застосування. Не зважаючи на досить велику кількість конструкцій насосів, є ряд середовищ, перекачування яких традиційними засобами в ряді випадків неефективне, пов'язане з додатковими витратами або різного роду складнощами. До таких середовищ відносяться високов'язкі, абразивовмісні, хімічно активні, газонасичені, токсичні, летючі, радіоактивні, сильно забруднені та такі, що містять велику кількість твердої фази, волокнистих включень тощо [105, 179].

У нафтовій промисловості, зокрема, актуальними є проблеми, пов'язані з перекачуванням різного роду шламів, в тому числі: нафтовмісних, з резервуарів і відстійників; перекачуванням високов'язких нафтопродуктів; дозованою подачею шкідливих або хімічно активних реагентів в різних технологічних процесах; збиранням розлитих нафтопродуктів з поверхні землі або води тощо [96]. Для відкачування відкладень з резервуарів застосовують ежектори, відцентрові, поршневі, перистальтичні та шестеренні насоси, які мають свої недоліки. При роботі ежектора робоча рідина змішується з перекачуваними відкладеннями, що заважає подальшій ефективній їх утилізації. Використання відцентрових насосів, при всіх їх перевагах, таких як висока продуктивність, рівномірність подачі, компактність і швидкохідність, призводить до швидкого виходу з ладу цих насосів через надмірну забрудненість відходів [44, 159]. До недоліків відцентрових насосів слід також віднести зменшення продуктивності при збільшенні опору у всмоктувальному та нагнітальному трубопроводах і різке зниження ККД при зменшенні продуктивності. Відцентрові насоси невеликої і середньої продуктивності мають ККД на 10 – 15 % нижче, ніж поршневі. Це обумовлено наявністю великих зазорів між порожнинами всмоктування і нагнітання, через які можливе перетікання рідини, а також втратами енергії на вихроутворення поблизу кромок лопатей робочого колеса [189]. Такі втрати різко зростають для високов'язких рідин, перекачування яких відцентровими насосами, внаслідок різкого зниження ККД, економічно недоцільне.

В порівнянні з відцентровими, поршневі насоси мають складнішу конструкцію та великі габарити, значну масу на одиницю виконаної роботи, а також є тихохідними [74, 78], проте, вони мають порівняно високий ККД та відрізняються незалежністю подачі від напору, що дозволяє використовувати їх як дозатори. Поршневі насоси можуть створювати при нагнітанні рідини тиск 10 МПа і більше [63, 83]. Наприклад, в даний час для відкачування нафтопродуктів ще досить широко використовують поршневі бурові насоси типу НБ-32, які недостатньо ефективні для даних умов експлуатації. Деталі насоса піддаються абразивному та хімічному впливу ПС. Такі насоси мають складну конструкцію, велику масу (1100 кг без привода) і габарити, окрім того, вони розраховані на створення високого тиску (до 4 МПа) і, відповідно, мають велику потужність (32 кВт) [63, 96, 97]. В поршневих насосах також потрібно відмітити такі недоліки, як складна система ущільнень та герметизації, і, відповідно, необхідність виготовлення деталей насосів з високим ступенем точності, а також забезпечення їх точного монтажу; внаслідок контакту ПС з робочим органом – поршнем останній необхідно виготовляти з високовартісних корозійностійких матеріалів.

В нафтових резервуарах накопичується шар донних відкладень, який може складати до 10 % від загального об’єму резервуара. Відкладення є в’язкою пастоподібною масою з вмістом емульсованої води 5 – 40 % і механічних домішок 1 – 15 %. Все інше – нафтопродукт з підвищеним вмістом парафіну 10 – 20 % і асфальто-смолових компонентів нафти [111]. Зважаючи на високу в’язкість і підвищений вміст домішок, такі відкладення погано піддаються перекачуванню. При зборі розлитих нафтопродуктів з поверхні землі або води їх перекачування пов’язане з суттєвими ускладненнями внаслідок підвищеного вмісту в їх складі твердих часток (пісок, ґрунт тощо) і волокнистих включень (трава, водорості). Застосування самовсмоктувальних насосів мобільних машин або електричних занурювальних насосів не завжди можливе і безпечне.

Для таких експлуатаційних умов найбільш ефективним технічним рішенням може стати використання мембранних насосів [78]. Останнім часом в багатьох країнах світу ці насоси починають отримувати все більше розповсюдження та за інформаційними даними, є типом сучасних насосів, що найбільш швидко розвиваються [199, 202]. Тому, необхідне подальше вдосконалення існуючих і розробка нових насосних агрегатів діафрагмового або мембранного типу, що приводяться у зворотно-поступальний рух за допомогою приводів різного виду. Мембранні насоси за формою робочого органу можна поділити на: мембранні, сильфонні, циліндричні та сферичні. На відміну, наприклад, від найбільш близьких, з огляду герметичності, перистальтичних насосів, в мембранних насосах ступінь деформації робочого органа – мембрани, менший, а тому ресурс їх роботи вищий. Крім того, в перистальтичному насосі негативно впливає тертя між робочим органом та елементом витіснення ПС [96]. Аналогічний недолік властивий також ще й насосам з циліндричними мембранами. В робочому циклі картина деформацій і напружень в циліндричній мембрані залишається неясною, оскільки така мембрана не працює на розтяг, а тому з часом виникають зони росту тріщин і мембрана руйнується [149, с. 83].

Насосні агрегати при їх експлуатації в особливо несприятливих умовах (наприклад, в хімічній, нафтовій та інших галузях промисловості) повинні мати певні гарантовані характеристики з огляду електро- і пожежобезпеки. Важливою є також розробка таких приводів насосів, які давали б можливість плавної дистанційної зміни їх кінематичних і динамічних параметрів.