1.4. Відомі конструкції насосів з гідравлічним приводом

Насоси з гідравлічним приводом ще досить обмежено представлені на вітчизняному ринку, тоді як в багатьох країнах світу, зокрема, в Німеччині, США, Італії, Норвегії та інших країнах завдяки своїм перевагам вони знайшли широке застосування в багатьох галузях промисловості. Сьогодні в багатьох розвинених країнах насоси з гідроприводом випускаються рядом фірм: Feluwa Pumpen GMBH (Німеччина), Milton Roy (США), Alemite (США), Maritime Hydraulics (Норвегія), Wagner, Dellmeco, FlowMaster, Graco, Tapflo, Wilden Pump & Engineering, Grundfos, Maxroy (США) та ін. [75, 104, 176, 202]. Ці насоси широко застосовуються в різних галузях промисловості, і, зокрема, для відкачування в'язких, корозійно-активних і забруднених середовищ з резервуарів і відстійників, для збору розлитих нафтопродуктів, для перекачування бурового розчину і будівельних цементних сумішей, а також як насоси-дозатори в різних технологічних процесах хімічної, харчової та інших галузях промисловості.

В таблиці 1.2 наведені порівняльні дані деяких насосних агрегатів з гідравлічним і механічним приводом, які призначені для перекачування високов’язких, агресивних та абразивовмісних середовищ.

Коефіцієнт К₁ – показник якості конструкції, який визначався за формулою, кг/кг [149]:

,

де m_р – маса рідини, що перекачується за один робочий цикл, кг;

G – маса насосного агрегату, кг.

Коефіцієнт К₂ – показник питомої енергоємності, кВт/кг [149]:

,

де pQ – корисна потужність насосного агрегату, кВт.

Таблиця 1.2

Показники питомої енергоємності та якості конструкції для насосних агрегатів з механічним і гідравлічним приводом [82, 106, 112, 149, 151, 176]

Тип наcocа	Продук-тивність, м3/год	Тиск, р, МПа	Maсa G, кг	Частота робочих циклів п, хв-1	К1	К2
Поршневий діафрагмовий насос Feluwa з механ. приводом	75	25	6000	70	0,29	0,087
Машина з механічним приводом двопоршневого розчинонасоса P 13 SEDMR	7,2	1	1020	20
Поршневий насос EstrichBoy KP 715 D3 з механ. приводом	18	6,8	1540	30
Агрегат дозувальний плунжерний НД 2500/10 з механічним приводом	2,48	1	214	90

Продовження табл. 1.2

Гідроприводний діафрагмовий насос ГНП 160/25 (без привода)	160	25	5500	30	1,61	0,212
Гідроприводний діафрагмовий насос ГНП 160/25 з приводом від відцентрового насоса	160	25	8100	30	1,09	0,138
Поршневий гідроприводний насос НПГ-16	1,2	25	165	20
Розчинонасос РНГ-4 з гідравлічним приводом	4	6	260	30
Дозувальний насос Grundfos DMH 288 з гідравлічним приводом мембрани	0,021	20	138	153

Розглянемо відцентровий глибинний насос з гідравлічним приводом АНП “Гидро” 50 (Росія) (рис. 1.4) [155]. Дані насоси застосовуються як навісне устаткування на тракторах МТ-380, також на причіпних візках, на яких встановлені двигуни Д-120, гідронасоси НШ-32 і гідравлічні ємності.

а) б)

Рис. 1.4. Глибинний відцентровий насос з гідроприводом АНП “Гидро” 50: а) загальний вигляд; б) варіант роботи в стаціонарному режимі

Продуктивність таких насосів складає 50 – 60 м³/год при напорі 15 м. Ці насоси мають ряд переваг в порівнянні, наприклад, з глибинними насосами з електроприводом. Відцентрові насоси з гідроприводом є вибухо- та пожежобезпечними, мають малу вагу, що в поєднанні з великою продуктивністю (при Q =50 м³/год – маса 8 кг) значно збільшує діапазон і зручність застосування даних насосів. Для порівняння, глибинний насос з електроприводом "Гном" при продуктивності 53 м³/год має вагу 54 кг, глибинний насос з електроприводом фірми "Фліт" при продуктивності 36 м³/год має масу 140 кг [155].

Крім зазначених в підрозділі 1.1 (див. розділ 1), іншими обмеженнями використання насосів динамічної дії, зокрема згаданих відцентрових насосів, є те, що оптимальна зона їх застосування з найвищими значеннями ККД характеризується швидкохідністю від 50 до 1200 хв^-1 [194]. Загальний характер залежності коефіцієнта швидкохідності і ККД насоса показують криві на рисунку 1.5 [44]. З іншого боку, конструкції багатоступінчатих відцентрових насосів дозволяють забезпечити високий тиск при невеликій подачі. Проте, зростання числа ступенів приводить до того, що графік ККД на витратно-напірній характеристиці насоса стає більш загостреним. Можливості ефективної роботи в широкому діапазоні продуктивності для таких насосів істотно обмежені.

Рис. 1.5. Залежність величини ККД від коефіцієнта швидкохідності для динамічних насосів [44]

Фахівцями конструкторського відділу ЗАТ “ТАЛНАХ” спроектована нова серія мембранних гідроприводних насосів, що мають підвищену всмоктувальну здатність та надійність за рахунок малого ходу мембрани. Їх перевагами є: можливість перекачування продукту без витоків в атмосферу; робота плунжера агрегату в мастилі, що значно знижує зношуваність як самого плунжера, так і деталей його ущільнень [153]. Проте, недоліком такої конструкції є безпосередня дія високого тиску приводної рідини на мембрану, що зменшує строк її служби і підвищує ризик попадання робочої рідини в ПС.

Німецька фірма Steinle Industriepumpen виготовляє поршневі мембранні насоси з гідравлічним приводом, особливістю яких є використання зносостійких мембран для перекачування високоабразивних шламів [198].

Інший клас гідроприводних насосів складають розчинонасоси з гідроприводом. На особливу увагу заслуговують розчинонасоси із гідроприводом у складі штукатурних станцій, обладнаних гідроприводами і масляними насосними установками, що дає можливість підвищити ефектив-ність використання вказаних установок [7, 9, 33 (Додаток Б), 82, 130, 193].

Технічна розробка, згідно [33] (Додаток Б), направлена на вдосконалення існуючих конструкцій гідроприводних розчинонасосів із золотниковим розподільником. На рисунку 1.6 представлена схема поздовжнього перерізу гідроприводного насосу [33] (Додаток Б).

Рис. 1.6. Розчинонасос з гідравлічним приводом

При аналізі існуючих конструкцій розчинонасосів встановлено, що насоси із гідроприводом мають наступні переваги перед насосами з механічним приводом: високий ККД, надійність у роботі, рівномірність подачі та можливість її безступінчастого регулювання, тривалий термін служби, простота виготовлення, зручність експлуатації, малі розміри й маса. Завдяки вказаним перевагам, будівельна техніка з гідравлічним приводом для транспортування малорухомих сумішей по трубопроводах знайшла як в Україні, так і за кордоном широке впровадження [82, 193]. У тих випадках, коли насос має забезпечувати змінну продуктивність, використання насосних агрегатів з гідравлічним приводом стає ще вигіднішим. Це зумовлено тим, що механічний регульований привод має більші габарити і масу в порівнянні з регульованим гідравлічним приводом [149]. Але аналітичний огляд розчинонасосів із гідроприводом, виконаний за даними літературних джерел, також свідчить і про те, що існуючі конструкції таких машин мають деякі недоліки, які стримують широке впровадження гідравлічних приводів у насособудуванні [82].

Проведений патентний огляд НГПА виявив наступне. Є ряд патентів [1 – 15] (Додаток Б), де об’єктом виступає насос з гідравлічним приводом, але в цих патентах або вирішуються проблеми, які виходять за зміст дисертаційної роботи, або подано опис на рівні принципових схем (розкрито тільки принцип роботи насоса) та не розкривається конструкція гідравлічного розподільника, який саме забезпечує зворотно-поступальний або інший рух робочого органу насосного агрегату, тобто такти всмоктування і нагнітання ПС, тому дані гідроприводні насоси не потребують детального опису.

В ряді патентів НГПА мають певні недоліки та обмеження щодо їх раціонального використання. Так, наприклад в роботах [16, 17] (Додаток Б) обмеженнями є значна маса та габарити за рахунок використання як мембран – елементів тарільчатих пружин, використання в поєднанні з гідроприводом ексцентрикового механізму, а також використання інших великогабаритних та металоємних елементів. Продуктивність таких насосів не регулюється, а їх надійність обмежена умовами ударної посадки клапанів на жорсткі сідла.

В патентах [18, 19] (Додаток Б) як насосний вузол використані трубчасті мембрани, що зменшує габарити в порівнянні з зазначеними вище патентами, але насос залишається досить металоємним, як внаслідок конструктивного виконання насосної сторони, так і блока керування – гідропульсатора, що зменшує питому потужність, а, відповідно, і ККД агрегату в цілому.

Об’єктом дослідження в патенті [20] (Додаток Б) (рис. 1.7) є

Рис. 1.7. Мембранний пневмогідроприводний насос

пневмогідроприводний насос, який може знайти застосування в різних галузях народного господарства для подачі різних текучих середовищ.

В кришках 1 насоса встановлені мембрани 2, 3, зв'язані між собою штоком 4 та насосні камери 5 і 6, відокремлені від приводних камер 7 і 8. У штоку виконано дві пари радіальних каналів 9 і 10 і осьові канали 11 і 12, що сполучають кільцеві камери 13 і 14 з магістралями керування 16 і 17, з приводними камерами 7 і 8 та кільцевою камерою 18, сполученою з каналом зливу 19. Поршень 20 утворює в корпусі 15 порожнини керування 21 і 22, сполучені з магістралями керування 16 і 17. В корпусі виконано канал підведення робочого тіла 23 і канали 24 і 25, сполучені з приводними камерами 7 і 8. Обмеженнями його функціонування є неможливість регулювання амплітуди руху мембрани, а також, відповідно, і продуктивності насоса в цілому. Крім того, при перекачуванні рідин, особливо забруднених, хід мембран у кожному циклі буде різним, що негативно позначається на стабільності і надійності робочого процесу, або взагалі викличе зупинку насоса при сильному забрудненні.

Необхідно виконати деякі термінологічні уточнення, а саме: під гідроприводним насосом слід розуміти насос, у якого фізико-хімічні властивості приводної рідини і ПС різні [18, с. 71]. Якщо приводна рідина і ПС однакові, то отримаємо гідроперетворювач. Тому патенти [21, 22] (Додаток Б), де об’єктом є гідроприводний насос, слід віднести до патентів на гідроперетворювачі і виокремити їх серед інших.

Відомий гідроприводний насос подвійної дії – надалі гідроперетворювач, що включає джерело подачі робочої рідини та корпус, в якому розміщений приводний гідроциліндр з порожнинами, що утворені поршнем і двома штоками, які є плунжерами, розташованими опозитно відносно робочих циліндрів. Поперемінне з’єднання приводних порожнин з джерелом робочої рідини та зі зливом забезпечується реверсивним розподільником із електрокеруванням [9, рис. 145].

Недоліком відомого насоса є низька швидкодія, яка визначається збільшеним часом перехідних процесів електромагнітів та низька надійність через наявність давачів положення поршня зі штоками.

Гідроприводний насосний агрегат, згідно патенту RU2233994 [23] (Додаток Б), має недолік, який полягає в тому, що при здійсненні основним насосом такту нагнітання ПС робоча рідина під високим тиском діє на пружну діафрагму 13, яка виконана за описом до патенту з маслобензостійкої гуми, що сприймає динамічні навантаження, які призводять до її швидкого руйнування, зменшуючи, відповідно, надійність насосного агрегату в цілому. Зменшенню надійності агрегату також ще сприяє наявність в гідророзподільчому пристрої двох золотників, які забезпечують перемикання з такту нагнітання на такт всмоктування, оскільки, внаслідок відмови хоча б одного з золотників, відбудеться зупинка насосного агрегату.

Гідроприводний діафрагмовий насос (рис. 1.8) [24] (Додаток Б) включає насос подачі робочого середовища, розподільчий пристрій, приводний гідроциліндр, насосний блок з гнучким роздільником, який відокремлює

Рис. 1.8. Гідроприводний насосний агрегат

нагнітальну камеру ПС від гідроприводної камери робочого середовища, триходовий золотниковий розподільник, робочі клапани, демпферувальні і зворотні клапани. Зворотно-поступальне переміщення гнучкого роздільника здійснюється від насоса подачі робочого середовища через гідророзподільник, гідропульсатор робочого середовища, приводний гідроциліндр і поршень. Для синхронізації роботи механічних і гідравлічних вузлів застосовані триходовий золотниковий розподільник, демпферувальні і зворотні клапани.

Недоліком такого насосного агрегату є те, що в ньому застосована складна конструкція насосного блоку, що містить велику кількість деталей, має достатньо складну гідромеханічну схему перетворення і розподілу безперервного потоку від насоса подачі робочого середовища в періодичний пульсуючий потік робочого середовища, що подається в гідроприводну камеру. Застосування силового гідроциліндра, поршня, золотників і механічної передачі приводить до додаткових джерел витоків робочого середовища, а це вимагає введення вузла компенсації витоків складної конструкції, що знижує надійність роботи насоса в цілому.

Гідроприводний дозувальний насос (рис. 1.9) [25] (Додаток Б), що містить насосну камеру, відокремлену еластичним роздільником від проміжної

Рис. 1.9. Мембранний насос з гідроприводом

камери, яка у свою чергу відокремлена від приводної камери, підключеної до джерела та зливу приводного середовища, підпружиненим у бік цієї камери плаваючим поршнем, що встановлений між взаємнорегульованими дистанційними упорами, гідроклапан різниці тиску, включений між приводною і проміжною камерами, і послідовно включеними між останньою і зливом дросель і напірний гідроклапан. Причому гідроклапан різниці тиску, який налаштований на перепад тиску, що перевищує перепад тиску, створюваний підпружиненим поршнем, а напірний гідроклапан – на тиск відкриття, який більший максимального тиску нагнітання і менший максимального тиску від джерела приводного середовища.

Недоліком такого насоса є відносна складність конструкції, що обумовлена складністю пристрою для попереднього стиснення робочої рідини в проміжній гідравлічній камері, яка знижує надійність насосу.

Відомий гідроприводний мембранний насос [26] (Додаток Б), що містить корпус з патрубками підведення і відведення ПС, перегородку, дві мембрани, жорстко зв'язані рухомим патрубком, герметично встановленим в перегородці з утворенням між мембранами і перегородкою всмоктувальної і нагнітальної камер, і розподільчий пристрій з напірними та зливними магістралями, виконаний у вигляді клапана з двома запірними тарілками, що жорстко сполучені між собою стержнем зі встановленим в ньому шпинделем.

Недоліком розглянутого насосу є суттєве зниження ККД в результаті гідравлічних опорів зливних магістралей, які перешкоджають рухові робочого органу при здійсненні такту всмоктування чи нагнітання. Окрім того, до недоліків розглянутого насоса можна віднести примусове пошляхове перемикання розподільчого пристрою жорсткими центрами мембран при ході їх в крайні положення. При перекачуванні рідин, особливо забруднених, хід мембран у кожному циклі буде різним, що негативно позначається на стабільності і надійності робочого процесу, або взагалі викличе зупинку насоса при сильному забрудненні.

Мембранний гідроприводний насос (рис. 1.10) [28] (Додаток Б) містить корпус 1, мембрану 2, встановлену в ньому з утворенням приводної 3 і насосної 4 камер, шток 5, що одним кінцем жорстко з'єднаний з мембраною 2, а іншим пружно підтиснутий зворотною пружиною 6 відносно корпусу 1. У насосній камері 4 встановлені всмоктувальний 7 і нагнітальний 8 клапани. Приводна камера 3 сполучена з напірною магістраллю 2 і підклапанною порожниною 10 випускного клапана 11, в корпусі якого розташований запірний орган 12, виконаний у вигляді кульки з плунжером 13 (виконання I, рис. 1.10), або у вигляді двоступеневого плунжера (виконання II, рис. 1.10), притиснутого до сідла 14 регульованою пружиною 15. Запірний орган 12 утворює в корпусі випускного клапана 11 проміжну порожнину 16, виконану з можливістю з'єднання зі зливною розточкою 17 в корпусі випускного клапана 11.

Даний мембранний гідроприводний насос може знайти застосування в техніці для перекачування різних забруднених текучих середовищ.

Рис. 1.10. Мембранний гідроприводний насос

Незважаючи на всі переваги даної конструкції, а саме відкриття і закриття випускного клапана тільки за певною величиною тиску, що є незалежною від ходу мембрани, зазначений клапан створює ряд обмежень. По-перше, для перепускання великих витрат робочої рідини через клапан необхідно суттєво збільшити його габарити. По-друге, клапан налаштований на певну величину тиску спрацювання, тому довжина гідроліній буде мати значний вплив. Випускний клапан також не дає можливості ефективного регулювання амплітуди і частоти. По-третє, при виникненні додаткових опорів в напірній магістралі клапан спрацює раніше, що призведе до зменшення подачі насосного агрегату.

Для усунення вищенаведених недоліків необхідна розробка такого привода насосного агрегату, який би забезпечував необхідні робочий хід і робочий тиск, плавну зміну закону руху робочого органу, зменшив вплив зовнішніх факторів на робочий процес насосного агрегату.