Насосы: история и принцип работы разных типов насосных агрегатов

Сегодня мы постараемся рассказать, что такое насос, принцип работы разных типов насосных агрегатов, как они приводятся в движение, какие функции выполняют. 

Некоторые люди, которые использовали или используют насосные агрегаты, не всегда понимают принцип работы агрегата, знают только какую задачу решает данный насос. В данной статье мы постараемся объяснить принцип работы тех или иных насосов. И это будет не просто удовлетворение любопытства. Если Вы столкнетесь с потребностью в насосном агрегате, Вы уже будете «подкованы» для правильного выбора насоса. 

Сначала немного истории… 

Первые методы перекачивания воды известны с очень далеких времен. Воду черпали ковшиками или другой емкостью. Было физически тяжело обеспечить объём и скорость подачи воды, добывая жидкость из водоема. Первое, что придумали наши предки – это водочерпательное колесо. Согласно археологическим источникам, это было устройство в виде колеса со спицами, в конце которого, на стыке обода и спиц крепились ковши. Нижний сосуд был помещен в воду. Когда колесо начинало вращаться вокруг оси, ковши зачерпывали воду из водоема, а потом в самой верхней точке колеса, с высотой подъема равной диаметру колеса, вода выливалась из ковшей в желоб, расположенный сбоку, с определенной длиной и уклоном (самотеком), так сказать до потребителя. Колесо вращали физической силой с помощью быков, волов или просто руками. Ковш свисал набок, затрудняя вращение колеса, это также приводило к потере воды. Избавиться от потерь помогла конструкция, основанная на использовании пустого пространства между внешним и внутренним ободами колеса, где сбоку имелись отверстия для черпания воды. Это уменьшало потери воды при выливании, т. к. скорость вращения водочерпального колеса была постоянной. Уже с третьего века до н.э. в качестве силы вращения колеса водочерпальных системах использовали напор воды. Ниже мы покажем самые распространенные варианты добычи и подачи воды, которые придумали наши далекие предки.

На первом рисунке колесо с «ручным приводом» (емкости в ободе колеса).

На втором рисунке «ножной привод» – приводился в движение человеком, переступавшим с одной перекладины на другую, и уже водочерпальные сосуды находились сбоку.

Третий рисунок самое «прогрессивное» решение того времени – самодвижущееся колесо с лопастями в виде ложек.  Колесо с ложковидными лопастями вращает нижний барабан, который, в свою очередь, жестко соединяется цепью с верхним барабаном.  На цепи укреплялись ведра, при движении вверх, они наполнялись водой, которая выливалась в сточный желоб, находившийся в верхней точке конструкции. Таким образом, вниз ведра спускались уже пустыми, чтобы вновь зачерпнуть воду из реки.

Следующий шаг в цивилизационной спирали развития «насосостроения» стал так называемый «Архимедов винт»

Архимед - древнегреческий ученый-мыслитель, известно о нем из трудов античных историков, изобрел винтовое водоподъемное устройство, названное позже в его честь. Это устройство представляло собой наклонную деревянную трубу с винтом, установленным внутри. Вращался винт, с помощью ветряного колеса или вручную. В то время как поворачивается нижний конец винта, он собирает некоторый объём воды. Это количество воды будет скользить вверх по трубе во время вращения вала, пока наконец вода не выльется из вершины трубы. Однако потери были неизбежны, так как какое-то количество воды стекало обратно, т.е. эффективность оставляла желать лучшего. Чем больше угол наклона винта, тем больше высота подачи, при уменьшении производительности. Кстати, к примеру, такого типа конструкция использовалась для осушения затопленных трюмов кораблей и шахт.

Следующий вид изобретенного вида насоса - это поршневые насосы.

Поршневой насос — детище греческого изобретателя Ктезибия Александрийского, который жил в III веке до н. э. Поршневые насосы использовались для подъема воды из колодцев. В основе работы подобных насосов базовые принципы пневматики и гидравлики.  Кстати он же изобрел прототип такого музыкального инструмента, как орган, с помощью двух поршневых насосов. Звуки извлеченные из этого инструмента были на удивления очень «чистыми». Принято считать, что  эти насосы пионеры в истории человечества, так как надолго вперед, вплоть до наших дней, определи компоновку устройства. Произошел переход на замену материала конструкции от дерева на бронзу. Но базовые элементы устройства теже, что и современных насосах: плунжер, цилиндры, клапаны. 

Появление парового двигателя и гидроприводов, подтолкнуло к технической революции в промышленности. В 1712 году английский изобретатель Томас Ньюкомен создал поршневой насос с паровым приводом, для откачки воды. В современное время, поршневые насосы все также используются  для подъема воды из скважин и колодцев.

Сильфонный насос

Сильфонные насосы представляют собой сильфон типа вертикальной гармошки, сжимая которую производят перекачивание жидкости. Простейшая конструкция насоса состоит всего из нескольких деталей, которые, как правило, изготавливаются из пластика, соответственно они не подвержены коррозии. Применяются для выкачивания жидкостей, в том числе агрессивных из бочек, бутылей, канистр и т.п.

Пластинчато-роторный насос

Пластинчато-роторные насосы – это самовсасывающие насосы объемного типа – перемещение жидкости происходит за счет изменения объема в рабочей камере насоса. Используются для перекачивания вязких жидкостей, масел. 

Конструкция насоса представляет собой эксцентрично расположенный ротор, имеющий продольные радиальные пазы, в которых скользят плоские пластины, они выходят из пазов и прижимаются к цилиндрической поверхности расточки корпуса. В результате перекачиваемая вязкая жидкость заполняет пространство между пластинами, а дальше выталкивается в нагнетательный патрубок. Пластинчато-роторные насосы нашли широкое применение в различных сферах, где в рабочем процессе применяется вакуумное масло.

Шестеренный насос 

Шестеренные насосы – устройство настолько простое, что в очередной раз подтверждает, гениальность в самой простоте изобретения. Шестеренные насосы предназначены для перекачки вязких сред маслянистого типа. Агрегат представляет собой сцепленные между собой шестерни, которые приводятся в движение под принудительным изменением полости между шестернями. Ведущая шестерня находится в постоянном сцеплении с ведомой и приводит её в движение, вращает в противоположное направление. Жидкость поступает во впадины между зубьев, перемещаясь вдоль стенки насоса с внутренней части и выталкивает через выходной патрубок в трубопровод. 

Импеллерный насос

Импеллерные насосы (ламельные, насосы с мягким ротором) являются подвидом пластинчато-роторных насосов. Насосы с гибким рабочим колесом (импеллером) благодаря своей особой конструкции позволяют бережно и эффективно перекачивать определенные среды с различной вязкостью и плотностью. Рабочим органом насоса является мягкий импеллер, выполненный из эластомера. Ось ротора расположена эксцентрично к корпусу. Ротор вращается, лопасти изгибаются и распрямляются, создают вакуум и всасывают среду. Движение лопаток переносит среду к выходному отверстию насоса насоса.

Синусный (синусоидальный) насос 

Важнейшим элементом конструкции синусоидального насоса является ротор, имеющий форму с синусоидной структурой (отсюда и название всего устройства). Синусоидальные насосы имеют четыре камеры, которые открываются и закрываются по очереди, что позволяет перекачивать даже очень нежные структуры, например, измельченные помидоры.

Конструкция насоса обеспечивает высокую мощность всасывания, но в отличие от традиционных насосов, оснащенных рабочим колесом, которое «режет» транспортируемую жидкость, синусное рабочее колесо мягко проталкивает жидкость через насос. Максимально допустимый размер перекачиваемых частиц зависит от объема полости между диском и корпусом насоса. 

Насос не имеет клапанов. Конструкция насоса очень простая, что гарантирует долгую и безотказную работу устройства.

Винтовой насос

Винтовые насосные агрегаты объемного типа предназначены для перекачивания жидких сред с повышенной вязкостью, допустимо перекачивание жидкостей с включением твердых фракций. Благодаря особенностям конструкции, винтовые насосы отлично всасывают и перекачивают жидкости различной вязкости и консистенции. Перекачиваемые жидкости не подвергаются центробежным или пульсирующим усилиям, благодаря этому винтовые насосы очень аккуратно перекачивают даже самые чувствительные среды. Условием правильной работы насоса является выбор подходящей скорости для данной среды. Винтовые насосы обладают высокой надёжностью, они экономичны и просты в эксплуатации, обладают высокой ремонтопригодностью. 

Преимущества винтовых насосов:

• простота конструкции, хорошая ремонтопригодность
• высокая мощность всасывания 
• жидкости не подвергаются центробежным или пульсирующим усилиям, поэтому нет необходимости использовать гасители пульсации или компенсаторы в трубопроводах
• возможность перекачивания жидкостей, содержащих твердые включения
• большой диапазон применения по подаче за счет возможности ее изменения, изменением частоты вращения

Винтовые насосы нашли широкое применение в нефтехимической и пищевой промышленности.

Перистальтический (шланговый) насос

Перистальтические насосы часто называют линейными или шланговыми насосами. Первый патент, защищающий изобретение, был подан в конце 19-го века в Соединенных Штатах, и устройство первоначально предназначалось для переливания крови во время операции. Транспортировка жидкости с использованием перистальтического насоса возможна благодаря движению роликов или башмаков, скользящих по шлангу. Эти насосы позволяют перекачивать жидкость без загрязнения, обеспечивая при этом относительно низкие эксплуатационные расходы. Благодаря этим характеристикам дозирующие насосы на основе перистальтических насосов играют огромную роль в различных отраслях промышленности и медицины. Принцип работы здесь прост - он включает перемещение среды, расположенной в специальном толстостенном шланге. Это возможно благодаря вращающейся головке с роликами (башмаками), которые пережимают сливной шланг, расположенный по окружности внутри корпуса, ролики проталкивают жидкость на выход насоса.

Вихревой насос

Вихревые насосы, по большей части, предназначены для перекачки жидкости, но также могут использоваться и для перекачивания газообразных сред, движение жидкости в нем осуществляется за счет сил инерции и трения. Существует несколько подвидов вихревых насосов, но аналогичным компонентом у всех является рабочее колесо в виде стального диска, где на внешнем диаметре находятся ямки, которые формируют лопасти различного вида. Колесо с лопастями вращается внутри корпуса, имеющего форму цилиндра, при этом расстояние от торца лопатки до стенки минимальное. Принцип действия вихревого насоса заключается в том, что вода всасывается во входное отверстие и закручивается в вихрь благодаря крыльчатке.  При малых энергозатратах, мощность потока многократно увеличивается, и жидкость с большим давлением выбрасывается из выходного патрубка. Большим преимуществом вихревых насосов является возможность работы с небольшими объемами жидкости, при этом насосы могут обеспечить достаточно сильный напор. Учитывая вышеописанные особенности, вихревые насосы, нашли применение в системах, где есть необходимость создать высокий напор при, относительно небольшой подаче. Например, в небольших автоматических насосных станциях водоснабжения. Способность перекачивать жидкостно газовую смесь дает возможность эксплуатировать вихревые насосы для перекачивания летучих жидкостей (бензины, керосины и т.д.), что является основанием для использования подобных насосов в системах заправки топливом.

Насос газлифт

Газлифтные насосы — это один из методов принудительного подъёма капельной жидкости за счёт энергии, которая содержится в смешиваемом с ней сжатом газе. Чаще всего, применяются при добыче нефтепродуктов. Принцип работы газлифта заключается в нагнетании газа под давлением по затрубному пространству между наружной и внутренней трубами. Газ снижает перепад давления в насосно-компрессорных трубах, тем самым способствуя вытеснению нефтепродукта по стволу скважины на поверхность за счет естественной энергии.

Мембранные (диафрагменные) насосы

Диафрагменный насос является одним из наиболее универсальных типов насосов благодаря простоте эксплуатации, а также относительно низкой частоте отказов. Диафрагменные насосы принадлежат к семейству объемных насосов, в большинстве случаев они приводятся в действие сжатым воздухом, реже с помощью электродвигателя. 

Принцип работы диафрагменных насосов заключается в следующем: сжатый воздух, проникающий за одну из диафрагм, заставляет её сжиматься и продвигать жидкость в отверстие выхода. В это время вторая диафрагма напротив создаёт вакуум, всасывая жидкость. После прохождения импульса пневматический коаксиальный обменник меняет направление сжатого воздуха за вторую мембрану и процесс повторяется с другой стороны. Давление нагнетания на стороне среды равно давлению выше по потоку от диафрагмы, поэтому диафрагменные насосы могут работать и при закрытом выпускном клапане без ущерба для срока службы диафрагмы. Диафрагменные насосы не требуют охлаждения или смазки во время работы, что обеспечивает бесперебойную работу всухую.

Шнековый (оседиагональный насос)

Шнековый (оседиагональный насос) – погружное насосное оборудование винтового типа. Перекачка жидкой среды шнековым насосом основана на работе специфического архимедового винта определенной длины. Исключительным преимуществом этого агрегата является возможность осуществлять перекачку жидкостей с сильным загрязнением (абразивными веществами небольших размеров).

Оседиагональные насосы обладают хорошей всасывающей способностью и более высокой производительностью, по сравнению с другими типами лопастных насосов. Применяются для перекачивания нефтешламов, мазутов, дизельного топлива и т.д. 

Центробежный насос

Констукция насоса представляет собой спиральный корпус и установленное внутри рабочее колесо с лопастями, вращающемся с постоянной скоростью. Жидкость, постоянно протекающая через рабочее колесо, подвергается центробежной силе. Таким образом, энергия двигателя передается жидкости через рабочее колесо, в результате чего увеличивается давление и кинетическая энергия. После того как жидкость выходит из ротора, ее кинетическая энергия далее преобразуется в энергию давления. Увеличение кинетической энергии и давления в насосе зависит от конструкции ротора и скорости его вращения. Центробежные насосы идеально подойдут для наполнения емкостей и заполнения бассейнов, подачи воды в частные дома, коттеджи и орошения приусадебных участков.

Многосекционный насос

Многосекционными называют центробежные насосы, оснащенные двумя и более последовательно размещенными рабочими колесами, по сути, это серия последовательно размещенных центробежных насосов. Подобная конструкция оборудования позволяет создать на выходе значительное давление: выйдя под давлением из первого рабочего колеса, жидкость поступает во второе рабочее, где в свою очередь тоже повышается давление, затем в третье и т.д.

Основное применение насосы многосекционные нашли в системах холодного и горячего водоснабжения. Также могут применяться и в других областях промышленности и хозяйства, гражданских объектах.

Струйные насосы

Струйные насосы бывают двух основных типов:

• Эжектор – насос отсасывающий среду и создающий разряжение
• Инжектор – насосы нагнетающие среду под давлением. 

Работа струйного насоса заключается в создании разности давлений между давлением во всасывающем баке и давлением в нагнетательной камере.

Рабочая жидкость, подаваемая насосом подачи через впуск, попадает в сопло, где скорость жидкости увеличивается за счет падения давления, согласно закону Бернулли. Перепад давления во всасывающей камере достаточен для подъема жидкости или суспензии из всасывающего бака.

Преимущество струйных насосов – отсутствие движущихся частей и, следовательно, высокая надежность. Недостатком является низкая энергоэффективность (30 - 40%). Для работы насоса необходим подвод сжатого воздуха или пара.

Гидротаранный насос

Гидротаран качает воду без бензина, тока и газа, ему не  требуется источник питания и при отсутствии двигателя, способен поднимать жидкость на высоту до нескольких десятков метров. Такой насос способен долгое время непрерывно работать, обеспечивая водой экопоселения деревенские дома сельскохозяйственные угодья и т.д.  Принцип работы гидротарана заключается в использовании энергии гидроудара.

Гидротаран получает энергию непосредственно от проточной воды, перетекающей под действием силы тяжести по напорному трубопроводу в сток, который находится на более низком уровне.

Пропуская через себя большую часть воды с небольшой высоты h (разница высот между стоком и уровнем воды в питающем резервуаре) гидротаран поднимает меньшую часть воды на большую высоту H (разница высот между верхней точкой отводящей трубы и уровнем воды в питающем резервуаре).

Это устройство с довольно низкой энергоэффективностью, потому что только небольшая часть энергии, протекающей по водопроводу, преобразуется в работу по подъему воды в резервуар.

Спиральный вакуумный насос

Вакуумные насосы создают вакуум с помощью простого механизма, состоящего из двух спиральных частей, которые перекрывают друг друга. Одна часть является статором насоса и остается неподвижной, другая часть представляет собой ротор и эксцентрично вращается, создавая подвижные зоны захваченного газа.

Когда перекачиваемый газ поступает в спиральный механизм, он затем перемещается по периферии, сжимается и направляется к выходному отверстию насоса. Сухие спиральные вакуумные насосы отличаются исключительной надежностью.

Ламинарный насос

Ламинарный (дисковый) насос является разновидностью центробежного насоса, но может выполнять работу не только центробежных, но и прогрессивных полостных насосов, лопастных и шестеренчатых насосов, т.е. перекачивать вязкие жидкости. 

Рабочее колесо ламинарного насоса представляет собой два и более параллельных диска. Чем больше расстояние между дисками, тем более вязкую жидкость может перекачивать насос. Теория физики процесса: в условиях ламинарного течения слои жидкости движутся с различной скоростью по трубе: слой, наиболее близкий к неподвижной трубе (так называемый пограничный слой), течёт медленнее, чем более глубокие (близкие к центру трубы) слои текущей среды. 

Аналогично, когда жидкость поступает в дисковый насос, на вращающихся поверхностях параллельных дисков рабочего колеса образуется пограничный слой. По мере вращения дисков энергия переносится в последовательные слои молекул в жидкости между дисками, создавая градиенты скорости и давления по ширине условного прохода. Эта комбинация граничного слоя и вязкого перетаскивания приводит к возникновению перекачивающего момента, который «тянет» продукт через насос в плавном, почти не пульсирующем потоке.