Исследование работы дисковых насосов

Одним из видов центробежных насосов служат дисковые насосы трения.  Их рабочие колёса имеют вид пакета дисков, которые установлены с промежутком перпендикулярно оси вращения колеса. Поступление энергии от колеса к потоку жидкости осуществляется с использованием сил трения в примыкающих слоях вращающихся дисков. 

 Изначально насосы данного типа были опубликованы в трудах Н.Е. Жуковского и Н. Тесла. Значительный объём работ по дисковым насосам был выполнен В.И. Мисюрой в Днепропетровском государственном университете и Московском авиационном институте[1].

Главная цель, которая стоит перед исследователями и конструкторами насосов, соответствующая сегодняшним нормам заключается в исследовании гидродинамики потоков жидкости, циркулирующей в междисковом пространстве.

На том основании, что перекачиваемые жидкости и растворы с маленькой концентрацией имеют свойства тягучей жидкости, то альтернативной ориентировочной моделью считают модель ньютоновской жидкости, а в роли исходных кинетических уравнений – систему уравнений Навье-Стокса[3].

В ситуации, при которой перекачиваемая жидкость имеет в своем составе твердо-фазные включения или демонстрирует высококонцентрированную смесь веществ, цель работы для исследователей весомо затрудняется. 

До сегодняшнего момента не существует общего алгоритма расчета характеристик дисковых насосов, что замедляет дальнейшее их развитие.

Объяснение данного случая заключается в проблеме типа течения, отсутствия осевой симметрии и крайне большой взаимосвязи гидродинамических характеристик даже при незначительных изменениях геометрических параметров дисков и конфигурации корпуса. Следуя из этого, теоритическое изучение процессов в таких устройствах изрядно осложнено, и наиболее существенную роль исполняет эксперимент.

На кафедре  «Технологические машины и оборудование» сделана лабораторная установка для изучения функционирования дисковых насосов. Данное оборудование обладает стандартным приводом с набором корпусов и дисков. Необходимый промежуток между дисками поддерживается дистанционными втулками. На рисунке 1 изображены элементы насоса: корпус, пакет дисков и набор дистанционных втулок.

Задачей исследования является исполнение экспериментального изучения процесса движения тягучих жидкостей, в том числе высококонцентрированных суспензий, которые содержат твердофазные включения, в дисковых насосах для получения технологии расчета его главных характеристик.

На рисунке 2 изображена схема двухдискового насоса с осевой подачей и тангенциальным отводом перекачиваемой жидкости. Внешний диаметр дисков составляет 132 мм, промежуток между ними – 9 мм. В пределе расходов 2,6 – 6 м³/ч насос имеет к.п.д. более 50%, и не проигрывает по этой оценке привычным для всех центробежным насосам.

Рисунок 1. Составные элементы дискового насоса

В ходе работы был выполнен ряд опытов по перекачиванию жидкостей, характеризующихся различной вязкостью, а именно: глицерин, вода, а также густой клейстер с добавлением разных твёрдых компонентов. Характеристики, которые были получены нами, изображены на рисунке 3. На графике можно увидеть, что при усилении вязкости рабочей жидкости и соответственно числа дисков получается существенное увеличение напора при идентичном расходе. Помимо этого, следует иметь ввиду, что при идентичном числе дисков и идентичном междисковым промежутке, характеристика функционирования насоса на глицерине (жидкости с вязкостью ρ=1200 сПЗ) эффективнее, чем при работе на воде[4].

Рисунок 2. Характеристика двухдискового насоса

Анализ, который мы смогли провести показывает нам, что дисковые насосы обладают рядом значительных отличительных особенностей, влияние которых делает их использование подходящим и наилучшим:

• ламинарное течение гарантирует целостность требующих осторожного обращения продуктов;
• дисковый насос перекачивает, не забиваясь, вязкие жидкости, которые  имеют включения из больших плотных элементов, а также преодолевает колебания плотных элементов;
• за счет ламинарного течения внутри дискового насоса он обладает большим кавитационным запасом, чем центробежный при тех же требованиях[5];
• при функционировании дискового насоса на его вал не приходится  радиальных нагрузок, и именно это гарантирует наиболее длительный срок службы уплотнений и подшипников;
• способность качественно перекачивать многочисленное обилие «проблемных» жидкостей без неисправностей при использовании;
• дисковый насос при перекачивании применяет трение, и чем больше вязкость жидкости, тем качественней он выполняет свои функции;
• справляется с перекачкой смеси веществ, которые содержат существенный процент плотных элементов, не забиваясь и не прекращая работу;
• реализует перекачку твердосплавных жидкостей с незначительным износом за счет постоянного присутствия прилегающего слоя на внешней стороне дисков, а также за счет ламинарного течения через насосах[2];
• диски в насосе имеют возможность размещаться с крупным отверстием, что способствует перекачке жидкостей с большими, плотными элементами;
• на ряду с остальными механизмами насосов дисковый насос имеет минимум затрат на содержание и восстановление.

Рисунок 3. Характеристика двухдискового насоса, перекачивающего воду и глицерин

В дополнение были выполнены исследования, во время которых была выявлена оценка работы насоса, когда интенсивность оборотов дисков менялась. Рабочей жидкостью послужила вода. С использованием преобразователя интенсивности вращений асинхронного двигателя были выполнены замеры расхода перекаченной рабочей жидкости. Благодаря акустическому расходомеру были произведены замеры. С использованием счётчика импульсов сняли показания, затем показания, которые получили, переводили в расход, выраженный в м³/час. Частота оборотов колебалась, начиная с 500 об/мин. до самой наибольшей 3000 об/мин. – формальной частоте вращения двигателя насоса. Из характеристик, изображенных на графике, видно, что вышла линейная зависимость, что свидетельствует о пропорциональном увеличении расхода перекачиваемой жидкости с нарастанием частоты вращения дисков.

1. Мисюра В.И., Дисковые насосы: учеб, пособие / В.И.Мисюра. - М.: Машиностроение. - 1986. - 20 с.
2. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя: учеб, пособие / Г. Шлихтинг. - М.: Наука. - 1969. - 319 с.
3. URL: http:www.nasa.gov/press/2013/july/nasa-industry-test-additively-manufactured-rocket-engine-injector-0/#. VfrrEfntlBf
4. Анурьев, В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: учеб, пособие / В.И. Анурьев. - М.: Машиностроение. - 2001. - 600 с.
5. Алямовский А., Собачкин А., Одинцов Е, Пономарев Н., Харитонович А.SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике: учеб, пособ. / Алямовский, А., Собачкин А., Одинцов Е, Пономарев Н., Харитонович.- М.-2005. – 550 с.