Вибрация поднимает воду

Когда глядишь на работающий вибрационный насос, невольно вспоминаешь стихи из старой детской книжки: "Дрожа от напряженья, Он создает движенье".

Долгое время вибрация была врагом, но постепенно ее удалось «приручить», и сегодня она творит чудеса, помогая людям. Если, например, бросить металлический шар в ящик с песком, он шлепнется и остановится. Стоит поставить ящик на вибрирующий стол, шарик начнет опускаться на дно. Стоит поменять параметры колебаний, тот же шарик может всплыть со дна ящика на поверхность.

Вице-президент АН СССР К.В. Фролов пишет: «Без вибрационной техники сегодня уже нельзя проходить сверхглубокие скважины, обогащать минеральные руды, создавать трубопроводный транспорт, перемещать сыпучие грузы. На основе принципов вибрационного транспортирования созданы насосы без трущихся частей. С их помощью можно перекачивать не только жидкости, но и так называемые многофазные системы, которые содержат твердые включения».

Сегодня вибротехника уже освоила много экзотических профессий, но сейчас речь пойдет об одной из самых рядовых и самых древних – о машинах для подъема воды. Водоснабжение не проблема для горожанина, но для сельского жителя, особенно если он занимается животноводством, это проблема серьезная. А уж когда приходится отгонять скот на далекие пастбища, тут проблема воды нередко оттесняет на задний план даже заботы о кормах. В нашей стране почти 400 миллионов естественных пастбищ, и пока лишь половина из них обводнена. А какой насос более подходит для размещения в узкой трубе либо малодебитном колодце, нежели миниатюрный вибрационный?

Рис. 1. Бытовой объемно-инерционный насос с вибрационным электромагнитным приводом. 1. Всасывающий клапан. 2. Рабочий орган. 3. Шток. 4, 9. Корпусные детали. 5. Диафрагма. 6. Седло диафрагмы. 7. Упругий резинометаллический элемент. 8. Якорь электромагнита. 10. Электромагнит. 11. Кабель. 12. Скоба. 13. Напорный шланг. 14. Стяжка

Нашей промышленностью выпускается в год свыше 700 тысяч бытовых вибрационных насосов. Они экспортируются более чем в 20 стран. Производство отечественных насосов этого типа имеет давнюю историю – ведь первый надежный так называемый инерционный насос был создан еще в 1890 году талантливым русским инженером В.Г. Шуховым. В его конструкции вибрирующий поршень как бы подбрасывал воду, заставляя ее двигаться с ускорением больше земного тяготения. Аналогичные насосы с вибровозбудителями общего назначения применяются в настоящее время для агрессивных жидкостей. Много позднее аргентинец Т. Беллок предложил другую схему инерционного насоса. Заменим мысленно столб воды пружиной. Если ее сжать, а потом быстро освободить, то пружина подскочит, оторвавшись от опоры. Если создать в насосе давление, а затем мгновенно его снять, то образуется волна давления, которая сможет протолкнуть воду в трубопровод, создавая одновременно объем с пониженным давлением, необходимый для подсоса новой порции жидкости.

В современных инерционных насосах используется электромагнитный резонансный вибровозбудитель. Водоподъемники «Малыш», «Удалец», «Риони» и другие при массе в 3 килограмма обеспечивают напор до 60 метров и подают за час до кубометра воды, требуя всего 200 ватт. Устроены такие насосы довольно просто (см. цветную вкладку). Шток, на одном конце которого закреплен рабочий орган, а на другом – якорь электромагнита, совершает 6000 колебаний в минуту. Когда якорь притягивается магнитом, рабочий орган освобождает гидрокамеру, и вода заполняет ее через клапан. В зону электромагнитного привода воду не пропускает разделительная диафрагма. Обратное движение штока осуществляется за счет упругости сжатого при первом такте резинометаллического элемента. Клапан закрывается, и рабочий орган вытесняет воду в напорный патрубок.

Рис. 2. Вибрационный насос, имитирующий движения рыб.
1. Корпусные детали. 2. Рабочий орган, 3. Вибровозбудитель. 4. Всасывающий клапан. 5, 6. Напорный патрубок

Важной деталью насоса является резино-металлический элемент, поскольку, кроме уже названной функции, он обеспечивает (благодаря изменению коэффициента жесткости) работу в режиме, близком к резонансному. А именно это обстоятельство гарантирует высокую экономичность. Так как водоподъемники часто используются вдали от населенных мест и проблема электропитания бывает довольно сложной, вибрационные насосы могут получать энергию от ветроэлектрических агрегатов или солнечных фотоэлектрических преобразователей. Естественно, что экономичность установки становится одним из важнейших параметров.

Рис. 3. Кинограмма движения тела угря (слева). Колебания тел рыб (справа)

Уже давно было замечено, как рационально используют мускульную мощность киты, дельфины и рыбы. А ведь их тела тоже, в сущности, создают волну давления в жидкости. Многообразие факторов, влияющих на движения речных и морских животных, сильно затрудняет создание аналогичных технических устройств, однако даже имитация колебаний может послужить основой при конструировании некоторых типов экономичных инерционных насосов.

Одним из перспективных направлений в создании вибрационных насосов становятся конструкции, основанные на электрогидравлическом эффекте Л.А. Юткина. Если в бочку с водой бросить булыжник, с бочкой ничего не случится. А если в нее выстрелить из пистолета, вода тут же разорвет металлические обручи. Дело в том, что массивный, но сравнительно медленно падающий булыжник позволяет воде среагировать, несколько повысить уровень. А стремительная маленькая пуля врезается в почти несжимаемую жидкость, создавая в ней всплеск давления, Он-то и рвет обручи.

Точно так же реагирует вода на проскакивающую между электродами электрическую искру. Вблизи канала разряда пиковые давления достигают сотен мегапаскалей. Как показали испытания, подобные насосы могут конкурировать с уже существующими типами, особенно в тех случаях, когда извлеченная вода нуждается в обеззараживании.

Рис. 4. Электрическая схема электроимпульсного насоса (слева). Электрическая характеристика разряда (справа)

Рис. 5. Рабочие камеры электроимпульсного насоса.
1. Разрядная камера. 2, 3. Нагнетательные клапаны. 4. Всасывающий клапан. 5. Электрод. 6. Всасывающие клапаны напорного патрубка

 В. УСАКОВСКИЙ, доктор технических наук

20 августа 2004 года

Наука и техника