Мухачев В.М.
(М. "Московський робітник", 1968 (стор. 68-79))
Техніка центрифугування зайшла в глухий кут. Сталося це тому, що, слідуючи давній ідеї колеса з фіксованими цапфами (хоча б однієї!), Конструктори не тільки "примушували" ротор обертатися навколо осі, яка не співпадає з його віссю інерції, але і не враховували принципову нестійкість обертання роторів навколо їх поздовжньої осі .
Завдання технічного прогресу в створенні центрифуг були сформульовані абсолютно чітко: 1) необхідно виключити вібрацію і 2) домогтися стійкості обертання роторів навколо поздовжньої осі.
Ротор потрібно звільнити від обмежень підшипників. Тоді він сам собою стане обертатися навколо своєї осі інерції подібно, скажімо, небесних тіл. В цьому і полягає простий і ясний секрет планети, що пояснює, чому вона не вібрує і не перевертається.
Наша планета, як і всі інші небесні тіла, обертається точно навколо своєї осі інерції і не отримує ніякої додаткової енергії, яка могла б повернути в світовому просторі її вісь обертання.
Мал. 11. Скручування канатика можна уникнути, обмотавши його міцної дротом виток до витка (а). Завжди залишаються між витками люфти дозволяють канатика трохи згинатися. При невеликих вигинах вал залишається гнучким, забезпечуючи цим обертання ротора навколо осі інерції (б). При більш значному вигині вала люфти між витками в напрямку вигину вибираються, і вал стає жорстким (в). Тому хоча при поштовху ротор і відхиляється і починає описувати конус, але до пращі чи не перетворюється.
Ось і треба робити центрифуги, як планети. При цьому, природно, зникне якою б то не було дисбаланс. Неточності виготовлення і нерівномірний розподіл мас поведуть тільки до того, що вісь обертання буде розташована не зовсім так, як очікувалося при розрахунку.
Але різниця буде практично не суттєва.
Щоб звільнити ротор, недостатньо позбавити його від підшипників. Його слід також звільнити і від жорстких зв'язків з приводом. Вал, по якому підводиться енергія, повинен бути гнучким. Може бути, для цієї мети придатний канатик або шнурок? Але вони скручуються. Скручування канатика, однак, можна уникнути, обмотавши його одним або декількома шарами міцного дроту.
Рис.12. Підвішуванням ротора на канатику, обмотаному дротом, з демпфіровкой одного або обох кінців досягається стійке обертання в нестійкому положенні. Як демпфера застосовано распружіненное стежить кільце.
У цій намотуванні між витками завжди залишаються невеликі, мікронні люфти, які тільки і потрібні для самобалансування ротора. При більш ж значному вигині люфти між витками в напрямку вигину вибираються, і вал стає жорстким. Таким чином, ротор може обертатися навколо своєї осі інерції і не вібрувати. Але цього не достатньо. Якщо цим способом підвісити і обертати подовжений ротор, він все одно при першому ж "комариний" поштовху вийде з хитке становище і почне описувати в просторі конус (рис. 11).
А що, якщо перегородити доступ додаткової енергії, що виводить подовжений ротор з нестійкої рівноваги? Не отримуючи додаткової енергії, ротор не зможе описувати в просторі конус. Ми знаємо, що додаткову - шкідливу - енергію ротор накопичує, змінюючи своє положення в просторі. Значить, треба ретельно і безупинно стежити за становищем ротора і при найменшому його відхиленні віднімати ту частину додаткової енергії, яка виводить його з рівноваги.
Якщо своєчасно подбати про те, щоб ротор не отримував зайвої енергії, то віднімати доведеться незначну потужність - близько кількох ерг в секунду. Здійснити такий контроль можна за допомогою демпфера. На жорсткий кінець вала ротора надягали распружіненное кільце з внутрішніми виступами. Ці виступи стосуються вала, так що при найменшому його відхиленні разом з ним переміщується кільце. Виступи кільця є як би датчиками автоматичного регулятора. При переміщенні кільця пружини роблять роботу, поглинаючи надлишкову енергію, і вал повертається в попереднє положення. Пружини служать виконавчим органом і виконують роль сервомотора автоматичного регулятора (рис. 12). Вібрацію такий центрифуги не вдавалося виявити ніякими засобами. Обертання було абсолютно стійким.
Демпфіровать кінці ротора можна різними методами: механічними, гідравлічними, електричними, магнітними, пневматичними і т. Д. Застосування в якості демпфера відцентрового вакуум-затвора дає можливість не тільки позбутися від підшипників, а й обертати ротор в вакуумі, т. Е. Позбутися також від тертя ротора об повітря (рис. 13).
Переконує досвід, який легко може виконати кожен, користуючись підручними засобами. Потрібні відро, вода, електродвигуни на 100-150 вт, прутик "сріблянки" і гумова трубка. Зберіть "установку" (рис. 14), включіть електродвигуни. Поки в відрі немає води, прутик б'є по відру. Налийте у відро води, і "ротор", обертаючись, витягується в струнку.
Я такий досвід виконав. І у мене майнула нова думка. Витягую скляну трубку на гострий конус. Повторюю досвід з маслом. Масло навивается на конус і піднімається вгору.
При центрифугуванні в'язких рідин (патоки, олії і т. П.) Так можна використовувати демпфер як живильника.
Заодно патока могла б очищатися від мінеральних домішок.
Мал. 13. Як демпфера використаний відцентровий вакуум-затвор. Самобалансірующіхся ротор обертається у вакуумі.
Мал. 14. переконайтеся самі! Вода демпфує кінець буйно поводиться прута, і він упокорюється.
Мінерали, важчі, пробивали б поверхневу плівку Рідини. Плівка ж регенерується подібно до того, як затягується отвір від кулі в бензобаку, захищеному гумою.
Усунення підшипників, автоматичне балансування і як наслідок цього стійкість обертання відкривають великі можливості в центріфугостроеніі. Конструкції центрифуг спрощуються. Їх можна розраховувати з меншим запасом міцності, т. Е. При тому ж матеріалі допускати великі, ніж раніше, швидкості. А виготовлення ротора з легкого, міцного сплаву (наприклад, за нашою пропозицією +1954 г.- зі сплаву на титанової основі) дозволить ще в 1,5 рази прискорити вращеніе34. При відсутності вібрації це у багато разів підвищить роздільну здатність і продуктивність центрифуг.
Самобалансірующіхся центрифуги можна встановлювати без фундаментів, обов'язкових для всіх інших відомих центрифуг. Їх можна розміщувати і на верхніх поверхах будівель, коли цього вимагає технологічний процес, переставляти з місця на місце майже так само просто, як меблі в кімнаті.
За цим же принципом можна будувати самобалансірующіхся, невібрірующіе осьові вентилятори, димососи, ротоклони і турбинки. Підвіску ротора можна зробити не зверху, а знизу. Це буде зручно для установки осьових димососів прямо внизу димової труби. Машини відцентрового лиття для виготовлення особливо щільних і якісних виливків, відцентрові машини для отримання абсолютно однорідного по товщині мінерального і іншого штучного волокна, машини для формування напірних залізобетонних труб - ось далеко не повний перелік нових областей для використання нашої центрифуги.
Новий спосіб вимагає і нового вирішення проблеми "внутрішнього транспорту", який, як відомо, теж пов'язаний з підведенням енергії ззовні. І тут потрібно обов'язково усунути жорсткі зв'язку механізму з приводом.
Це досягається застосуванням гідравлічного двигуна, що використовує гідростатичний тиск, який виникає в рідині при її обертанні. Тиск може привести в рух поршневий гідравлічний двигун або турбіну, як це показано на прикладі безперервно діючої отстойной центрифуги (рис. 15).
Мал. 15. Ротор самобалансірующіхся шнековой центрифуги:
1 - порожнистий вал; 2 - гідравлічна турбіна; 3 - шток, на якому порожнистий вал підвішений до корпусу ротора; 4 - плаваючий шнек, з'єднаний з муфтою; 5 - гідравлічна муфта; I. - харчування; II. - злив; III. - вихід осаду; IV - силова вода.
Шнек обертається усередині ротора. Вода з-під крана впорскується в порожнистий вал ротора і потрапляє в турбіну, захоплюється в обертання ротором. Під дією обертання турбіни в воді розвивається тиск, під яким вона викидається з сопла і змушує обертатися гідравлічну муфту, з'єднану зі шнеком.
Внутріроторний механізм може бути зроблений невагомим. Це не обмовка. Якщо занурені в суспензію лопаті шнека, лопатки і т. П. Зробити плавучими, то сила, що виштовхує їх з рідини, множиться в стільки разів, у "скільки відцентрове прискорення більше прискорення сили тяжіння. Розрахунок показує, що в центрифузі діаметром 20 см з числом оборотів 10 тис. в хвилину на пустотілі плавучі лопатки, зроблені з легкого матеріалу, діє виштовхуюча сила більше тонни. Ця сила цілком може врівноважити ті відцентрові сили, які розвиваються в частинах внутріроторного механізму, що не занурених у суспензію.
Мал. 16. Ротор відцентрового екстрактора:
1 - рама з поворотними гребками; 2 - поршневий гідравлічний двигун; 3 - порожнистий вал для силової води; 4 - трубка для подачі промивної рідини; 5 - зворотний фільтр; I. - харчування; II. - злив фільтрату; III. - відпрацьована силова вода; IV. - промитий осад; V. - промивна рідина; а. - зона фільтрування; б. - зона ексракціі; в. - зона противоточной промивання; м - зона сушіння.
Плаваючий внутріроторний механізм внаслідок повної врівноваженості сил не може викликати внутрішнього дисбалансу. Втрати на тертя зведені до мінімуму. Виходить велика економія енергії.
Фронт незнання був прорваний. Думки обганяли одна одну. Ми з професором Ф. Ф. Ланге працювали вже в різних місцях, але справжня наша життя вирувало з 7 до 10 вечора в бесідах, розрахунках, обміні здогадками, в жорстокій взаємної критики, і так до тих пір, поки чергове винахід не ставало доведеним , переконливим і здатним на самостійне існування в бурхливому життєвому морі. Все частіше в наші розмови уклинювалася тема - винахідництво. Ми обидва багато читали. Розмовляти нам було легко. Один одного ми розуміли добре. Через багато років професор, згадуючи ці розмови, до мого нескінченного здивування, подякував мені за те, що я навчив його діалектиці.
Народжувалося ціле плем'я центрифуг. Кілька років в якомусь захваті ми перемелювали найскладніші і злободенні завдання хімічної та металургійної технології і вирішували їх центрифугами і центрифугами. Співдружність виявилося дуже плідним і корисним.
Ми працювали колективно, але в продукті кожен з нас бачив свій внесок. Думки не знеособлювати, а доповнювали і розвивали один одного. Пояснювали, уточнювали, розширювали поле дії.
Центрифуги з екзотичного апарату перетворювалися в універсальний апарат, істотно збільшує можливості багатьох технологічних процесів. Ми поставили собі за мету замінювати однієї центрифугою цілі цехи і заводи і дещо в цьому напрямку зробили. Ось про що варто розповісти.
Для того щоб швидко витягти (або видалити) з подрібненого твердого речовини якийсь компонент, його змішують з розчинником цього компонента, певний час перемішують суміш, потім відділяють розчин від твердого залишку. Після цього залишок промивають щоб уникнути втрат розчинника і витягнутого компонента і для забезпечення чистоти одержуваного твердого залишку. Доводиться кілька разів репульпіровать твердий залишок і таким чином добиватися бажаних результатів за кілька прийомів.
Самобалансірующіхся центрифуги дозволяють весь цей процес спростити. Все буде робити один-єдиний основний апарат - центрифуга-екстрактор.
На рис. 16 показаний ротор центрифуги-екстрактора з поршневим двигуном. При належному виборі числа і розмірів гребків, величини їх ходу, числа ходів в хвилину і товщини шару осаду можна уникнути з'єднання між собою канавок, що прокладаються гребками при переміщенні осаду. Рідина, рухаючись до зливного порога, буде просочуватися крізь шар осаду за принципом протитечії. Гребки до того ж добре перемішують осад. Високого ступеня відмивання розчину від осаду можна в цих умовах домогтися найменшим кількістю промивної рідини. Ця центрифуга дозволить здійснити ідеальний процес поділу суспензії: осад НЕ буде практично містити початкового розчинника, а кількість чистого зливу буде в точності відповідати первинної кількості розчинника.
Наші центрифуги можуть вирішувати такі завдання, які явно протипоказані звичайним центрифуг.
Візьмемо хоча б гелевидні опади.
Гелевидні опади - це камінь спотикання для інженерів. Фільтруються вони дуже повільно і утримують дуже багато розчину. Для їх фільтрування і промивання потрібна велика фільтруюча поверхня, т. Е. Цілі "фільтрувальні заводи" всередині заводу з цілим морем розчинів. Поява при розробці будь-якого нового процесу гелеобразних опадів зазвичай змушує відмовитися від цього варіанту процесу, як би гарні не були його інші показники. Ці опади - один з тупиків сучасної техніки.
Згадайте, читач, своє дитинство! Згадайте, як ви розминали глину, бажаючи виліпити з неї забавних звіряток та інші фігурки. Грудку глини при багаторазовому перекиданні в руках розріджується, і на поверхні його виступає волога. Цю вологу можна було навіть зібрати на промокашку. Ось ця техніка дитячої скульптури і була використана нами. Відділення вологи від гідратних опадів можливо, звичайно, тільки стосовно тієї частини вологи, яка не пов'язана з ними хімічно. Для зневоднення таких важких опадів добре застосувати метод багаторазових ударів в з-, четанія з фільтруванням. Ось як виглядає така центрифуга (рис. 17).
Потрапляючи в планетарно обертові барабани центрифуги, сира маса втягується в складний рух. Ковші, укріплені на внутрішній поверхні барабанів, "піднімають" масу з положення А в положення Б. ковші так влаштовані, що в "верхньому" положенні Б вони перестають утримувати масу, і під дією різниці відцентрових сил в точці А і Б вона "падає" назад в точку А. При ударі впав грудку маси частково виділяє вологу, яка просочується крізь фільтруючу стінку барабана. Осад з кожним падінням наближається до розвантажувального кінця і виходить з центрифуги зневоднених.
Удари і переміщення мас усередині ротора протипоказані звичайним центрифуг, і для них ударне фільтрування річ неможлива. Самобалансування центрифуги і в цьому випадку забезпечує абсолютно спокійну роботу.
Мал. 17. Ротор центрифуги для фільтрування з ударами:
1 - ротор центрифуги; 2 - барабан, що обертається планетарно і плаваючий всередині ротора; 3 - гідравлічний привід барабанів; 4 - ковші; 5 - жолоб-проводок; 6 - фільтрувальна тканина; I - харчування; II - слив фільтрату; III - видалення зневодненого залишку; IV - впорскування води або оборотного зливу.