"Как рождаются изобретения."

Мухачев В.М.
(М. "Московский рабочий", 1968 (стр. 68-79))

Техника центрифугирования зашла в тупик. Произошло это потому, что, следуя древней идее колеса с фиксированными цапфами (хотя бы одной!), конструкторы не только "принуждали" ротор вращаться вокруг оси, не совпадающей с его осью инерции, но и не учитывали принципиальную неустойчивость вращения роторов вокруг их продольной оси.

Задачи технического прогресса в создании центрифуг были сформулированы совершенно четко: 1) необходимо исключить вибрацию и 2) добиться устойчивости вращения роторов вокруг продольной оси.

Ротор нужно освободить от ограничений подшипников. Тогда он сам собою станет вращаться вокруг своей оси инерции подобно, скажем, небесным телам. В этом и состоит простой и ясный секрет планеты, объясняющий, почему она не вибрирует и не переворачивается.

Наша планета, как и все другие небесные тела, вращается точно вокруг своей оси инерции и не получает никакой дополнительной энергии, которая могла бы повернуть в мировом пространстве ее ось вращения.

Рис. 11. Скручивания канатика можно избежать, обмотав его прочной проволокой виток к витку (а). Всегда остающиеся между витками люфты позволяют канатику немного изгибаться. При небольших изгибах вал остается гибким, обеспечивая этим вращение ротора вокруг оси инерции (б). При более значительном изгибе вала люфты между витками в направлении изгиба выбираются, и вал становится жестким (в). Поэтому хотя при толчке ротор и отклоняется и начинает описывать конус, но в пращу не превращается.

Вот и надо делать центрифуги, как планеты. При этом, естественно, исчезнет какой бы то ни было дисбаланс. Неточности изготовления и неравномерное распределение масс поведут только к тому, что ось вращения будет расположена не совсем так, как ожидалось при расчете.

Но разница будет практически не существенна.

Чтобы освободить ротор, недостаточно избавить его от подшипников. Его следует также освободить и от жестких связей с приводом. Вал, по которому подводится энергия, должен быть гибким. Может быть, для этой цели пригоден канатик или шнурок? Но они скручиваются. Скручивания канатика, однако, можно избежать, обмотав его одним или несколькими слоями прочной проволоки.

Рис.12. Подвешиванием ротора на канатике, обмотанном проволокой, с демпфировкой одного или обоих концов достигается устойчивое вращение в неустойчивом положении. В качестве демпфера применено распружиненное следящее кольцо.

В этой намотке между витками всегда остаются небольшие, микронные люфты, которые только и нужны для самобалансировки ротора. При более же значительном изгибе люфты между витками в направлении изгиба выбираются, и вал становится жестким. Таким образом, ротор может вращаться вокруг своей оси инерции и не вибрировать. Но этого недостаточно. Если этим способом подвесить и вращать удлиненный ротор, он все равно при первом же "комарином" толчке выйдет из неустойчивого положения и начнет описывать в пространстве конус (рис. 11).

А что, если преградить доступ дополнительной энергии, выводящей удлиненный ротор из неустойчивого равновесия? Не получая дополнительной энергии, ротор не сможет описывать в пространстве конус. Мы знаем, что дополнительную - вредную - энергию ротор накапливает, изменяя свое положение в пространстве. Значит, надо тщательно и непрерывно следить за положением ротора и при малейшем его отклонении отнимать ту часть дополнительной энергии, которая выводит его из равновесия.

Если своевременно позаботиться о том, чтобы ротор не получал излишней энергии, то отнимать придется ничтожную мощность - порядка нескольких эрг в секунду. Осуществить такой контроль можно с помощью демпфера. На жесткий конец вала ротора надевали распружиненное кольцо с внутренними выступами. Эти выступы касаются вала, так что при малейшем его отклонении вместе с ним перемещается кольцо. Выступы кольца являются как бы датчиками автоматического регулятора. При перемещении кольца пружины совершают работу, поглощая избыточную энергию, и вал возвращается в прежнее положение. Пружины служат исполнительным органом и выполняют роль сервомотора автоматического регулятора (рис. 12). Вибрацию такой центрифуги не удавалось обнаружить никакими средствами. Вращение было совершенно устойчивым.

Демпфировать концы ротора можно различными методами: механическими, гидравлическими, электрическими, магнитными, пневматическими и т. д. Применение в качестве демпфера центробежного вакуум-затвора дает возможность не только избавиться от подшипников, но и вращать ротор в вакууме, т. е. избавиться также от трения ротора о воздух (рис. 13).

Убеждает опыт, который легко может проделать каждый, пользуясь подручными средствами. Нужны ведро, вода, электромоторчик на 100-150 вт, прутик "серебрянки" и резиновая трубка. Соберите "установку" (рис. 14), включите электромоторчик. Пока в ведре нет воды, прутик хлещет по ведру. Налейте в ведро воды, и "ротор", вращаясь, вытягивается в струнку.

Я такой опыт проделал. И у меня мелькнула новая мысль. Вытягиваю стеклянную трубку на острый конус. Повторяю опыт с маслом. Масло навивается на конус и поднимается вверх.

При центрифугировании вязких жидкостей (патоки, масла и т. п.) так можно использовать демпфер в качестве питателя.

Заодно патока могла бы очищаться от минеральных примесей.

Рис. 13. В качестве демпфера использован центробежный вакуум-затвор. Самобалансирующий ротор вращается в вакууме.

Рис. 14. Убедитеся сами! Вода демпфирует конец буйно ведущего себя прута, и он смиряется.

Минеральные частицы, более тяжелые, пробивали бы поверхностную пленку Жидкости. Пленка же регенерируется подобно тому, как затягивается отверстие от пули в бензобаке, защищенном резиной.

Устранение подшипников, автоматическая балансировка и как следствие этого устойчивость вращения открывают большие возможности в центрифугостроении. Конструкции центрифуг упрощаются. Их можно рассчитывать с меньшим запасом прочности, т. е. при том же материале допускать большие, чем раньше, скорости. А изготовление ротора из легкого, прочного сплава (например, по нашему предложению 1954 г.- из сплава на титановой основе) позволит еще в 1,5 раза ускорить вращение34. При отсутствии вибрации это во много раз повысит разделительную способность и производительность центрифуг.

Самобалансирующиеся центрифуги можно устанавливать без фундаментов, обязательных для всех других известных центрифуг. Их можно размещать и на верхних этажах зданий, когда этого требует технологический процесс, переставлять с места на место почти так же просто, как мебель в комнате.

По этому же принципу можно строить самобалансирующиеся, невибрирующие осевые вентиляторы, дымососы, ротоклоны и турбинки. Подвеску ротора можно сделать не сверху, а снизу. Это будет удобно для установки осевых дымососов прямо внизу дымовой трубы. Машины центробежного литья для изготовления особо плотных и качественных отливок, центробежные машины для получения совершенно однородного по толщине минерального и другого искусственного волокна, машины для формовки напорных железобетонных труб - вот далеко не полный перечень новых областей для использования нашей центрифуги.

Новый способ требует и нового решения проблемы "внутреннего транспорта", который, как известно, тоже связан с подводом энергии извне. И здесь нужно обязательно устранить жесткие связи механизма с приводом.

Это достигается применением гидравлического двигателя, использующего гидростатическое давление, которое возникает в жидкости при ее вращении. Давление может привести в движение поршневой гидравлический двигатель или турбину, как это показано на примере непрерывно действующей отстойной центрифуги (рис. 15).

Рис. 15. Ротор самобалансирующей шнековой центрифуги: 1 - полый вал; 2 - гидравлическая турбина; 3 - шток, на котором полый вал подвешен к корпусу ротора; 4 - плавающий шнек, соединенный с муфтой; 5 - гидравлическая муфта; I. - питание; II. - слив; III. - выход осадка; IV - силовая вода.

Шнек вращается внутри ротора. Вода из водопровода впрыскивается в полый вал ротора и попадает в турбину, увлекаемую во вращение ротором. Под действием вращения турбины в воде развивается давление, под которым она выбрасывается из сопел и заставляет вращаться гидравлическую муфту, соединенную со шнеком.

Внутрироторный механизм может быть сделан невесомым. Это не оговорка. Если погруженные в суспензию лопасти шнека, лопатки и т. п. сделать плавучими, то сила, выталкивающая их из жидкости, умножается во столько раз, во" сколько центробежное ускорение больше ускорения силы тяжести. Расчет показывает, что в центрифуге диаметром 20 см с числом оборотов 10 тыс. в минуту на пустотелые плавучие лопатки, сделанные из легкого материала, действует выталкивающая сила более тонны. Эта сила вполне может уравновесить те центробежные силы, которые развиваются в частях внутрироторного механизма, не погруженных в суспензию.

Рис. 16. Ротор центробежного экстрактора: 1 - рама с поворотными гребками; 2 - поршневой гидравлический двигатель; 3 - полый вал для силовой воды; 4 - трубка для подачи промывной жидкости; 5 - обратный фильтр; I. - питание; II. - слив фильтрата; III. - отработанная силовая вода; IV. - промытый осадок; V. - промывная жидкость; а. - зона фильтрования; б. - зона эксракции; в. - зона противоточной промывки; г. - зона сушки.

Плавающий внутрироторный механизм вследствие полной уравновешенности сил не может вызывать внутреннего дисбаланса. Потери на трение сведены к минимуму. Получается большая экономия энергии.

...Фронт незнания был прорван. Мысли обгоняли одна другую... Мы с профессором Ф. Ф. Ланге работали уже в разных местах, но настоящая наша жизнь била ключом с 7 до 10 вечера в беседах, расчетах, обмене догадками, в жестокой взаимной критике, и так до тех пор, пока очередное изобретение не становилось доказанным, убедительным и способным на самостоятельное существование в бурном житейском море. Все чаще в наши разговоры вклинивалась тема - изобретательство. Мы оба много читали. Разговаривать нам было легко. Друг друга мы понимали хорошо... Через много лет профессор, вспоминая эти разговоры, к моему бесконечному удивлению, поблагодарил меня за то, что я научил его диалектике.

Рождалось целое племя центрифуг. Несколько лет в каком-то упоении мы перемалывали самые сложные и злободневные задачи химической и металлургической технологии и решали их центрифугами и центрифугами. Содружество оказалось очень плодотворным и полезным.

Мы работали коллективно, но в продукте каждый из нас видел свой вклад. Мысли не обезличивались, а дополняли и развивали друг друга... Объясняли, уточняли, расширяли поле действия...

Опыт такой работы говорит, по-моему, о том, что творческий коллектив не может быть большим. Это - два, три человека максимум. Длинные списки авторов, украшающие некоторые авторские свидетельства, образовались, по-видимому, путем включения в число авторов также и тех людей, которые помогали продвигать изобретение. Такая практика, на мой взгляд, ведет к тому, что подлинные авторы не выявляются. С таким неуважительным отношением к авторству, мешающим изобретательству, надо бы по-настоящему бороться. К включению в список соавторов следует относиться очень критически и законодательным путем установить такой порядок, чтобы в авторском свидетельстве было точно указано, что именно каждый из соавторов изобрел. Это вытекает из ясного материалистического положения о том, что, как говорит советский философ П. В. Таванец, "мысль есть продукт материи, достигшей в своем развитии высокой ступени совершенства, а именно - продукт мозга. Отсюда следует, что любая мысль возникает и существует только как чья-то мысль, как мысль того или иного человека. Ничьих мыслей быть не может" 35.

Центрифуги из экзотического аппарата превращались в универсальный аппарат, существенно увеличивающий возможности многих технологических процессов. Мы поставили цель заменять одной центрифугой целые цехи и заводы и кое-что в этом направлении сделали. Вот о чем стоит рассказать.

Для того чтобы быстро извлечь (или удалить) из измельченного твердого вещества какой-то компонент, его смешивают с растворителем этого компонента, определенное время перемешивают смесь, затем отделяют раствор от твердого остатка. После этого остаток промывают во избежание потерь растворителя и извлеченного компонента и для обеспечения чистоты получаемого твердого остатка. Приходится несколько раз репульпировать твердый остаток и таким образом добиваться желаемых результатов за несколько приемов.

Самобалансирующиеся центрифуги позволяют весь этот процесс упростить. Все будет делать один-единственный основной аппарат - центрифуга-экстрактор.

На рис. 16 показан ротор центрифуги-экстрактора с поршневым двигателем. При надлежащем выборе числа и размеров гребков, величины их хода, числа ходов в минуту и толщины слоя осадка можно избежать соединения между собой канавок, прокладываемых гребками при перемещении осадка. Жидкость, двигаясь к сливному порогу, будет просачиваться сквозь слой осадка по принципу противотока. Гребки к тому же хорошо перемешивают осадок. Высокой степени отмывки раствора от осадка можно в этих условиях добиться самым малым количеством промывной жидкости. Эта центрифуга позволит осуществить идеальный процесс разделения суспензии: осадок не будет практически содержать первоначального растворителя, а количество чистого слива будет в точности соответствовать первоначальному количеству растворителя.

Наши центрифуги могут решать такие задачи, какие явно противопоказаны обычным центрифугам.

Возьмем хотя бы гелеобразные осадки.

Гелеобразные осадки - это камень преткновения для инженеров. Фильтруются они очень медленно и удерживают очень много раствора. Для их фильтрования и промывки требуется большая фильтрующая поверхность, т. е. целые "фильтровальные заводы" внутри завода с целым морем растворов. Появление при разработке какого-либо нового процесса гелеобразных осадков обычно заставляет отказаться от данного варианта процесса, как бы хороши ни были его другие показатели. Эти осадки - один из тупиков современной техники.

Вспомните, читатель, свое детство! Вспомните, как вы разминали глину, желая вылепить из нее забавных зверюшек и другие фигурки. Комок глины при многократном перебрасывании в руках разжижается, и на поверхности его выступает влага. Эту влагу можно было даже собрать на промокашку. Вот эта техника детской скульптуры и была использована нами. Отделение влаги от гидратных осадков возможно, конечно, только в отношении той части влаги, которая не связана с ними химически. Для обезвоживания таких трудных осадков хорошо применить метод многократных ударов в со-, четании с фильтрованием. Вот как выглядит такая центрифуга (рис. 17).

Попадая в планетарно вращающиеся барабаны центрифуги, сырая масса вовлекается в сложное движение. Ковши, укрепленные на внутренней поверхности барабанов, "поднимают" массу из положения А в положение Б. Ковши так устроены, что в "верхнем" положении Б они перестают удерживать массу, и под действием разности центробежных сил в точке А и Б она "падает" обратно в точку А. При ударе упавший комок массы частично выделяет влагу, которая просачивается сквозь фильтрующую стенку барабана. Осадок с каждым падением приближается к разгрузочному концу и выходит из центрифуги обезвоженным.

Удары и перемещения масс внутри ротора противопоказаны обычным центрифугам, и для них ударное фильтрование вещь невозможная. Самобалансирование центрифуги и в этом случае обеспечивает совершенно спокойную работу.

Рис. 17. Ротор центрифуги для фильтрования с ударами: 1 - ротор центрифуги; 2 - барабан, вращающийся планетарно и плавающий внутри ротора; 3 - гидравлический привод барабанов; 4 - ковши; 5 - желоб-проводок; 6 - фильтровальная ткань; I - питание; II - слив фильтрата; III - удаление обезвоженного остатка; IV - впрыск воды или оборотного слива.