Страница 10 из 13
Лопастные насосы, центробежные и осевые, имеют в своей конструкции конфузорные и, чаще, диффузорные каналы. В конфузорных каналах скорость течения жидкости увеличивается, а давление уменьшается. В диффузорных каналах, наоборот, скорость жидкости уменьшается, а давление увеличивается. Таким образом, жидкость в таких каналах перемещается против сил давления по инерции. На стенках каналов частицы жидкости вследствие вязкости имеют нулевую скорость, в середине канала максимальную. Образующийся вблизи стенки канала пограничный слой обусловливает эффективность преобразования энергии в гидравлических и газовых машинах. Так как вблизи стенки частицы жидкости обладают относительно низким значением кинетической энергии, они могут образовать обратный поток в направлении, противоположном направлению основного течения в средней части канала. Описанное явление носит название отрыва потока и связано с большими потерями механической энергии, расcеиваемой в виде тепла. Поэтому точные расчеты необычайно важны в процессе создания лопастных машин, особенно осевых насосов и компрессоров. Для заданных параметров машины инженеры путем расчета подбирают наилучшую форму лопастей и внутренних обводов корпуса. Коэффициент полезного действия насосов доводят до 90 процентов. Подача серийно выпускаемых отечественной промышленностью осевых насосов колеблется от 0,5 до 45 м3/с при напорах от 2,5 до 27 м. Таким образом, по сравнению с центробежными осевые насосы имеют значительно большую подачу, но меньший напор.
3.9. Струйные насосы
Струйные насосы, для подачи воды – водоструйные, являются наиболее распространенными представителями струйных аппаратов. Они известны достаточно давно, но история не сохранила имен создателей этих устройств. Первую современную конструкцию и метод расчета дал в 1853 году, уже упоминавшийся в разделе о центробежном насосе, Джеймс Томсон (1822–1892), брат знаменитого физика лорда Кельвина. В струйном насосе нет подвижных деталей.
Жидкость с высокой потенциальной энергией поступает в конический сходящийся короткий трубопровод, называемый насадком или соплом. После увеличения скорости в насадке в камере смешения происходит обмен количеством движения между частицами рабочей жидкости, выходящей из сопла и подаваемой средой. В коническом диффузоре происходит переход кинетической энергии смеси рабочей и пассивной жидкостей в потенциальную. Струйные насосы просты по устройству и очень надежны в эксплуатации, но их коэффициент полезного действия не превышает обычно 30 процентов.
Рис. 3.25. Струйный насос
Смешиваемые потоки жидкости могут иметь одинаковые фазовые состояниях (вода-вода или воздух-воздух) и разные (вода-воздух, пар-вода). Создание пароводяного струйного аппарата является заслугой шотландского физика и инженера Уильяма Рэнкина (Rankin, 1820–1872).
3.10. Газлифты
Газлифты – это устройства для подъема капельной жидкости за счет энергии, имеющейся в смешиваемом с ней сжатом газе. Газлифты применяют для подъема нефти из скважин с помощью газа, выходящего из нефтеносных пластов, и для подачи воды посредством сжатого компрессором воздуха. Газ или воздух образуют в камере смешения эмульсию, которая поднимается по вертикальной трубе. Действие устройства основано на законе сообщающих сосудов: один из них – буровая скважина или резервуар, а другой – труба с эмульсией. Газлифты могут подавать воду на высоту до 200 метров и нефть до 1000 метров при часовой подаче до 500 кубических метров. Несмотря на невысокий коэффициент полезного действия, не более 36 процентов, газлифты применяются и в настоящее время. Первый газлифт создан в 1797 г. Лешером (?). Это устройство имеет и другие названия: пневматический насос, эрлифт, насос с воздушным нагнетанием, мамут-насос (по названию фирмы, наладивший выпуск эрлифтов).
3.11. Гидравлический таран
Гидравлический таран был изобретен в 1776 году англичанином Уайтерстом, заново придуман во Франции Жозефом Монгольфье (1740–1810), одним из двух братьев, знаменитых изобретателей воздушного шара, в 1796 году. Затем его исследовали и усовершенствовали различные ученые и изобретатели, и в их числе – «отец русской авиации» Н. Е. Жуковский. Это устройство служит в качестве насоса, приводимого в действие водой и поднимающего воду на более высокий уровень за счет уменьшения количества поднимаемой воды. В гидравлическом таране есть подвижные детали, но они не участвуют в процессе преобразования энергии, это – управляющие клапаны. Вода из сосуда по достаточно длинной трубе попадает в корпус, имеющий два клапана: выпускной, открывающийся при движении внутрь корпуса, и рабочий, открывающийся наружу, в воздушный колпак, который представляет собой сосуд с водой, частично заполненный воздухом.
Вначале оба клапана закрыты. Для запуска системы надо открыть выпускной клапан, опустив его вниз. Вода начинает через него течь с возрастающей постепенно скоростью. В некоторый момент времени перепад давления на клапане превысит его вес. Клапан быстро закроется, истечение жидкости прекратится и произойдет явление гидравлического удара, подробно исследованное Н. Е. Жуковским при изучении аварий на Мытищинском водопроводе. Механизм этого явления таков: при внезапном торможении достаточно длинного столба воды его кинетическая энергия преобразуется в потенциальную и давление в столбе воды резко повышается. Образовавшееся сжатие распространяется в направлении, противоположном первоначальному движению воды, со скоростью звука (свыше 1000 метров в секунду). Последствия смягчаются тем, что всякая труба не вполне жестка и может упруго растягиваться внутренним давлением. Тем не менее, в обычной водопроводной трубе вследствие гидравлического удара возможно повышение давления в 10–12 раз или в 150 раз больше атмосферного. Поэтому все водопроводные краны делают винтовыми, чтобы перекрывать струю воды постепенно.
Рис. 3.26. Гидравлический таран
Гидравлические тараны и сейчас применяются в сельской местности в системах орошения. Интересно отметим, что процесс, происходящий в этом устройстве, представляет полную аналогию (по крайней мере, в плане проведения расчетов) с процессами в генераторе с неоновой лампой.
3.12. Лучший в мире насос
Сердце – это насос, перекачивающий кровь. В спокойном состоянии оно перекачивает 5 литров крови в минуту, создавая в артерии давление свыше 100 миллиметров ртутного столба, что соответствует 1,5 метров водяного. Мощность сердца составляет приблизительно 2,5 ватта. Сердце в минуту сокращается от 60 до 100 раз. При нагрузках число сокращений увеличивается, а подача достигает 30 литров в минуту. В год оно сокращается около 40 миллионов раз, а за 75 лет жизни сердце перекачивает около 5 миллионов литров крови, делая 3 миллиарда сокращений. Ученые и инженеры уже много лет ведут работу по созданию искусственного сердца, но пока еще не создано насосов такой высокой эффективности и надежности.
3.13. Электромагнитные насосы
Для перекачивания расплавленных металлов и других электропроводящих жидкостей в последние годы созданы различные разновидности магнитогидродинамических насосов. Энергообмен происходит при взаимодействии магнитного поля индуктора с полем электрического тока, индуктируемого в проходящей через насос жидкости. По принципу действия индукционный насос аналогичен асинхронному двигателю, в котором жидкий проводник является обмоткой ротора. Эти насосы применяют в ядерной технике и металлургии. При работе на трехфазном переменном токе они имеют коэффициент полезного действия от 20 до 50 процентов.