Страница 8 из 13
Рис. 3.18. Насос Эппольда
В 1851 году, когда появились высокооборотные паровые машины и были разработаны основы гидромеханики, на Всемирной промышленной выставке в Лондоне было представлено несколько образцов центробежных насосов, которые могли заметно сузить область использования хорошо известных с древности поршневых насосов. Лучшая конструкция принадлежала Джону Эппольду (1800–1865). Его насос с двухсторонним колесом и лопатками, загнутыми назад по отношению к направлению вращения при подаче 94 литра в секунду и напоре 6 метров имел коэффициент полезного действия 68 процентов. Еще лучших результатов добился несколько лет спустя Джеймс Томсон (James Thomson, 1822–1892), брат знаменитого физика лорда Кельвина, за счет рационального профилирования спирального отвода с коническим выходным патрубком.
Центробежный насос проигрывает поршневому в области больших напоров. Поэтому один из участников Всемирной выставки в Лондоне Гвинн (Gwi
К концу прошлого века электродвигатель и паровая турбина стали промышленными машинами. С начала двадцатого века центробежный насос с электродвигателем получает все большее применение в Европе и в Америке, вытесняя поршневой насос, так как разница в массовых и габаритных показателей столь значительна, что покрывала собой некоторое, иногда значительное преимущество поршневого насоса перед центробежным насосом по коэффициенту полезного действия. С течением времени по мере совершенствования центробежных насосов в основном за счет улучшения методов расчета эта разница постепенно сглаживалась. В настоящее время она удерживается только в области очень высоких напоров и малых подач, где центробежный насос уступает по эффективности поршневому.
Рис. 3.19. Насос Гвинна
Напор одноступенчатых центробежных насосов, серийно выпускаемых промышленностью, достигает 120 м, подача – 30 м3/с. Серийно выпускаемые многоступенчатые насосы развивают напор до 2000 м при подаче до 0,1 м3/с. КПД в зависимости от конструктивного исполнения меняется в широких пределах: от 0,85 до 0,9 у крупных одноступенчатых насосов и 0,4–0,45 у высоконапорных многоступенчатых. Параметры центробежных насосов специального изготовления, как одноступенчатых, так и многоступенчатых, могут быть значительно выше.
Самый мощный насос в мире функционирует в американском штате Виргиния. Наружный диаметр его рабочего колеса составляет 6,5 метров, частота вращения – 257 оборотов в минуту, напор – 393 метра, мощность – 457 000 000 ватт. Самый маленький центробежный насос, известный автору, имел наружный диаметр 8 миллиметров.
Рис. 3.20. Многоступенчатый питательный насос
Один из исследователей истории создания насосов, Авраам Энжеда (Abraham Engeda), отметил, что «насосы имеют длинную хронологию, но теория далека от практики». В наибольшей степени это относится к лопастным насосам»: центробежным и осевым. Создание эффективных энергетических машин этого типа невозможно только путем инженерной интуиции и накопления опытных данных. Потребовалось создание продуктивной теории, основанной на математических моделях различной степени сложности.
Пальму первенства традиционно отдают Леонардо да Винчи, однако его достижения в этой области стали широко известны уже после создания более полных теоретических исследований и достаточно эффективных машин. Некоторые приписывают приоритет Иоганну Иордану (Johan Iordan), человеку менее известному, который в 1680 году рассматривал принцип действия радиальных лопастных машин.
В 1754 году проблемами, связанными с лопастными насосами и турбинами, называемыми также турбомашинами, заинтересовался великий математик Леонард Эйлер (Leonahrd Euler). На основе общих законов механики он получил основное уравнение теории турбомашин, которое дало возможность создания математических моделей этих машин.
В этом уравнении M момент взаимодействия потока жидкости и рабочего колеса, V2u и V1u окружные составляющие жидкости на выходном r2u и входном r1u радиусах рабочего колеса.
Публикация статьи Эйлера способствовала разработкам в первую очередь гидравлических турбин, но ее содержание было недостаточным для детального проектирования проточной части машин. Потребовалось множество экспериментальных исследований и математических моделей, например схеме бесконечного числа тонких лопаток, чтобы можно было провести расчет реальных конструкций.
Отметим, что в 1752 году (за два года до публикации статьи Эйлера) выдающийся английский инженер Джон Смитон (John Smeaton) разработал несколько моделей для изучения турбомашин. Именно он ввел мощность потока жидкости как эквивалент скорости подъема тяжести.
Важнейшим этапом в истории насосостроения явился выход в свет в 1924 году первого издания монографии Карла Пфлейдерера (Carl Pfleiderer, 1881–1953) по расчету и проектированию насосов. В дальнейшем эта книга многократно переиздавалась на нескольких языках, в том числе и на русском.
Профессор Карл Пфлейдерер (Carl Pfleiderer) по праву считается основателем современной теории лопастных насосов. Он родился в 1881 году в Вайблингене, учился в Штутгартском институте машиностроения, где и получил ученую степень доктора наук. Успешно сочетал научную теоретическую деятельность с исследовательской работой на производстве и преподаванием в Брауншвейгском машиностроительном институте. В 1924 году издал свой капитальный труд «Лопастные насосы», получивший международное признание. Создал свой институт, который передал наследнику за семь лет до смерти.
Безусловно, следует отметить плеяду насосников нашей страны, внесший неоценимый вклад в теорию и практику насосостроения и вентиляторостроения: И. И. Куколевского, И. Н. Вознесенского, Г. Ф. Проскуры, А. Е. Караваева, А. А. Ломакина, В. И. Поликовского, С. С. Руднева, Б. В. Овсянникова. Одна из значительных монографий по насосотроению, изданная в США, написана уроженцем России А. И. Степановым.
3.7. Насосы трения
Трудоемкость изготовления центробежных насосов определяется сложностью формы лопастей рабочего колеса, являющегося иногда поверхностями двоякой кривизны. Поэтому в 1905 году появилась конструкция радиальной машины без лопастей – дисковый насос и другие конструкции.
Рис. 3.21. Дисковый насос
Возникновение концепции дискового насоса относится к 1850 году. Насос был изобретен в Соединенных Штатах Сарджентом (Sargent), который, взяв набор из 29 параллельных дисков, располагающихся с интервалом в несколько тысячных дюйма, поместил их в оболочку из металлической полосы и проделал в этой полосе множество отверстий, позволяющих жидкости проникать в конструкцию и выходить из нее. Это был первый пример насоса, действующего, исключительно, на основе принципа пограничного слоя и вязкостного сопротивления. Однако эффективность машины оставляла желать лучшего. Отметим, что в дальнейшем идея перфорированной оболочки в выходном сечении рабочего колеса нашла свое применение в разработках А. В. Бобкова и Б. В. Овсянникова для расширения области применения малоразмерных центробежных насосов.