3.6. Центробежные насосы

Первое устройство, имевшее 10 деревянных искривленных лопастей, относится историками к V веку. Оно было найдено в заброшенном медном руднике в Сан-Доминго (Португалия) в 1772 году. Однако пока не создана достаточно достоверная гипотеза его использования.

Подача воздуха в металлургические печи с древнейших времен была одной из важнейших задач техники. Поэтому не удивительно, что в средние века появилась воздуходувная машина «Неssians», изобретенная неизвестным мастером. Она не получила широкого применения, так как требовала высокоскоростного привода, не существовавшего в то время. Воздуходувка имела ротор с четырьмя прямыми лопастями, ротор размещался с небольшим зазором в цилиндрическом корпусе. Входное отверстие размещалось в боковой стенке, через другую торцевую стенку выходил вал для вращения ротора, выходная труба постоянного сечения присоединилось к боковой поверхности корпуса. Подобную машину сейчас называют центробежным вентилятором или воздуходувкой в зависимости от величины напора.

Несколько эскизов центробежных машин сделано рукою великого Леонардо да Винчи. В 1657 г. описан насос Бланкино в виде двух вращающихся на общей раме наклонных трубок, нижние концы которых опущены в воду, а верхние расположены над круговым сосудом, куда стекает вода. Дени Папен (Denis Papin, 1647–1714), французский врач, физик и инженер, решил приспособить воздуходувку для подачи воды. После первой конструкции в 1689 году он усовершенствовал машину и в 1705 году создал насос, приближающийся по виду к современным. Папен применил спиральный кожух с постепенно увеличивающимся по направлению вращения сечением. Нужно отметить, что и до Папена и после него изобретались заново и по всей вероятности независимо от него центробежные машины для подачи воздуха и воды менее удачные по конструкции. А одним из изобретателей был великий Леонард Эйлер (1707–1783), который впервые дал математический анализ рабочего процесса радиальной лопастной машины. В России первые центробежные машины для подачи воздуха и воды (под названием «водогон») были созданы инженером, генерал-лейтенантом А. А. Саблуковым (1783–1857) в 30-х годах XIX века.

Рис. 3.16. Насос Саблукова

Название центробежный насос означает, что жидкость в этой машине перемещается от центра к периферии. Основными силами являются не центробежные силы инерции, равнодействующая которых проходит через центр вращения и поэтому, имея нулевой момент, не может участвовать в силовом взаимодействии лопастей и жидкости, а кориолисовы силы инерции и силы, подобные подъемной силе крыла самолета. По всей вероятности изобретатели первых центробежных машин не могли правильно понимать все особенности рабочего процесса своих созданий.

Рис. 3.17. Центробежный насос Папена

В 1818 году на основе разработок Папена американская насосная фабрика в штате Массачуcетс начала производство центробежных насосов с открытым рабочим колесом, имеющим прямолинейные лопасти. Через 13 лет, в 1831 году, фирма «Blake Co» в штате Коннектикут приступила к выпуску вертикальных насосов с полуоткрытым рабочим колесом. В 1838 году появляется статья Джона Комбса (Combs) о значении кривизны лопастей, которая явилась важным фактором в разработке лопастных насосов. Уже через год Уильям Эндрюс (Andrews) начинает выпуск насосов со спиральной камерой, а в 1846 году создает модель с закрытым рабочим колесом. Приблизительно в это же время Джон Эппольд (Jhon Appold) проводит серию специально поставленных экспериментов для определения наилучшей формы рабочего колеса.

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 (Gwinn, 1800–1855) создал многоступенчатый насос. Выигрывая по габаритам, он все-таки уступал поршневому насосу по эффективности. Проблема была столь важной, что к ее решению привлекли одного из крупнейших гидромехаников Осборна Рейнольдса (Osborn Reynolds, 1842–1912), который получил патент на многоступенчатый насос с лопастными направляющими аппаратами между рабочими колесами. Такая конструкция применяется и в настоящее время.

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, V_2u и V_1u окружные составляющие жидкости на выходном r_2u и входном r_1u 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.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.