устройство (гидравлическая машина, аппарат или прибор) для напорного перемещения (всасывания и нагнетания) главным образом капельной жидкости в результате сообщения ей внешней энергии (потенциальной и кинетической). Устройства для безнапорного перемещения жидкости Н. обычно не называют и относят к водоподъёмным машинам .
Основной параметр Н. - количество жидкости, перемещаемое в единицу времени, т. е. осуществляемая объёмная подача Q . Для большинства Н. важнейшими техническими параметрами также являются: развиваемое давление p или соответствующий ему напор H , потребляемая мощность N и кпд h.
Терминология. Названия большинства устройств, применяемых для всасывания и нагнетания жидкостей, состоят из слова 'Н.' и соответствующего определения, характеризующего, как правило, либо принцип его действия (например, центробежный, электромагнитный), либо особенности конструкции (горизонтальный, зубчатый, шиберный), либо подаваемую среду (например, грунтовой насос ). Иногда определительное слово фиксирует назначение или область применения Н. (например, лабораторный, дозировочный), тип привода (ручной, с электроприводом), а также автора конструкции (например, насос Гемфри) или название фирмы (насос СИХИ - по первым буквам слов Simen Hinsch; насос Фарко - по имени владельца завода). Некоторые из рассматриваемых устройств получили особые названия, например: газлифт , одна из конструкций которого называется маммут-насос, или насос Маммута; вытеснители , к которым относится монжус , называемый также насосом Монтежю, или пневматический Н.; гидроэлеватор , инжектор и эжектор , являющиеся разновидностями струйного Н. Под названием Н. известны также устройства совершенно иного назначения, например: вакуумные насосы , предназначенные для удаления газов из замкнутых объёмов; тепловой насос - установка для передачи теплоты из окружающей среды (воздуха или воды), имеющей низкую температуру, к объекту с более высокой температурой (например, к воде отопительной системы); Н. магнитного потока, осуществляющий периодические изменения магнитного потока в замкнутой цепи, и др.
Классификация. Устройства для напорного перемещения жидкостей разделяют на виды и разновидности по различным признакам, например по принципу действия и конструкции. Такой признак положен в основу классификации, представленной в Государственном стандарте СССР (ГОСТ 17389-72). Н. можно также условно разделить на 2 группы: насосы-машины, приводимые в действие от двигателей, и насосы-аппараты, которые действуют за счёт иных источников энергии и не имеют движущихся рабочих органов. Н.-машины бывают лопастные (центробежные, осевые, вихревые), поршневые, роторные (шестерённые, коловратные, пластинчатые, винтовые и др.). К Н.-аппаратам относятся струйные (жидкостно-жидкостные и газожидкостные), газлифты (в том числе эрлифты), вытеснители (в том числе паровые и газовые), гидравлические тараны , магнитогидродинамические насосы и др.
Н. всех типоразмеров в СССР имеют условные обозначения (марки), состоящие обычно из букв и цифр.
Историческая справка. Изобретение Н. относится к глубокой древности. Первый Н. для тушения пожаров ( рис. 1 ), который изобрёл древнегреческий механик Ктесибий , был описан в 1 в. до н. э. древнегреческим учёным Героном из Александрии в сочинении 'Pneumatica', а затем М. Витрувием в труде 'De Architectura'. Простейшие деревянные Н. с проходным поршнем для подъёма воды из колодцев, вероятно, применялись ещё раньше. До начала 18 в. поршневые Н. по сравнению с водоподъёмными машинами использовались редко. В дальнейшем в связи с ростом потребностей в воде и необходимостью увеличения высоты её подачи, особенно после появления паровой машины, Н. постепенно стали вытеснять водоподъёмные машины. Требования к Н. и условия их применения становились всё более разнообразными, поэтому наряду с поршневыми Н. стали создавать вращательные Н., а также различные устройства для напорной подачи жидкостей. Т. о., исторически наметились три направления их дальнейшего развития: создание поршневых Н., вращательных Н. и гидравлических устройств без движущихся рабочих органов.
Подъём в развитии поршневых Н. наблюдался в конце 18 в., когда для их изготовления стали применять металл и использовать привод от паровой машины. С середины 19 в. начали широко внедряться в производство паровые прямодействующие поршневые Н. К этому периоду относится создание крыльчатых насосов , прообразом которых является поршневой Н. с кольцевым цилиндром, описанный французским инженером А. Рамелли в 1588 ('Le diverse et articiose machine'). Развитие теории поршневых Н. тесно связано с работами отечественных учёных и инженеров (К. Бах, Г. Берг, А. П. Герман, В. Г. Шухов, П. К. Худяков, И. И. Куколевский, А. А. Бурдаков и др.). Достижения в области поршневых Н. были широко использованы также при создании поршневых компрессоров, гидравлических прессов и др. устройств, но сами поршневые Н. начиная с 20-30-х гг. 20 в. стали заметно вытесняться из ряда областей центробежными, роторными и др.
Другой путь развития Н. начался с изобретения так называемых вращающихся Н., имевших по одному ротору, которые также были описаны Рамелли. Н. с эксцентрическим ротором является прототипом современных шиберных насосов. В 1624 И. Лейрехон в книге 'La rеcrеation mathеmatiqae' описал двухроторный коловратный насос ( рис. 2 ), который можно рассматривать как прообраз современных зубчатых Н. В дальнейшем появились и др. разновидности роторных Н., представителем которых является, например, лабиринтный насос , созданный уже в 50-е гг. 20 в. Первый вихревой Н., названный центробежным самовсасывающим, был предложен в 1920 в Германии инженером С. Хиншем, затем появились и др. разновидности.
Идея использования центробежной силы для подачи жидкостей возникла в 15 в. ещё у Леонардо да Винчи и, по-видимому, независимо от него была реализована в начале 17 в. французским инженером Бланкано, построившим простейший центробежный Н. для подачи воды ( рис. 3 ), рабочим органом которого служило открытое вращающееся колесо. Один из первых центробежных Н. со спиральным корпусом и четырёхлопастным рабочим колесом ( рис. 4 , а) был предложен французским учёным Д. Папеном , который усовершенствовал конструкцию ранее известной воздуходувки 'Hessians' ( рис. 4 , б). В конце 19 в., когда появились быстроходные тепловые, а затем электрические двигатели, центробежные Н. получили более широкое применение. В 1838 русский инженер А. А. Саблуков на основе созданного им ранее вентилятора построил одноступенчатый центробежный Н., в 1846 американский инженер Джонсон предложил многоступенчатый горизонтальный Н., в 1851 аналогичный Н. был создан в Великобритании по патенту Гуинна (насос Гуинна), в 1899 русский инженер В. А. Пушечников разработал вертикальный многоступенчатый Н. для буровых скважин глубиной до 250 м . Этот Н., построенный в Париже на заводе Фарко (насос Фарко), предназначался для водоснабжения Москвы, имел подачу 200 м3/ч , кпд до 70%. В России первые центробежные Н. начали изготовлять в 1880 на заводе Г. Листа в Москве.
Развитие осевых Н. основывалось на опыте аналогичных им гидротурбин . Проектирование и исследование осевых (пропеллерных и поворотно-лопастных) Н. относится к концу 19 - началу 20 вв. В СССР эти Н. разрабатываются начиная с 1932 на заводе 'Борец' (под руководством М. Г. Кочнева), во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидромашиностроения (С. С. Руднев и др.), в харьковском институте 'Промэнергетика' (Г. Ф. Проскура и др.), а с 1934 на опытной установке в г. Дмитрове (под руководством И. Н. Вознесенского). Большую роль в создании теории и совершенствовании конструкции центробежных и осевых Н. сыграли труды Л. Эйлера, О. Рейнольдса, Н. Е. Жуковского, С. А. Чаплыгина, К. Пфлайдерера и др. учёных.
Третье направление развития устройств для напорной подачи жидкостей объединяет несколько путей создания и совершенствования Н.-аппаратов. Прототипы вытеснителей, согласно свидетельству Герона, изготовлялись уже в Древней Греции (устройства для вытеснения из сосуда воды подогретым воздухом или водяным паром). Первым вытеснителем производственного назначения была предложенная в 1698 английским инженером Т. Севери паровая водоотливная установка. Это устройство можно считать прототипом изобретённого в Германии в 1871 Халлем пульсометра , имевшего 2 камеры и действовавшего автоматически.
Идея использования сжатого воздуха для подачи воды высказывалась в 1707 Папеном и др. инженерами, но практически была применена значительно позже (в 20 в.) - в монжусе и в двухкамерном водоподъёмнике вытеснения для водяных скважин (конструкция инженера В. П. Савотина, СССР). Подача воды под действием давления продуктов сгорания жидкого топлива была осуществлена в Великобритании в 1911 Н. Л. Гемфри (см. в ст. Вытеснитель ).
Принципиально иной способ подачи воды или нефти из скважин с помощью сжатого воздуха или др. газа был применен в газлифтах , которые были предложены в середине 19 в., а позднее нашли и практическое применение (с 1897 в России на нефтепромыслах в Баку, с 1901 в США).
С изобретением Монгольфье в 1796 автоматически действующего гидравлического тарана наметился ещё один путь развития устройств для напорной подачи жидкости, принцип действия которых был основан на использовании для подачи воды периодически создаваемых гидравлических ударов. В дальнейшем были предложены различные конструкции гидравлических таранов. В СССР нашли распространение установки инженера Д. И. Трембовельского (1927) и др.
Одной из разновидностей Н.-аппаратов явился водоструйный насос, который как лабораторный прибор был предложен английским учёным Д. Томпсоном в 1852 и служил для отсасывания воды и воздуха. Первый промышленный образец струйного аппарата применил инженер Нагель в 1866 (предположительно в Германии) для удаления воды из шахт. Позднее созданы различные струйные Н. в виде водо-водяных эжекторов, паро-водяных инжекторов и многие др. Основы теории струйных Н. были заложены в работах Г. Цейнера и У. Ранкина во 2-й половине 19 в. и получили существенное развитие в 30-х гг. 20 в. благодаря исследованиям американских инженеров О'Брайена и Гослина и советских специалистов Л. Д. Бермана, К. К. Баулина, А. Н. Ложкина, Е. Я. Соколова, Н. М. Зингера и др. Позднее предложен гидропневматический водоподъёмник для скважин (В. П. Сироткин, Я. С. Суреньянц), в конструкции которого объединены струйный насос и эрлифт. Одним из направлений развития Н.-аппаратов является создание магнитогидродинамических насосов . Первые такие Н. на постоянном токе были предложены Голденом (1907) и Гартманом (1919) и Н. на переменном токе - Чаббом (1915). Однако широко их стали применять в СССР и за рубежом только в 50-60-е гг. 20 в., главным образом в связи с успехами атомной энергетики. Т. о., техника подъёма и перемещения вначале только воды, а затем нефти и др. жидкостей в каждую эпоху в основном соответствовала уровню развития производительных сил и производственных отношений.
Основные типы современных насосов. Центробежные Н. являются наиболее распространёнными и предназначаются для подачи холодной или горячей ( t| > 60|C) воды, вязких или агрессивных жидкостей (кислот и щелочей), сточных вод, смесей воды с грунтом, золой и шлаком, торфом, раздробленным каменным углём и т.п. Их действие основано на передаче кинетической энергии от вращающегося рабочего колеса ( рис. 5 ) тем частицам жидкости, которые находятся между его лопастями. Под влиянием возникающей при этом центробежной силы Р частицы подаваемой среды из рабочего колеса перемещаются в корпус Н. и далее, а на их место под действием давления воздуха поступают новые частицы, обеспечивая непрерывную работу Н.
Рабочие колёса Н. могут быть не только с односторонним подводом жидкости (см. рис. 5 ), но и с двухсторонним, что позволяет почти полностью уравнивать давление жидкости на внешние боковые поверхности колеса. Одной из важных практических характеристик рабочих колёс центробежных и некоторых др. Н. является коэффициент быстроходности ns - число оборотов в 1 мин такого рабочего колеса, которое геометрически подобно рассматриваемому и при подаче Q 75 л/сек развивает напор Н 1 м . Классификация рабочих колёс центробежных Н. по быстроходности представлена в табл. 1, в которой каждый тип колеса характеризуется отношением внешнего диаметра D вн к диаметру его входного отверстия D oтв.
Табл. 1 . - Классификация рабочих колёс центробежных насосов по коэффициенту быстроходности
Тип колеса
ns , об/мин
Dвн/Dотв
Тихоходное
50-80
3-2,5
Нормальной быстроходности
80-150
2
Быстроходное
150-350
1,8-1,4
Значения ns < 50 имеют вихревые Н., а область ns 400-1500 об/мин соответствует осевым, а также диагональным Н., занимающим промежуточное положение между центробежными и осевыми Н.
Для создания больших напоров применяют многоступенчатые Н., в которых жидкость проходит последовательно несколько рабочих колёс, получая от каждого из них соответствующую энергию. Важнейшей особенностью центробежных Н. является непосредственная зависимость напора, а также мощности, кпд и допустимой высоты всасывания от подачи, которая для каждого типа Н. выражается соответствующими графиками, называемыми характеристиками ( рис. 6 ). Кпд центробежного Н. при определенном режиме его работы достигает максимального значения, а затем с увеличением подачи снижается. Крупнейшие центробежные Н. отечественного производства могут обеспечить подачу воды до 65 000 м3/ч при напоре 18,5 м , потребляя мощность 7,5 Мвт , максимальный кпд равен 88-92%. В США для насосной станции Гранд-Кули создан вертикальный одноступенчатый центробежный Н. с подачей 138 000 м3/ч и напором 95 м при мощности 48 Мвт .
Осевые Н. предназначаются главным образом для подачи больших объёмов жидкостей. Их работа обусловлена передачей той энергии, которую получает жидкость при силовом воздействии на неё лобовой поверхности вращающихся лопастей рабочего колеса ( рис. 7 ). Частицы подаваемой жидкости при этом имеют криволинейные траектории, но, пройдя через выправляющий аппарат, начинают перемещаться от входа в Н. до выхода из него, в основном вдоль его оси (откуда и название).
Существуют 2 основных разновидности осевых Н.: жестколопастные с лопастями, закрепленными неподвижно на втулке рабочего колеса, называемые пропеллерными, и поворотно-лопастные, оборудованные механизмом для изменения угла наклона лопастей. Н. обеих разновидностей строят обычно одноступенчатыми, реже двухступенчатыми.
Изменением наклона лопастей рабочего колеса достигается регулирование подачи с поддержанием кпд на высоком уровне в широких пределах. Рабочие колёса осевого Н. имеют очень высокий коэффициент быстроходности ( ns от 500 до 1500 об/мин ). При малых подачах характеристики Н - Q и N - Q круто снижаются. Максимальные значения Н и N соответствуют режиму холостого хода. Крупнейший отечественный осевой поворотно-лопастной Н. рассчитан на Q (45¸50)`103 м3/ч при H от 13 до 10 м , N 2 Мвт и 11 86%. Марка этого Н.: ОП2-185. где ОП - осевой поворотно-лопастной, 2 - тип рабочего колеса и 185 - диаметр рабочего колеса (по концам лопастей, в см ).
Вихревые Н. обладают хорошей способностью самовсасывания, т. е. возможностью начинать действие без предварительного заполнения всасывающей трубы подаваемой средой, если она имеется в корпусе Н. Благодаря этому они применяются для подачи легкоиспаряющихся или насыщенных газами капельных жидкостей и в комбинации с центробежными Н. Существуют 2 разновидности вихревых Н.: закрытого и открытого типа. В вихревом Н. закрытого типа ( рис. 8 ) частицы жидкости из ячеек, расположенных по периферии рабочего колеса, под влиянием центробежных сил будут переходить в канал корпуса Н. и затем, передав часть своей кинетической энергии находящейся там среде, возвратятся в др. ячейки. Совершая винтообразное вихревое перемещение, каждая частица за время её нахождения в Н. несколько раз побывает в ячейках ротора и получит от него определенную энергию. В результате такого многоступенчатого действия вихревые Н. по сравнению с такими же (по размерам и скорости вращения) центробежными Н. развивают в 3-7 раз больший напор, но работают с более низким (в 2-3 раза) кпд. В вихревых Н. открытого типа жидкость подводится вблизи вала Н., проходит между лопатками рабочего колеса и отводится к выходному отверстию в корпусе из открытого (без перемычки) периферийного канала. В зарубежной литературе вихревые Н. называются фрикционными, регенеративными, турбулентными, самовсасывающими и др. Характеристики вихревого насоса показаны на рис. 9.
Поршневые Н. отличаются большим разнообразием конструкций и широтой применения. Действие поршневых Н. состоит из чередующихся процессов всасывания и нагнетания, которые осуществляются в цилиндре Н. при соответствующем направлении движения рабочего органа - поршня или плунжера. Эти процессы происходят в одном и том же объёме, но в различные моменты времени. По способу сообщения рабочему органу поступательно-возвратного движения Н. разделяют на приводные (обычно с коленчатым валом и шатунным механизмом) и прямодействующие. Чтобы периодически соединять рабочий объём то со стороной всасывания, то со стороной нагнетания, в Н. предусмотрены всасывающий и нагнетательные клапаны. Во время работы Н. жидкость получает главным образом потенциальную энергию, пропорциональную давлению её нагнетания. Неравномерность подачи, связанная с изменением во времени скорости движения поршня или плунжера, уменьшается с увеличением кратности действия Н. и может быть почти полностью устранена применением воздушно-гидравлического компенсатора. Поршневые Н. классифицируют на горизонтальные и вертикальные, одинарного ( рис. 10 ) и многократного действия, одно- и многоцилиндровые, а также по быстроходности, роду подаваемой жидкости и др. признакам. По сравнению с центробежными Н. поршневые имеют более сложную конструкцию, отличаются тихоходностью, а следовательно, и большими габаритами, а также массой на единицу совершаемой работы. Но они обладают сравнительно высоким кпд и независимостью (в принципе) подачи от напора ( рис. 11 ), что позволяет использовать их в качестве дозировочных. Поршневые Н. могут создавать при нагнетании жидкости давления порядка 100 Мн / м 2 (1000 кгс / см 2) и более.
Роторные Н. получили распространение главным образом для осуществления небольших подач жидкости. По особенностям конструкции рабочих органов роторные Н. можно подразделить на зубчатые (в том числе шестерённые), винтовые, шиберные, коловратные, аксиально- и радиально-поршневые, лабиринтные и др. Каждый из них имеет свои разновидности, но объединяющий их признак - общность принципа действия, в основном аналогичного действию поршневых Н. Роторные Н. отличаются отсутствием всасывающего и нагнетательного клапанов, что является их большим преимуществом и упрощает конструкцию.
Зубчатый Н. с внешним зацеплением двух шестерён ( рис. 12 ) - наиболее распространённый - всасывает жидкость при выходе зубьев одного колеса из впадин другого (на рис. 12 - слева) и нагнетает её при входе зубьев одной шестерни в зацепление с другой (на рис. 12 - справа, при вращении верхней шестерни по часовой стрелке). Зубчатые Н. снабжаются предохранительным клапаном, который при достижении максимально допустимого давления перепускает жидкость со стороны нагнетания на сторону всасывания. Характеристика одного из шестерённых Н. показана на рис. 13. Зубчатые Н. используют для подачи нефтепродуктов и др. жидкостей без абразивных примесей.
Шиберный пластинчатый Н. ( рис. 14 ) действует в результате изменения рабочих объёмов, заключённых между соседними пластинами и соответствующими участками поверхностей ротора и корпуса Н. В левой части Н. при вращении по часовой стрелке эксцентрично расположенного ротора этот объём увеличивается, из-за чего давление в нём понижается и создаётся возможность для всасывания жидкости. В другой части Н. при вращении ротора межлопаточные пространства уменьшаются, что обеспечивает нагнетание подаваемой среды. Эти Н. бывают одинарными и сдвоенными. Они предназначены для нагнетания чистых не очень вязких минеральных масел до давления 6 Мн / м 2 (60 кгс / см 2) и более и применяются в системах гидропривода и др. устройствах.
Струйные Н. из числа Н.-аппаратов имеют наиболее широкую область применения и наибольшее разнообразие конструкций. Одним из них является водоструйный насос ( рис. 15 ), действие которого состоит в основном из трёх процессов - преобразования потенциальной энергии рабочей жидкости в кинетическую (в коническом сходящемся насадке), обмена количеством движения между частицами рабочей жидкости и подаваемой среды (в камере смешения), а также перехода кинетической энергии смеси рабочей и транспортируемой жидкостей в потенциальную (в диффузоре). Благодаря этому в камере смешения создаётся разрежение, что обеспечивает всасывание подаваемой среды. Затем давление смеси рабочей и транспортируемой жидкостей значительно повышается в результате снижения скорости движения, что делает возможным нагнетание. Струйные Н. просты по устройству, надёжны и долговечны в эксплуатации, но их кпд не превышает 30%.
Области применения. Особенности конструкции и принцип действия различных Н. определяют диапазоны подачи и напора, в пределах которых целесообразно применять Н. того или иного типа. Использование трёх основных типов Н. характеризуется данными, указанными в табл. 2 .
Табл. 2.-Области использования основных типов насосов.
Параметры
Поршневой
Центробежный
Осевой
Подача Q , м3/ч
1-200
1-100000
100-100000
Напор Н, м
10-10000
1-4500
1-20
Рассматривая области применения устройств для напорной подачи жидкостей, следует также иметь в виду, что ещё в 19 в., особенно в Великобритании, Н. использовались (до внедрения электропривода) как генераторы гидравлической энергии. Эта энергия от центральных энергетических установок (с поршневыми Н. и паровыми машинами) по специальным водопроводам высокого давления передавалась на промышленные предприятия к потребителям. С начала 20 в. стали применять центробежные и роторные Н. в качестве генераторов гидравлической энергии в гидравлических передачах и системах гидропривода машин , в которых наряду с гидравлическими двигателями они являются основным элементом. О конструкции и конкретном применении Н. см. статьи Винтовой насос , Вытеснитель , Газлифт , Гидравлический таран , Глубоководный насос , Индукционный насос , Коловратный насос , Кондукционный насос , Крыльчатый насос , Лабиринтный насос , Погружной насос , Шестерённый насос , Штанговый насос .
Лит.: Насосы. Каталог-справочник, 3 изд., М.- Л., 1960; Караваев А. Е., Очерк по истории развития лопастных насосов, М.- Л., 1958; Пфляйдерер К., Лопаточные машины для жидкостей и газов, пер. с нем., 4 изд., М., 1960; Степанов А. И., Центробежные и осевые насосы, пер. с англ., 2 изд., М., 1960; Голубев А. И., Лабиринтные насосы для химической промышленности, М., 1961; Ломакин А. А., Центробежные и осевые насосы, 2 изд., М.- Л., 1966; Чиняев И. А., Роторные насосы, Л., 1969.
Ю. В. Квитковский.