Читать книгу История науки и техники. Энергомашиностроение - Анатолий Шейпак - Страница 7

Выдающийся инженер античности Герон из Александрии (Hero (Heron) of Alexandria), умерший приблизительно в 70 году до н. э., оставил после себя трактаты, в которых описал много различных механизмов и машин. Он первым упомянул о поршневом насосе, изобретенным его учителем. Ктесибием (Ctesibius), который жил примерно в 100 году до н. э. С подобной машиной знакомы сейчас все велосипедисты. Ее основными деталями являются цилиндр и входящий в него с небольшим зазором поршень, который вытесняет из цилиндра воду или воздух. Очевидно, что подобное устройство следует отнести к объемным машинам, причем для своего функционирования оно должно иметь еще один узел: клапан.

Клапан – это устройство, которое может изменять проходную площадь, пропускающую поток жидкости или газа под воздействием рабочей среды. Если проходное сечение изменяется под воздействием внешних сил, то устройство в России называется дросселем, краном, задвижкой. Правда и в этом случае иногда используют термин клапан, оставляя за собственно клапаном дополнительное пояснение: Например, самодействующий клапан.

Рис. 3.7. Нагнетательный насос Ктесибия.

Кроме клапанов насос Ктесибия имел запорное устройство в виде трубы с двумя отверстиями, которая могла перекрывать выходные отверстия цилиндров или соединять их с выходной конической трубой для создания сильной струи воды. Насос Ктесибия столь совершенен, что, безусловно, его нельзя считать первой машиной подобного типа. Это ясно и из описания Герона, в котором говорится о том, что пожарный насос изготавливается подобно колодезным.

Самый простой поршневой насос с одним клапаном до сих пор применяется в водоснабжении, в том числе на садовых участках. В поршне имеется отверстие, закрытое пластиной, которая может поворачиваться вокруг оси, открывая проход воде при движении поршня вниз. При движении поршня вверх клапан закрывается весом воды. Поршень своей верхней поверхностью вытесняет воду в выходную трубу, а цилиндр заполняется водой вплоть до нижней поверхности поршня под действием атмосферного давления.

Рис. 3.8. Поршневой насос с механическим приводом

В античные времена принцип действия поршневого насоса объясняли не так. По мнению одного из первых ученых Аристотеля (Aristotle, 384–322 до н. э.) «природа питает отвращение к пустоте», поэтому вода следует за движущимся поршнем. Неправильное объяснение принципа действия насоса до некоторого времени не мешало их производству. Применялись они главным образом не в водоснабжении, а для тушения пожаров. Такие насосы изготавливались из бронзы, имели всасывающие и нагнетательные клапаны и два цилиндра: когда один цилиндр засасывал воду, другой подавал ее через нагнетательный клапан и сужающийся насадок с большой скоростью. Кроме описаний сохранились остатки поршневых насосов древнеримского периода. Так, археологические раскопки на территории нынешней Испании позволили найти 13 деревянных и 8 бронзовых поршневых насосов. Поршневые насосы различной конструкции в зависимости от назначения производятся уже более 2000 лет и продолжают оставаться одной из самых распространенных энергетических машин и настоящее время.

Рис. 3.9. Всасывающий насос Аристотеля

Очевидно, что эффективность работы поршневого насоса определяется в первую очередь величиной зазора между цилиндром и поршнем. При большом зазоре вода будет идти не только в выпускную трубу, но и во впускную, создавая обратный поток или утечки. Поэтому в насосах стали использовать для уплотнения кожаную манжету. Если манжету установить с натягом, то придется затрачивать дополнительную мощность для привода насоса. Наличие герметичных клапанов дало насосу возможность подавать воду на большую высоту. Теоретически герметичный объемный насос может создать на выходе давление любой величины (напомним, что давление – это сила сжатия, приходящаяся на единицу площади). Давление можно измерять высотой подъема жидкости. Так атмосферное давление эквивалентно примерно 10 метрам воды или 750 миллиметрам ртути. Максимальное давление, полученное с помощью поршневого насоса, достигало 30000 атмосфер. Такой насос мог бы поднять воду в фонтане на 300 километров.

Знаменитый фонтан в Женеве (Швейцария) с располагаемой мощностью в 1360 л.с. подает воду с уровня озера на высоту 140 метра (скорость около 200 км/час) с величиной подачи свыше 5000 л.c.

На жителей Лондона большое впечатление производил в XVI веке насос голландского инженера Петера Мориса (Peter Morice), подававший при испытании струю воды выше шпиля церкви святого Магнуса вблизи одного из лондонских мостов. Привод насоса осуществлялся от водяного колеса, установленного на пароме в проеме моста. Морис получил пожизненное право беспошлинно использовать часть пространства на мосту.

Во времена Средневековья поршневой насос стал основным средством для подачи воды и откачки ее из шахт. Тогда обратили внимание на то, что вода не поднимается за поршнем, если входная труба имеет длину более 8–9 метров. Это позволило великому ученому, создателю современной физики, Галилео Галилею (Galileo Galilei, 1564–1642) высказать такой афоризм: природа боятся пустоты, но только до определенного предела. Однако ему не удалось объяснить непонятное явление. Эту задачу решили позднее его ученики и последователи. Они убедительно доказали, что в обычных условиях вода не может находится при величине абсолютного давления ниже атмосферного, эквивалентного 10 метрам водяного столба или 760 мм ртутного столба. Интересно, что великий Паскаль, как истинный француз, использовал для измерения атмосферного давления и красное вино: у стены его дома некоторое время находился барометр, показывающий величину давления по высоте этого традиционного для его страны напитка (порядка 14 метров).

В качестве примера насоса XVII века приведем описание машины, созданной под руководством политического деятеля и дипломата Самюэля Морленда. Это был плунжерный насос с приводом от кулачка. Плунжер находился между двумя роликами. Нагнетательный и всасывающий клапаны находились в чугунном цилиндре. Там же была установлена кожаная манжета. Медный плунжер имел диаметр на 1 % меньше диаметра цилиндра. Насос отличался большим ходом. Отметим, что Самюэль Морленд изобрел также счетную машину и создал акустические приборы (в том числе переговорную трубу), барометры и паровые машины. Первые насосы были одноцилиндровыми и двухцилиндровыми, но поршень только одной стороной соприкасался с жидкостью, а другой с воздухом. Затем догадались сделать двухсторонний насос или машину двойного действия, которая имела две пары клапанов и рабочие цилиндры с обеих сторон поршня. Когда с одной стороны поршня происходит всасывание жидкости, с другой она вытесняется. Затем для увеличения величины подачи и уменьшения ее неравномерности стали делать многоцилиндровые насосы, а для повышения напора – многоступенчатые, когда выход одного цилиндра соединен с входом последующего.

Рис. 3.10. Мембранно-поршневой насос

В 1841 году Генри Вортингтон (Wortington) разработал прямодействующий паровой насос, создав агрегат из паровой машины и поршневого насоса. Такие насосы были очень эффективны до появления электрических машин.

Отметим, что трехцилиндровый насос имеет более равномерную подачу, чем четырехцилиндровый. Создано много разновидностей возвратно-поступательных насосов, одинаковых по принципу действия с поршневыми: плунжерный, мембранный….

Очень интересную конструкцию имеет плунжерно-мембранный насос для подачи вредных жидкостей. Рабочая полость ограничена цилиндрическим корпусом с клапанами и мембраной. Нейтральная жидкость вытесняется через отверстия, расположенные равномерно в цилиндре плунжерного насоса при прямом ходе и поступает обратно при увеличении объема.