Текст книги "История науки и техники. Энергомашиностроение"

3.8. Осевые насосы

Если проектировать центробежный насос на большую величину напора или на малое число оборотов, то он получится с рабочим колесом в виде блина, насажанного на ось вращения. Если, наоборот, рассчитывать на очень большую подачу при малом напоре или на высокую частоту вращения, то он будет вытягиваться вдоль оси и превратится постепенно в осевой с движением рабочего тела вдоль оси вращения. Такие машины сначала делали для подачи воздуха: вентиляторы, воздуходувки, компрессоры. Эффективность таких машин определяется не гениальными догадками конструкторов, а теорией, точным расчетом. Впервые эта теория, или по современной терминологии математическая модель, была создана профессором Харьковского политехнического института Г. Ф. Проскурой в двадцатых годах нашего века. Затем она бурно развивалась у нас, в европейских странах и в Америке.

Осевой насос состоит из ротора с валом относительно большого диаметра, на котором установлены лопасти (обычно от двух до восьми), похожие на короткие самолетным крылья. В роторе (рабочем колесе) механическая энергия двигателя при обтекании лопаток преобразуется в потенциальную и кинетическую энергию жидкости (газа). За рабочим колесом находится направляющий аппарат, который состоит из неподвижной системы лопастей. В направляющем аппарате кинетическая энергия жидкости преобразуется в потенциальную. Существуют две основные разновидности осевых насосов: с лопастями, закрепленными на втулке неподвижно, и поворотно-лопастные, имеющие механизм для изменения угла поворота лопастей в зависимости от режима работы. Сложность конструкции часто окупается выигрышем за счет более высокой экономичности. Осевые насосы часто выполняются многоступенчатыми, а осевые компрессоры почти всегда.

Рис. 3.24. Осевой насос

Осевые насосы применяются чаще всего на мощных тепловых электростанциях, насосных шлюзовых установках, магистральных каналах, ирригационных системах, в ракетных и авиационных двигателях.

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.

Другой разновидностью магнитогидродинамических насосов является кондукционный, который может работать как на постоянном, так и на переменном токе. Направление движения жидкости в канале в этом случае определяется правилом левой руки.

Для перемещения униполярно заряженных или поляризованных жидкостей и газов созданы электрогидродинамические насосы, осуществляющих преобразование энергии электрического поля в механическую энергию. Это – ионно-конвекционный насос.

Интересный насос был создан Л. А. Юткиным на основе открытого им электрогидравлического эффекта. Сущность этого эффекта состоит в том, что вокруг зоны специально сформированного импульсного электрического разряда внутри объема жидкости, находящейся в открытом или закрытом сосуде, возникают сверхвысокие гидравлические давления, которые могут совершать механическую работу по перемещению жидкости.

4. Водяные колеса и турбины

4.1. Водяные колеса

Первое описание водяного колеса принадлежит Витрувию (Vitruvius), архитектору и инженеру Древнего Мира, жившему во времена Юлия Цезаря (Julius Caesar) и императора Августа (Emperor Augustus). Однако многие ученые предполагают, что эту машину изобрели не римляне, а «варвары», жившие в Северной Италии (древняя Галлия Цизальпийская). В этой части полуострова имеется много полноводных рек в отличие от засушливого античного Средиземноморья. По версии французского историка Жака ле Гоффа (Hoff) водяная мельница с горизонтальным колесом и вертикальным валом была известна в Иллирии со II в. до н. э., а в Малой Азии с I в. до н. э.

Рис. 4.1. Виды водяных колес

На водяной мельнице, самая простая и привычная земная работа – размол зерна – осуществлялась как бы сама собой, без монотонного и тяжелого труда рабынь, растирающих зерно между камнями. До нашего времени дошли стихи одного из античных поэтов, македонянин Антипатр Фесалоникский, посвятил водяной мельнице дошедшую до наших времен оду, свидетельствующую о древности этого устройства:

 
Дайте рукам отдохнуть, мукомолки; спокойно дремлите,
Хоть бы про близкий рассвет громко петух голосил:
Нимфам пучины речной ваш труд поручила Деметра;
Как зарезвились они, обод крутя колеса!
Видите? Ось завертелась, а оси крученые спицы
С рокотом движут глухим тяжесть двух пар жерновов.
Снова нам век наступил золотой: без труда и усилий
Начали снова вкушать дар мы Деметры святой.
 

Нужно сказать, что применение водяных мельниц в Элладе было довольно ограниченным – технические потребности того времени вполне обеспечивались энергетически мускульной силой рабов и домашних животных.

Первое упоминание о водяной мельнице в Центральной Европе относится к 340 году – тогда одна из них была запущена на Мозеле. В VI веке водяная мельница появляется во Франции – она заработала в Дижоне. В Англии водяная мельница появилась примерно в VIII веке.

Первое упоминание о гидросиловой установке в Москве относится к 1389 г.: Дмитрий Донской завещает своей жене село с мельницей на реке Яуза. Первое упоминание об использовании водяного колеса не для помола зерна, а для производства бумаги в нашей стране датируется 1564 г. Недавно в Москве на берегу реки Хапиловки, убранной в трубу, сооружен памятник легендарному мельнику Хапило, который изображен на фоне водяного колеса.

По всей вероятности толчком для создания помимо необходимости иметь устройство для помола зерна явилось наблюдение за действием потока воды на подвижные и неподвижные деревянные предметы: стволы деревьев, перегородки каналов, опоры мостов и т. д. Витрувий довольно подробно описывает устройство и изготовление водяного колеса для мукомольной мельницы. К валу из тщательно обтесанного или обточенного на токарном станке бревна прикрепляются радиально четыре или восемь досок, которые соединяются с двумя плоскими кольцевыми щеками. Между щек укрепляются радиально или с наклоном плоские лопасти или лопатки. Часто, при малых размерах, щеки отсутствуют. Концы вала обиваются железом. Вал устанавливается на станине в подшипниках, которые изнутри также обиваются железом. Вал может располагаться вертикально (тогда колесо вращается в горизонтальной плоскости) или горизонтально (тогда колесо вращается в вертикальной плоскости. В первом случае вода к колесу подводится по специальному каналу, во втором случае колесо находится непосредственно в реке. Вертикальный вал легко соединяется с мельничными жерновами, однако скорость вращения водяного колеса (до 8 оборотов в мин.) мала для большинства орудий. В случае же применения зубчатой передачи преимущество колес с горизонтальной осью становится бесспорным. Поэтому этот вид водяного колеса стал очень быстро основным. Иногда вместо боковых щек вал соединялся с цилиндрическим ободом, на наружной поверхности которого размещались лопатки.

Мощность горизонтально расположенного колеса с вертикальным валом не превышала 1 л.с., коэффициент полезного действия составлял от 5 % до 15 %.Наибольшее распространение получили подливные или нижнебойные колеса и наливные или верхнебойные. Первые были проще и требовали меньше затрат на изготовление. Подливные колеса могли работать в любых потоках при умеренной величине скорости воды. Наиболее эффективны они были в узких протоках и каналах. Мощность нижнебойного колеса обычно составляла 3–5 л.с., а кпд – 20–30 %. В верхнебойных колесах вода падала сверху на лопатки или на черпаки, приделанные к ободу колеса. Колесо приводилось в движение как за счет ударного действия струи воды, так и под действием силы тяжести. Для работы верхнебойных колес нужно поднимать уровень воды при помощи плотин, поэтому затраты на сооружение мельницы были больше, чем при использовании подливных колес. Разумеется, повышались и показатели эффективности. При высоте падения воды от 3 до 12 метров верхнебойные колеса имели коэффициент полезного действия 50–70 % при мощности до 40 л.с.

Иногда применялись среднебойные колеса, в которых вода подводилась сверху, но не к верхней точке колеса, а к средней. Такие машины требовали меньших строительных затрат. Самое мощное в мире водяное колесо (450 л.с.) было построено по этой схеме в России в г. Нарве. Диаметр колеса был 9,2 м., ширина – 7,6 м. При напоре около 5 м. частота вращения достигала 4 оборотов в минуту.

Первые водяные колеса делались целиком из дерева. В XIX в. появились металлические колеса, они были более быстроходными: до 20 оборотов в минуту у колес для прокатных станов.

Рис. 4.2. Средневековое водяное колесо

В X в. «Сен-Бертинские анналы» описывали сооружение аббатом водяной мельницы близ Сент-Омера как «дивное зрелище нашего времени». В XI–XIV вв. происходит интенсивное распространение водяных мельниц в Европе. Так в X в. в одном из кварталов Руана существовало две мельницы, в XII в. появляются пять новых, в XIII – еще пять новых, а в XIV в. – еще четырнадцать. Духовная аристократия побуждала в какой-то мере развивать техническое оснащение монастырей для уменьшения времени на материальные затраты. Монашеские ордена часто находятся в авангарде усовершенствования водяных и ветряных мельниц, сельскохозяйственных орудий. В Раннем Средневековье тому или иному святому подчас приписывали изобретение водяной мельницы, хотя он просто поставил ее в этом районе. Водяная мельница сначала применялась только для помола зерна. В соответствии с уставом Бенедикта Нурсийского монахи должны быть изолированы от мирян, ведя самостоятельное хозяйство, занимаясь как физическим трудом, так и духовными делами – размышлениями, чтением книг и молитв. Механизация таких трудоемких работ, как помол зерна, позволял иметь больше свободного от тяжелых работ времени. Феодалы также способствовали развитию техники, заставляя своих крепостных привозить зерно только на свои мельницы. Монополия первоначально ограничивалась только помолом зерна, затем она распространилась и на другие виды работ. Согласно «Книге Страшного суда» (1086 г.) в Англии в конце XI в. насчитывалось 5624 мельницы. Мельница являлась центром общения, ибо крестьяне, свозившие туда свое зерно, должны были поджидать в очереди муку. Можно с большой долей вероятности предположить, что там обсуждались нововведения. Оттуда же они начинали распространяться. На мельницах, возможно, созревали мысли о восстаниях против власти. Два факта: статуты монашеских орденов предписывали монахам собирать на мельницах пожертвования. Проститутки столь часто посещали окрестности мельниц, что монахам предписывалось заниматься там борьбой с этим пороком.

Постепенно приложения гидроэнергетики расширялись: в сукновальном деле, для обработки конопли, дубления кожи, в пивоварении, для заточки инструментов. Эти процессы шли не синхронно, иногда наблюдался регресс. Англия переживала подлинный расцвет лишь с конца XIII в., и в этом видят самую настоящую «промышленную революцию». Железоделательная мельница знаменует подъем кузнечного дела в XIII в., хотя первое упоминание о ней датируется 1197 г. для одного монастыря в Швеции. Первая бумажная мельница существовала с 1238 г. в Ятове (Испания), в Италии она появилась в 1268 г. (Фабриано), во Франции – в 1338 г. (Труа), а в Германии – в 1390 (Нюренберг). Гидравлическая пила в 1240 г. была еще диковиной. Соединение водяного колеса с кулачковыми или с кривошипными механизмами позволило значительно расширить сферу его применения. К XVI столетию энергия воды использовалась не менее чем в 40 различных производственных процессах. К 1750 году тенденция продолжала сохраняться. Для увеличения мощности стали применяться групповое размещение колес. Поэтому начавшаяся в конце XIX в. замена водяных колес на паровые машины не принесла существенных изменений в промышленности, так как мощность первых паровых машин была не свыше 20 л.с. Начало промышленной революции связано с широким применением энергии воды в первую очередь для хлопкопрядильного производства. Одновременно с расширением областей применения происходило усовершенствование конструкции самого колеса. Так в 1826 г., когда появилась первая водяная турбина, французский механик и инженер Понселе (Poncelet, Jean-Victor) предложил новый гидравлический двигатель с изогнутыми колесами и центростремительным движением воды: от периферии колеса к центру. Да и классические водяные колеса за счет наивыгоднейшего сочетания размеров и формы достигали постепенно предела своих возможностей. Наиболее значительные работы связаны с именем видного английского инженера Джона Смитона (Jhon Smeaton), современника изобретателя паровой машины Уатта. Поэтому водяные колеса продолжали строиться в XIX и даже в XX в., постепенно уступая свое место другим энергетическим машинам. Так, по материалам переписи 1861 г. на уральских заводах работало свыше 1600 водяных колес общей мощностью около 30 КВт. В горных районах Европы на малых реках водяные мельницы продолжают обслуживать людей в наши дни, неустанно и бесшумно вращаясь под журчащим потоком прозрачной струи.

Рис. 4.3. Колесо Понселе

Рис. 4.4. Водяное колесо Смитона