Текст книги "История науки и техники. Энергомашиностроение"

4.2. Наиболее интересные сооружения с водяными колесами

В XVI–XVII вв. в Европе для водоснабжения городов часто применялся привод поршневых насосов от водяных турбин, установленных под арками моста. Впервые такой комплекс был сделан в 1570 г. в Данциге, а в 1582 году голландский инженер Петер Морис (Peter Morice) предложил эту систему лорду-мэру и олдерменам Лондона. Воду получали верхние этажи самых высоких зданий, а при первых испытаниях струя воды поднялась выше шпиля церкви святого Магнуса, находившейся поблизости. Водоподающая станция у Лондонского моста произвела такое впечатление на современников изо всех слоев общества, что изобретателю и его наследникам было дано право на аренду моста сроком на 500 лет. В дальнейшем для подачи воды стали использовать насосы конструкции Сэмюэля Морленда – дипломата и изобретателя эпохи Английской буржуазной революции. Они отличались большим ходом, поршень был выполнен из меди, а чугунный цилиндр снабжен кожаной манжетой.

В XVII в. по приказу короля Людовика XIV грандиозный комплекс был построен вблизи Версаля в Марли на реке Сене. Проект был представлен в октябре 1678 двадцатилетним офицером Арнольдом де Вилье (Arnold D’villier), затем была построена модель. Строительство под руководством фламандского инженера Р. Суаля (Soulle) продолжалось с 1679 по 1686 г. Плотина отводила воду к 14 подливным (нижнебойным) колесам. Каждое колесо имело диаметр 11 м. и ширину 2,3 м. С помощью системы коромысел и кривошипных механизмов колеса приводили в движение 259 поршневых насосов, разбитых на три группы и установленных на трех уровнях. Первая группа подавала воду на высоту 50 м., вторая – еще на 75 м, наконец, третья группа перекачивала воду в акведук, находившийся в километре от реки, на высоту 152 м. Затем вода самотекам поступала к знаменитым фонтанам Версаля.

«Машина Марли» была самой мощной установкой своего времени, однако при мощности на валу в 500 л.с. к насосам поступало только 150. Остальное терялось в громоздком передаточном механизме.

Рис. 4.5. Гидротехнический комплекс в Марли

В 20-х годах XVIII в. на Урале в Екатеринбурге была построена громадная дамба, обеспечивающая работу 50 верхнебойных колес. Индустриальный комплекс на базе этой энергетической установки обеспечивал работу 22 молотов, 107 мехов и 10 волочильных станов. Большой вклад в дело строительства гидроустановок на Урале внес выдающийся горный инженер В. И. Рожков. Водяные колеса уральских заводов обычно размещались внутри производственных мастерских для обеспечения эксплуатации во время суровых русских зим.

Венцом русской и мировой энергетики на базе верхнебойных водяных колес являются знаменитые установки русского инженера К. Д. Фролова на Алтае. Для получения предельной мощности Фролов построил самые большие в мире водяные колеса с наружным диаметром до 19 метров (так называемое «слоновое колесо»). В России плотницкое дело всегда было развито, но деревянное колесо таких размеров нельзя было построить без основательных знаний, полученных в горнозаводской школе и на опыте прежних созданий на Урале, в Петербурге и на ставшем родном Алтае. Поражали современников и остальные части сооружения в Змеиногорских рудниках: насосы, приводы к ним, плотины и пруды с запасом воды. Некоторые насосы подавали воду на большое расстояние к другим водяным колесам меньшего размера и мощности. Таким образом, К. Д. Фролов создал одну из первых гидропередач. На руднике энергия воды обеспечивала откачку воды, подъем руды и ее промывку, перемещение вагонеток. Приведем описание восхищенного современника: «Кто посещал Змеиногорский рудник, тот, конечно, с удовольствием осматривал производимые на оном работы, превышающие, кажется, силы человечества, и механические устройства, облегчающие труды рудокопателей при извлечении сокровищ из недр земных. Удивленный путешественник спросит невольно: кем устроены в глубоких храминах земли сии огромные колеса, каких не существует ни в одном из российских рудников? Изобретатель сего механизма есть берг-гауптан 6-го класса Кузьма Дмитриевич Фролов» («Горный журнал», кн. 7, стр. 159, 1827).

Рис. 4.6. Гидротехнический комплекс К. Фролова

4.3. Водяные или гидравлические турбины

В 1750 г. венгр Янош Сегнер (Segner), работавший с 1735 по 1755 г. профессором физики и математики Геттингенского университета предложил на суд общественности водяное колесо нового типа. Оно напоминало по принципу действия известный с античности эолипил Герона. Сегнерово колесо (это название сохранилось до наших дней) состоит из вертикальной подводящей трубы, к которой прикреплены свободно вращающиеся горизонтальные трубы с горизонтальными же отогнутыми в противоположные стороны открытыми концами. Через отверстия вытекает жидкость, приводя во вращение колесо в соответствии с законом сохранения импульса. В настоящее время это устройство применяется как демонстрационная машина и для полива растений. В Европе изобретение Сегнера вызвало большой интерес, так как известные типы водяных колес уже не удовлетворяли растущих потребностей промышленности. Однако коэффициент полезного действия этой машины был лишь около 50 %.

Рис. 4.7. Сегнерово колесо

По всей вероятности поэтому член Петербургской Академии наук Леонард Эйлер в 1751–1755 гг. провел анализ рабочего процесса колеса Сегнера, создав основы теории лопаточных или лопастных машин. Эйлер предложил также свою конструкцию гидравлического двигателя с неподвижным направляющим аппаратом и рабочим колесом с криволинейными лопатками. Он получил небольшое распространение, так как его энергетическая эффективность несущественно отличалась от эффективности известных ранее машин при большей сложности и дороговизне конструкции.

Следует отметить, что в 1745 г. в Лондоне была опубликована книга Дезагюлье, в которой дано детальное описание водяного двигателя изобретенного в Англии Баркерсом практически одинакового по конструкции с Сегнеровым колесом.

И колесо Сегнера, и колесо Баркерса устраняли главный недостаток старых конструкций: использование для подвода и отвода воды только части окружности рабочего колеса. Очевидно, верхнебойное или нижнебойное колеса не смогут работать при полном погружении в воду.

В 1823 г. Общество содействия национальной промышленности Франции объявило конкурс и назначило награду за усовершенствование водяного колеса. Это мероприятие умножило усилия изобретателей. Во Франции в это время сложилась инженерная школа с хорошей теоретической подготовкой и солидными практическими знаниями по созданию надежных быстроходных конструкций.

В 1826 г. французский профессор Бурден (Burdin), очевидно знакомый с работами Эйлера, предложил гидравлический или водяной двигатель, впервые названный им турбиной. Латинское слово turbo, turbinus означает волчок. С тех пор этот термин применяется во многих языках. В русском языке наряду с термином лопаточная машина используется эквивалентный термин турбомашина. В двигателе Бурдена имеются два основных рабочих органа, присущих всем современным турбинам (гидравлическим, паровым, газовым), – подвижное рабочее колесо (иногда называемый ротором турбины) и неподвижный направляющий аппарат. Вода подводится внутрь направляющего аппарата и направляется к периферии рабочего колеса, это – центробежная машина. Бурдену не удалось найти надлежащую форму лопаток турбины, поэтому коэффициент ее полезного действия был низок. Тем не менее, ему в 1827 г. вручили часть награды.

Рис. 4.8. Турбина Фурнейрона

Действительную заслугу по созданию первой водяной турбины, получившей промышленное значение, принадлежит ученику Бурдена Фурнейрону (Fourneyron), который построил в 1827 г. турбину мощностью 6 л.с. Коэффициент полезного действия этой турбины был таким же, как и у лучших водяных колес (около 70 %), но при значительно меньших габаритах. Расход воды через турбину легко регулировался при помощи цилиндрического щита, перемещающегося между рабочим колесом и направляющим аппаратом. Турбина Фурнейрона, как и турбина Бурдена, является центробежной машиной с внутренним подводом воды, однако автору впервые удалось достаточно точно рассчитать форму лопаток в соответствии с параметрами потока. Более совершенную разновидность такой турбины мощностью 50 л.с. для привода кузнечного молота он построил в 1832 г. и получил за это вознаграждение в 6000 франков. Габариты водяных турбин стали быстро увеличиваться, их мощность к 1855 г. возросла до 800 л. с (усовершенствованная турбина Фурнейрона). В дальнейшем гидравлические турбины стали применяться главным образом для получения электроэнергии. Вертикальная турбина Фурнейрона строилась до начала XX в. с различными модификациями: подвод воды позже осуществлялся снизу, подводные опоры были заменены надводными, улучшалась система регулирования, применялась схема с двумя рабочими колесами и несколькими направляющими венцами. Турбина Фурнейрона применялась и для низких и для высоки напоров, недостижимых для прежних водяных колес (до 100 м.). Она хорошо работала и над и под водой при значительном превышении нижнего уровня над колесом, что не имело места у водяных колес традиционной конструкции.

Рис. 4.9. Турбина Сафронова

Первая водяная турбина в России была построена на Алапаевском чугуноплавильном и железоделательном заводе. Эта турбина, мощностью в 35 л.с. сконструирована и построена плотинным мастером И. Е. Сафоновым в 1837 г. Она представляла собой чисто радиальную турбину с внутренним подводом воды. По всей вероятности, это изобретение можно считать самостоятельным достижением уральского мастера, так как описание турбины Фурнейрона на русском языке появилось только в 1839 г. в Горном журнале.

На протяжении последующих пятидесяти лет в Европе и Северной Америке появилось много новых систем турбин. Больше всего на развитие гидротурбостроение оказали осевая турбина Жонваля (Jonvalle, 1843 г.), радиальная турбина Френсиса (Fransis, 1847 г.), активная тангенциальная турбина Пельтона (Pelton, Lester Allan).

Рис. 4.10. Турбина Жонваля

Турбина Жонваля кроме направляющего аппарата и рабочего колеса имела третий основной рабочий орган – отсасывающую трубу. Она нашла широкое применение, и строилось рядом заводов около 60 лет, постепенно вытесняя турбину Фурнейрона. Эти турбины строились одновенечными, двух– и трехвенечными. Они могли иметь либо вертикальную, либо горизонтальную ось. До 1890 г. максимальная единичная мощность турбин Жонваля не превышала 500 кВт при частоте вращения до 200 об. в мин., так как часто они отдавали свою механическую энергию через трансмиссии (зубчатые, ременные или канатные) к машинам-орудиям, которые располагались поблизости от турбин. После получения после 1891 г. возможности передачи электрической энергии на большие расстояния в связи с созданием трансформаторов, турбины стали напрямую соединяться с генераторами. Мощность турбин возросла за десятилетие в более чем в два раза, достигнув величины до 1200 кВт. В России осевые турбины Жонваля строились в Риге, Москве и на заводах Урала.

Рис. 4.11. Турбина Ховда

Первая чисто радиальная турбина с наружным подводом воды была построена в Америке в 1838 г. Ховдом (Howd), однако имела низкие энергетические показатели. Англичанин Френсис (Fransis), работавший в США, конструктивно и гидравлически улучшил турбину Ховда. Поэтому за его радиально-осевой системой закрепилось имя – турбина Френсиса. В зависимости от быстроходности рабочие колеса турбин Френсиса имеют различную форму: от радиальной для тихоходных до резко выраженных радиально-осевых с пространственными лопатками у быстроходных. Решающее преимущество радиально-осевые турбины получили в 1880 г., когда немецкий профессор Финк (Fink) предложил для регулирования расхода воды и мощности радиальный направляющий аппарат с большим числом вращающихся лопаток, которые долгое время назывались лопатками Финка. Новая схема регулирования оказалась настолько совершенной и удобной в эксплуатации, что турбины Жонваля не смогли с ней конкурировать. В 1886 г. заводом Фойта в Германии (конструктор Пфар) была построена первая турбина с кожухом спиральной формы. В процессе развития радиально-осевые турбины постепенно стали проектироваться на более высокие напоры, вытесняя ковшевые турбины. В 1906 г. предельным для этих турбин был напор около 50 м., в 1920 г. – 210 м., в 1930 – 240 м., в настоящее время – свыше 500.

Турбина в наше время является одной из наиболее мощных энергетических машин. Так, мощность турбин Саяно-Шушенской гидроэлектростанции (ГЭС) составляет 6,6 млн кВт, мощность же одного современного гидравлического двигателя доходит до 1 млн кВт! Кроме этого, электрификация всей страны и питание потребителей от единой системы сделали гидротурбину по-своему универсальным двигателем. Действительно, она может посредством электричества приводить механизмы в любом хозяйстве, на любом предприятии, в любой шахте. Приведем пример одной из наиболее мощных турбин, это турбина Красноярской ГЭС. Мощность свыше 500 МВт (10 000 легковых автомобилей) при напоре около 100 м. и расходе воды 600 куб. м. в мин., КПД – 0,92, наружный диаметр – 7,5 м.

Однако проблему создания мощных турбин для больших равнинных рек с небольшими напорами удалось решить путем перехода к новой системе осевых реактивных турбин. Такие турбины были разработаны Капланом (Kaplan), профессором высшей школы в Брно в период времени с 1912 по 1916 гг. (тогда – территория Австро-Венгрии, сейчас – Чехии). Заслугой Каплана является в экспериментальном изучении рабочего процесса осевой турбины и придании ей на этой основе новой формы, существенно отличающейся от системы Жонваля. Первоначально турбина Каплана имела наружный обод и неподвижные лопасти рабочего колеса. Через несколько лет автор отказывался от обода и взял патент на турбину с поворотными лопастями рабочего колеса. Поэтому турбина Каплана в нашей стране получила название поворотно-лопастной. Она характеризуется величиной напора от 15 до 60 м. при мощности до 200 МВт., наружный диаметр колеса достигает 10 м.

Рис. 4.12. Турбина Каплана

В 1950 г. проф. В. С. Квятковский предложил использовать новый вид поворотно-лопастных турбин – диагональных. В 1952 г. аналогично предложение было сделано в Великобритании Дериазом. Благодаря преимуществам системы регулирования такие турбины получают все большое распространение. Первая диагональная турбина была пущена в 1957 г. в Канаде. Затем такие машины стали создаваться в других странах, больше всего в Японии. На Зейской ГЭС в 1975 г. введены в эксплуатацию самые мощные в мире диагональные турбины, созданные Ленинградским Металлическим заводом.

Системы активных турбин развивались одновременно в США и Европе. Их предшественниками стали тангенциальные колеса, созданные Понселе. В 1880 г. появилась первая ковшовая турбина, созданная Пельтоном (Pelton). Сначала она имела лопатки в виде цилиндрической поверхности, укрепленных на ободе колеса. Струя воды из сопла, попадая на поверхность лопатки изменяла направление своего движения, создавая за счет этого усилие на ротор. При проведении первых опытов рабочее колесо сдвинулось относительно струи и вода стала попадать не в центр цилиндрического ковша, а сбоку. При этом сила воздействия струи резко возросла, но появилась осевая составляющая. Для ее уравновешивания Пельтон сначала стал размещать лопасти на колесе в шахматном порядке. Затем он перешел от цилиндрических ковшей к ковшам, имеющим нож, режущий струю на две симметричные части. Следует отметить, что не Пельтон первым предложил новую форму ковша, но он внедрил его в практику и наладил широкое изготовление турбин этого типа.

Рис. 4.13. Турбина Пельтона

Развитие турбин определялось двумя факторами: разработкой все более совершенных методов расчета и появлением прогрессивных технологий металлообработки. За первые 50 лет с 1840 по 1890 г. средняя величина КПД возросла с 70 % до 80 %, за последующие 50 лет – до 92 %, практически не изменяясь последнее десятилетие с 1930 по 1940 г. В это же время удельный расход металла уменьшился со 150 кг. на л.с. до 30 кг. на л.с. в 1890 г. и до 10 кг. на л.с. к 1940 г.

В XX в. получила распространение еще одна система активных турбин, предложенная в Венгрии профессором Будапештского технического университета Донатом Банки (Banki, патент 1918 г.). Эта так называемая двухкратная турбина, первоначально запатентованная в Австралии Малдоном Мишелем еще в 1903 г. Однако Банки впервые применил сопло с эвольвентной направляющей стенкой и разработал метод расчета, поэтому двухкратная турбина имеет право называться турбиной Банки. В последние годы эта схема переживает второе рождение в связи с возросшим интересом к созданию гидроэлектростанций на малых реках и даже ручьях.

Рис. 4.14. Турбина Банки

Малые гидроэлектростанции не загрязняют окружающую среду, им не требуется протяженных и дорогих линий электропередачи, они просты в эксплуатации, потребители не зависят от монополии производителей. Одну из таких установок «прямой поток» на напоры менее двух метров разработал швейцарец Эшер Висс. В его конструкции ротор генератора размещается соосно с рабочим колесом турбины и располагается прямо в русле водотока. Сейчас выпускаются модули для мини-гидростанций мощностью около двух мегаватт и выше. Канадский специалист Рэй Нейр поместил обмотку ротора генератора в рабочее колесо турбины. Таким образом, сама турбина превращается в ротор электрической машины, а обмотка статора располагается в стенках водовода. Интересное решение выбрано для системы регулирования: стабилизируется режим постоянно отдаваемой мощности. Избыточная мощность направляется в накопитель, где она преобразуется в тепло, утилизируемое вне агрегата.

Создание отечественной школы гидротурбостроения связано с рядом выдающихся ученых и инженеров, в первую очередь следует упомянуть И. Н. Вознесенского, И. И. Куколевского, В. С. Квятковского, Н. Н. Ковалева.

Рис. 4.15. Основные типы гидравлических турбин

5. Пневматические машины

5.1. Воздуходувные машины

Машины для подачи или отсасывания воздуха являются, как и насосы, древнейшими устройствами. Интенсификация процесса горения требует подачи большего количества воздуха. Наблюдение за поведением костра при разной силе ветра могла привести к различным методам решения задачи: разжигать костер на подветренной стороне холма, использовать силу легких и раздувать пламя, создавать искусственный ветер с помощью звериной шкуры. По всей вероятности описанные методы очевидны и использовались людьми практически со времени открытия огня. Древнейшие цивилизации Египта и Шумера использовали для подвода воздуха к топливу трубку из тростника или дерева, которую держал во рту человек. Удаление от очага пламени позволяло ему работать в более комфортных условиях. Отметим, что тренированный человек может создать в течение нескольких минут давление, величина которого составляет примерно десятую часть атмосферного давления.

Герон описывает два устройства для подачи воздуха вытеснительного типа. Одно из них состоит из сосуда, разделенного на две части перегородкой, в нижней части которой выполнено отверстие. При заполнении сосуда водой создается объем, соединенный с потребителем воздуха с большим отверстием. Другое устройство состоит из двух сосудов, один из которых открытой частью погружен в другой. Крышка этого сосуда с небольшим отверстием находится в атмосфере. При подаче воды в пространство между сосудами, она попадает в перевернутый сосуд и вытесняет из него воздух.

Имя гениального изобретателя, создавшего первую воздуходувную машину – клиновидный мех для металлургии – очевидно никогда не станет известным. Это устройство состоит из двух досок, соединенных под острым углом с помощью кусков кожи. Для того чтобы доски можно было сблизить, уменьшая угол между ними, на коже делались складки гармошкой. В верхней доске или в торцевой кожаной стенке прямоугольной формы выполнялись отверстие для входа воздуха. Выходное отверстие в вершине угла через насадок (короткую трубу) могло подсоединяться к печи. Иногда выходное отверстие непосредственно не соединялось с горном, а струя воздуха вдувалась в пламя. Очевидно, первые воздуходувные меха инициировали создание первых самодействующих клапанов, которые существенно улучшили эффективность первых машин. Функцию первых всасывающих клапанов выполняла человеческая ладонь, попеременно закрывая и открывая входное отверстие. Заметив различное силовое воздействие воздуха на руку, сообразительный работник мог прийти к идее клапана в виде куска кожи, закрывающего входное отверстие с перекрытием внутри меха. При увеличении объема меха за счет увеличения угла между досками клапан открывался под действием атмосферного давления. При уменьшении объема давление внутри меха становилось больше атмосферного, и клапан закрывался. От степени герметичности клапана и гибкости кожи существенно зависела результативность работы. Меха приводились в действие мускульной силой человека или животных.

Рис. 5.1. Металлургическая печь с клиновидной воздуходувкой

В Месопотамии кузнечные меха появились между третьим и вторым тысячелетиями до н. э., в Египте – спустя несколько столетий. Их конструкция оставалась практически неизменной до XVIII века, однако, в средние века чаще стал применяться привод от водяного колеса. Производительность таких воздуходувных машин достигала 1 куб. м. в мин. Рамелли описывал воздушные насосы с кожаной рабочей камерой в виде гармони и клапанами. Герон описывает поршневую воздуходувку, приводимую ветряным колесом.

Георг Агрикола знает, кроме клиновидной, воздуходувку цилиндрической формы. Последняя применяется реже, так как она дает слабую струю воздуха. При помощи простых остроносых мехов, сделанных из кожи и дерева, в шахты либо вдували свежий воздух, либо отсасывали плохой с глубины до 35 м. Обычно двигатель только поднимал верхнею крышку меха. Опускалась она под действием тяжести камня, помещенного на ней. Для перемещения большого количества воздуха устанавливалось несколько мехов, которые работали одновременно.

Он описал также устройство воздуходувных машин другого типа для проветривания шахт. Одна из машин состояла из одной или нескольких труб и бочки, установленной на диске, который прикреплен к концу верхней трубы. В бочке имеется постоянно открытое четырехугольное отверстие, которое всегда направлено навстречу ветру благодаря действию ветра на плоский флюгер, укрепленный в верхней части устройства. Воздух по трубе направляется в шахту. Использовался в это время также принцип вытеснения воздуха водой из герметичной полости.

Другую категорию машин Агрикола называет веерными. В наше время они называются вентиляторами. Веера или крылья прикрепляются к горизонтальному валу с воротом, который мог приводиться во вращение человеком. Вращающаяся часть машины (ротор) помещалась в цилиндрический кожух или в кожух типа ящика. Воздух поступал в отверстие, которое было расположено вблизи оси, а выходил из отверстия, расположенные на наружной поверхности кожуха. Агрикола объясняет преимущества цилиндрического кожуха, однако его изготовление обходилось дороже. Машины веерного типа обеспечивали подачу большего количества воздуха по сравнению с клиновыми мехами, но на меньшую высоту. Несмотря на очень несовершенную организацию подвода и, особенно, отвода рабочего тела в описанной машине следует отметить самое раннее упоминание об использовании принципа работы центробежных насосов и вентиляторов. В 1741 году Гелье (?) построил центробежный вентилятор, близкий по конструкции к насосу Папена.

Рис. 5.2. Колесо центробежного компрессора

В 1761 году в Англии появилась воздуходувная машина поршневого типа с максимальным давлением до 4 атм. В 1881 году там же было введено водяное охлаждение поршневых компрессоров. Эти машины применялись тогда для привода перфораторов при проходке туннелей и для добычи каменного угля. К 1891 г. относится первый выпуск многоступенчатых машин.

Рис. 5.3. Многоступенчатый осевой компрессор

Паровая машина впервые была приспособлена для воздуходувного меха русским горным мастером И. И. Ползуновым на Барнаульском медеплавильном заводе в 1766 году. С 1782 года в Англии широко применяются воздуходувки поршневого типа с приводом от паровой машины. В настоящее время воздуходувные машины приводятся в движение тепловыми и электрическими двигателями всех типов.

Воздуходувные машины служат для сжатия и подачи различных газов, в том числе воздуха. В зависимости от величины степени сжатия (степень сжатия – это отношение выходного давления к давлению газа на входе в устройство) они разделяются на вентиляторы (степень сжатия до 1,1), нагнетатели (свыше 1,1 без промежуточного охлаждения газа при сжатии) и компрессоры (с промежуточным охлаждением газа). Иногда и нагнетатели с большой величиной степени сжатия (или степени повышения давления) без охлаждения рабочего тела называют компрессорами. Иногда воздуходувные машины называют воздуходувками (в металлургии) или дутьевыми устройствами (в котельных установках). По принципу действия и устройству воздуходувные машины очень похожи на насосы соответствующих типов. Однако из-за легкой сжимаемости воздуха их правильнее отнести не к гидравлическим, а к тепловым машинам. При высокой степени сжатия газ нагревается, так как естественный теплоотвод не может обеспечить постоянное значение температуры рабочего тела – наиболее благоприятный режим для получения высокого значения кпд.

В 1867 г. Рутс (Roots) создает удачную конструкцию роторной воздуходувной машины, не имеющей аналогов в насосостроении. Два ротора в виде овалов с сужением в центральной части приводятся во вращение от зацепления, выведенного за пределы рабочей камеры. Эта машина применяется практически без изменения и в настоящее время.

Рис. 5.4. Воздуходувка Рутса

Рис. 5.5. Домна с поршневой воздуходувкой

Поршневые компрессоры характеризуются наиболее высокими значениями выходного давления: от 3 до 2000 атм. (в лабораторных условиях до 70000 атм.) при производительности от 2 до 5 куб. м. в мин. Они используются в холодильных установках, в химической промышленности, для питания пневматических систем. Роторные компрессоры выпускаются с давлением от 3 до 15 атм. при производительности от 0,5 до 300 куб. м в мин. Основные области применения этих машин: химическая промышленность и металлургия. Центробежные компрессоры имеют давление нагнетания от 2 до 30 атм. и производительность от 10 до 20000 куб. м. в мин. Они применяются в горнорудной и нефтегазовой промышленности, для наддува поршневых двигателей, в авиации. Осевые компрессоры имеют максимальные значения производительности – до 20000 куб. м. в мин. при давлении нагнетания от 2 до 6 атм. – и используются в металлургии, в газотурбинных установках, в авиационных реактивных двигателях.

Н. Е. Жуковский и С. А. Чаплыгин, создатели теории решеток профилей, являются основоположниками русской и советской школы аэродинамики. Н. Е. Кочин, С. А. Христианович, И. Н. Вознесенский, Г. Ф. Проскура, Л. А. Симонов, Л. И. Седов сделали большой вклад в развитие механики жидкости и газа и теории турбомашин (радиальных и осевых). Фундаментальное значение для теории лопаточных машин имели работы Ауреля Стодолы, словака, работавшего в Швейцарии. Большую роль сыграли также работы Л. Прандтля, Х. Глауэрта, Ф. Вейнига, Х. Шлихтинга, Е. Кенига, А. Бетца.

Практически работоспособный центробежный вентилятор был создан в 1832 году генерал-лейтенантом А. А. Саблуковым (1783–1857 гг.), им же был предложен в 1935 г. осевой вентилятор. В 1900 г. французская фирма «Рато» (Rateau) выпустила первый центробежный компрессор для подачи воздуха в доменные печи. Вскоре выпуск центробежных компрессоров был налажен на многих заводах Европы и Америки. В конце XIX века Чарльз Парсонс (Parsons), создатель современной паровой турбины, построил несколько осевых компрессоров на основе опыта турбостроения. Однако из-за низкого значения КПД (около 50 %) эти компрессоры не получили распространения. Неудача Парсонса объясняется тем, что он не смог учесть всей сложности явлений в пространственном диффузорном потоке, характерном для компрессоров, в отличие от турбин, в которых течение в основном конфузорное. В 1934 году швейцарская фирма «Броун-Бовери» (Brown-Boveri) на основе теоретических работ Стодолы впервые создала многоступенчатый осевой компрессор с КПД 84 %. Вскоре осевые компрессоры стали успешно использоваться этой фирмой для газотурбинных установок. Дальнейшая история турбокомпрессоростроения тесно связано с появлением и стремительным развитием авиации.

В 1933 г. Жорж Ранк (Ranque) предложил вихревой термотрансформатор, в котором сжатый газ при расширении разделяется на два потока: один более холодный, чем исходный, а второй – более горячий. Открытие Ранка оставалось долгое время малоизвестным и даже опровергалось известными учеными аэродинамиками. Известный немецкий физик Хилш (Hilsh) провел обстоятельные исследования эффекта и дал рекомендации для конструирования и эксплуатации вихревых термотрансформаторов. Поэтому это устройство часто называют трубой Ранка или трубой Ранка_Хилща. В нашей стране изучением вихревого эффекта занимались М. Г. Дубинский, А. П. Меркулов, В. С. Мартыновский, В. П. Алексеев, М. И. Бродянский.

Рис. 5.6. Вентиляторное колесо пылесоса

В 1914 году при проектировании осевых вентиляторов для аэродинамических труб была использована разработанная Н. Е. Жуковским вихревая теория винта. Это позволило существенно повысить КПД этих вентиляторов. В дальнейшем создании эффективных вентиляторов большие заслуги принадлежат К. А. Ушакову и В. П. Ветчинкину, ученикам Н. Е. Жуковского. Большое значение имела, вышедшая в 1933 г. книга В. И. Поликовского «Вентиляторы, воздуходувки и компрессоры».

Большие заслуги в создании отечественных конструкций компрессоров и развитии методов их расчета принадлежат коллективам ПО «Ленинградский металлический завод» (ЛМЗ), ПО «Невский машиностроительный завод» (НЗЛ), Казанского компрессорного завода, Центрального аэрогидродинамического института им. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ), института им. П. И. Баранова (ЦИАМ), НПО «Центральный котлотурбинный институт им. И. И. Ползунова» (ЦКТИ), СКБ по компрессоростроению (СКБК, г. Казань) и высших учебных заведений (ЛПИ им. М. И. Калинина, МАИ, МЭИ, МВТУ им. Н. Э. Баумана, КХТИ).