Історія розвитку, види та будова насосу

Спеціалізована насосна компанія "ТЕХНОМАШ" пропонує статтю: Історія розвитку, види та будова насосу

Насос – це пристрій (гідравлічна машина, апарат або прилад) для напірного переміщення (всмоктування та нагнітання), в основному, крапельної рідини, в результаті передачі їй зовнішньої енергії (потенціальної та кінетичної). Пристрої для безнапірного переміщення рідини насосом, зазвичай, не називають, та відносять їх до водопідйомних машин.

Історична довідка.

Винахід насосу відноситься до глибокої давнини. Перший насос для гасіння пожеж, який винайшов давньогрецький механік Ктесібій, був описаний у 1 ст. до н.е. давньогрецьким вченим Героном з Олександрії у творі "Pneumatica", а згодом М. Вітрувієм у праці "De Architectura". Найпростіші дерев’яні насоси з прохідним поршнем для підйому води з криниць, ймовірно, застосовувались ще раніше. До початку 18 ст. поршневі насоси, порівняно з водопідйомними машинами, застосовувались рідко. Згодом, у зв’язку з ростом потреби у воді та необхідністю збільшення висоти її подачі, особливо після появи парової машини, насоси поступово почали витісняти водопідйомні машини. Вимоги до насосів та умови їх застосування ставали все більш різноманітними, тому, поряд з поршневими насосами, почали створювати обертальні насоси, а також різноманітні пристрої для напірної подачі рідин. Таким чином, історично окреслились три напрямки їх подальшого розвитку: створення поршневих насосів, обертальних насосів та гідравлічних пристроїв без рухомих робочих органів.

Основний параметр насосу – кількість рідини, яка переміщається за одиницю часу, тобто, здійснювана об’ємна подача Q. Для більшості насосів найважливішими технічними параметрами також є: створюваний тиск p або супутній йому напір H, споживана потужність N та ККД h.

Термінологія.

Назви більшості пристроїв, які застосовуються для всмоктування та нагнітання рідин, складаються зі слова "насос" та відповідного визначення, яке характеризує, як правило, або принцип їх дії (наприклад, відцентровий, електромагнітний), або особливості конструкції (горизонтальний, зубчастий, шиберний), або середовище, що подається (наприклад, ґрунтовий насос). Деколи визначальне слово фіксує призначення або сферу застосування насосу (наприклад, лабораторний, дозувальний), тип приводу (ручний, з електроприводом), а також автора конструкції (наприклад, насос Гемфрі) або назву фірми (насос СІХІ – за першими літерами слів Simen Hinsch; насос Фарко – за іменем власника заводу). Деякі з пристроїв, що розглядаються, отримали особливі назви, наприклад: газліфт, одна з конструкцій якого називається маммут-насос, або насос Маммута; витискувачі, до яких відноситься монжус, який називається також насосом Монтежю, або пневматичний насос; гідроелеватор, інжектор та ежектор, які є різновидністю струминного насосу. Під назвою "насос" відомі також пристрої цілком іншого призначення, наприклад, вакуумні насоси, які призначені для видалення газів із замкнутих об’ємів; тепловий насос – пристрій для передачі тепла з навколишнього середовища (повітря або води), яке має низьку температуру, до об’єкту з більш високою температурою (наприклад, до води опалювальної системи); насос магнітного потоку, який здійснює періодичні зміни магнітного потоку в замкнутому колі, та ін.

Каталог Calpeda

Класифікація. Пристрої для напірного переміщення рідин поділяються на види та різновиди за різноманітними ознаками, наприклад, за принципом дії та конструкцією. Така ознака покладена за основу класифікації, яка представлена у Державному стандарті СРСР (ГОСТ 17389-72). Насоси можна також умовно розділити на 2 групи: насос-машини, які приводяться в дію від двигунів, і насос-апарати, які діють за рахунок інших джерел енергії та не мають рухомих робочих органів. Насос-машини бувають лопатеві (відцентрові, осьові, вихрові), поршневі, роторні (шестеренні, коловоротні, пластинчасті, гвинтові та ін.). До насос-апаратів відносяться струминні (рідинно-рідинні та газорідинні), газліфти (в тому числі ерліфти), витискувачі (в тому числі парові та газові), гідравлічні тарани, магнітогідродинамічні насоси та ін.

Насоси усіх типорозмірів у СРСР мають умовні позначення (марки), що складаються, як правило, з літер та цифр.

Підйом у розвитку поршневих насосів спостерігався наприкінці 18 ст., коли для їх виготовлення почали застосовувати метал та використовувати привід від парової машини. З середини 19 ст. почали широко впроваджувати у виробництво парові поршневі насоси прямої дії. До цього періоду відноситься створення крильчастих насосів, прототипом яких є поршневий насос з кільцевим циліндром, описаний французьким інженером А. Рамеллі у 1588 році ("Le diverse et articiose machine"). Розвиток теорії поршневих насосів тісно пов’язаний з працями вітчизняних вчених та інженерів (К. Бах, Г. Берг, А.П. Герман, В.Г. Шухов, П.К. Худяков, І.І. Куколевський, А.А. Бурдаков та ін.). Досягнення в області поршневих насосів були широко використані також під час створення поршневих компресорів, гідравлічних пресів та ін. пристроїв, внаслідок чого поршневі насоси, починаючи з 20-30-х років 20 ст., стали помітно витіснятись із ряду галузей відцентровими, роторними та ін. насосами.

Каталог Speroni

Інший шлях розвитку насосів почався з винаходу так званих обертальних насосів, що мали по одному ротору, які також були описані Рамеллі. Насос з ексцентричним ротором є прототипом сучасних шиберних насосів. У 1624 році І. Лейрехон у книзі "La rеcrеation mathеmatiqae" описав двомоторний коловоротний насос, який можна розглядати як прототип сучасних зубчастих насосів. В подальшому з’явились й інші різновиди роторних насосів, представником яких є, наприклад, лабіринтовий насос, створений вже у 50-ті роки 20 ст. Перший вихровий насос, названий відцентровим самовсмоктувальним, був запропонований у 1920 році в Німеччині інженером С. Хіншем. Пізніше з’явились й інші різновиди.

Ідея використання відцентрової сили для подачі рідин виникла у 15 ст. ще у Леонардо да Вінчі та, вочевидь, незалежно від нього, була реалізована на початку 17 ст. французьким інженером Бланкано, який збудував найпростіший відцентровий насос для подачі води, робочим органом якого служило відкрите обертальне колесо. Один з перших відцентрових насосів зі спіральним корпусом та чотирилопатевим робочим колесом був запропонований французьким вченим Д. Папеном, який удосконалив конструкцію раніше відомої повітродувки "Hessians". Наприкінці 19 ст., коли з’явились швидкохідні теплові, а згодом електричні двигуни, відцентрові насоси отримали більш широке застосування. У 1838 році російський інженер А.А. Саблуков на базі створеного ним раніше вентилятора збудував одноступінчастий відцентровий насос, у 1846 році американський інженер Джонсон запропонував багатоступінчастий горизонтальний насос, у 1851 році аналогічний насос був створений у Великобританії за патентом Гуінна (насос Гуінна), у 1899 році російський інженер В.А. Пушечніков розробив вертикальний багатоступінчастий насос для бурових свердловин глибиною до 250 м.

Розвиток осьових насосів базувався на досвіді аналогічних їм гідротурбін. Проектування і дослідження осьових (пропелерних та поворотно-лопатевих) насосів відноситься до кінця 19 – початку 20 ст. В СРСР ці насоси розробляються, починаючи з 1932 року, на заводі "Борець" (під керівництвом М.Г. Кочнєва), у Всесоюзному науково-дослідному інституті гідромашинобудування (С.С. Руднєв та ін.), у харківському інституті "Променергетика" (Г.Ф. Проскура та ін.), а з 1934 року – на дослідній установці в м. Дмитрові (під керівництвом І. Вознесенського). Велику роль у створенні теорії та вдосконаленні конструкції відцентрових та осьових насосів відіграли праці Л. Ейлера, О. Рейнольдса, Е. Жуковського, С.А. Чаплигіна, К. Пфлайдерера та інших вчених.

Третій напрямок розвитку пристроїв для напірної подачі рідин поєднує декілька шляхів створення та вдосконалення насос-апаратів. Прототипи витискувачів, згідно свідчень Герона, виготовлялись уже в Древній Греції (пристрої для витискання з посудини води підігрітим повітрям або водяною парою). Першим витискувачем виробничого призначення була запропонована у 1698 році англійським інженером Т. Севері парова водозливна установка. Цей пристрій можна вважати прототипом винайденого в Німеччині у 1871 році Халлем пульсометра, який мав 2 камери та діяв автоматично.

Каталог Dreno

Ідея використання стиснутого повітря для подачі води висловлювалась у 1707 році Папеном та ін. інженерами, але практично була застосована значно пізніше (у 20 ст.) – в монжусі та у двокамерному водопідйомнику витіснення для водяних свердловин (конструкція інженера В.П. Савотіна, СРСР). Подача води під дією тиску продуктів згоряння рідкого палива була здійснена у Великобританії у 1911 році насосом Л. Гемфрі (див. у статті "Витискувач").

Принципово інший спосіб подачі води або нафти зі свердловин за допомогою стиснутого повітря або іншого газу був використаний у газліфтах, які були запропоновані в середині 19 ст., а пізніше знайшли і практичне застосування (з 1897 року – в Росії, на нафтових промислах у Баку, з 1901 року – у США).

З винаходом Монгольфье у 1796 році автоматично діючого гідравлічного тарану окреслився ще один шлях розвитку пристроїв для напірної подачі рідини, принцип дії яких базувався на використанні для подачі води періодично створюваних гідравлічних ударів. В подальшому були запропоновані різноманітні конструкції гідравлічних таранів. У СРСР знайшли поширення установки інженера Д.І. Трембовельського (1927 р.) та ін.

Одним з різновидів насос-апаратів став водяний струминний насос, який, як лабораторний прилад, був запропонований англійським вченим Д. Томпсоном у 1852 році та служив для відсмоктування води і повітря. Перший промисловий зразок струминного апарату застосував інженер Нагель у 1866 році (ймовірно, у Німеччині) для видалення води з шахт. Пізніше були створені різноманітні струминні насоси у вигляді водо-водяних ежекторів, пароводяних інжекторів та багато ін. Основи теорії струминних насосів були закладені у працях Г. Цейнера та У. Ранкіна в другій половині 19 ст. і отримали суттєвий розвиток у 30-х роках 20 ст., завдяки дослідженням американських інженерів О`Брайена та Госліна, а також радянських спеціалістів Л.Д. Бермана, К.К. Бауліна, А. Ложкіна, Е.Я. Соколова, М. Зінгера та ін. Пізніше був запропонований гідропневматичний водопідйомник для свердловин (В.П. Сироткін, Я.С. Суреньянц), у конструкції якого об’єднані струминний насос та ерліфт. Одним із напрямків розвитку насос-апаратів є створення магнітогідродинамічних насосів. Перші такі насоси на постійному струмі були запропоновані Голденом (1907 р.) та Гартманом (1919 р.), а насоси на змінному струмі – Чаббом (1915 р.). Однак широко їх почали застосовувати у СРСР та за кордоном лише в 50-60-ті роки 20 ст., головним чином у зв’язку з успіхами атомної енергетики. Таким чином, техніка підйому та переміщення спочатку лише води, а потім нафти та інших рідин, у кожній епосі, в основному, відповідала рівневі розвитку продуктивних сил та виробничих відносин.

Основні типи сучасних насосів

Відцентрові насоси є найбільш поширеними та призначаються для подачі холодної або гарячої (t° > 60°C) води, в’язких або агресивних рідин (кислот та лугів), стічних вод, сумішей води з ґрунтом, попелом та шлаком, торфом, роздробленим кам’яним вугіллям і т.д. Їх дія базується на передачі кінетичної енергії від обертального робочого колеса тим частинкам рідини, які знаходяться між його лопатями. Під впливом виникаючої при цьому відцентрової сили Р частинки середовища, що подається, з робочого колеса переміщуються в корпус насосу, і далі, на їх місце під дією тиску повітря поступають нові частинки, забезпечуючи при цьому безперервну роботу насосу.

Робочі колеса насосу можуть бути не лише з одностороннім підведенням рідини, але і з двостороннім, що дозволяє майже повністю врівноважити тиск рідини на зовнішні бічні поверхні колеса. Одною з важливих практичних характеристик робочих коліс відцентрових та деяких інших насосів є коефіцієнт швидкохідності ns – кількість обертів у хвилину такого робочого колеса.

Для створення великих напорів застосовуються багатоступінчасті насоси, в яких рідина проходить послідовно декілька робочих коліс, отримуючи від кожного з них відповідну енергію. Важливою особливістю відцентрових насосів є безпосередня залежність напору, а також потужності, ККД та допустимої висоти всмоктування від подачі, яка для кожного типу насосу виражається відповідними графіками, що називаються характеристиками. ККД відцентрового насосу при певному режимі його роботи досягає максимального значення, а потім, зі збільшенням подачі зменшується. Найбільші відцентрові насоси вітчизняного виробництва можуть забезпечити подачу води до 65 000 м3/год. при напорі 18,5 м, споживаючи потужність 7,5 МВт, максимальний ККД складає 88-92%. В США для насосної станції Гранд-Кулі був створений вертикальний одноступінчастий відцентровий насос з подачею 138 000 м3/год. і напором 95 м при потужності 48 МВт.

Осьові насоси призначаються, в основному, для подачі значних об’ємів рідин. Їх робота зумовлена передачею тієї енергії, яку отримує рідина при силовому впливі на неї лобової поверхні обертальних лопатей робочого колеса. Частинки рідини, що подається, при цьому мають криволінійні траєкторії, але, проходячи через апарат для вирівнювання, починають переміщатись від входу в насос до виходу з нього, в основному, вздовж його осі (від чого походить і назва).

Існують 2 основних різновиди осьових насосів: жорстко-лопатні, з лопатями, які закріплені нерухомо на втулці робочого колеса, і називаються пропелерними, а також поворотно-лопатні, які обладнані механізмом для зміни кута нахилу лопатей. Насоси обох різновидів будують, як правило, одноступінчастими, рідше – двоступінчастими.

Зміною кута нахилу лопатей робочого колеса досягається регулювання подачі з підтримкою ККД на високому рівні, в широких межах. Робочі колеса осьового насосу мають дуже високий коефіцієнт швидкохідності (ns від 500 до 1500 об./хв.). При малих подачах характеристики Н – Q та N – Q круто знижуються. Максимальні значення Н та N відповідають режиму холостого ходу. Найбільший вітчизняний осьовий поворотно-лопатний насос розрахований на Q = (45?50)?103 м3/год. при H від 13 до 10 м, N = 2 МВт та ККД = 86%. Марка цього насосу: ОП2-185, де ОП – осьовий поворотно-лопатний, 2 – тип робочого колеса, і 185 – діаметр робочого колеса (по кінцях лопатей, в см).

Вихрові насоси мають хорошу здатність до самовсмоктування, тобто, можливість починати дію без попереднього заповнення всмоктувальної труби середовищем, яке подається, якщо вона міститься в корпусі насосу. Завдяки цьому вони застосовуються для подачі крапельних рідин, які легко випаровуються або насичених газами, а також у комбінації з відцентровими насосами. Існують 2 різновиди вихрових насосів: закритого та відкритого типу. У вихровому насосі закритого типу частинки рідини з комірок, які розташовані по периферії робочого колеса, під впливом відцентрових сил будуть переходити в канал корпусу насосу, і потім, передавши частину своєї кінетичної енергії середовищу, яке там знаходиться, повертаються в інші комірки. Здійснюючи гвинтоподібне вихрове переміщення, кожна частинка, під час її знаходження в насосі, декілька разів побуває в комірках ротора, і отримає від нього певну енергію. В результаті такої багатоступінчастої дії вихрові насоси, порівняно з аналогічними (за розмірами і швидкістю обертання) відцентровими насосами, розвивають у 3-7 разів більший напір, але працюють з більш низьким (у 2-3 рази) ККД. У вихрових насосах відкритого типу рідина підводиться поблизу валу насосу, проходить між лопатями робочого колеса і відводиться до вихідного отвору в корпусі з відкритого (без перемички) периферійного каналу. В зарубіжній літературі вихрові насоси називаються фрикційними, регенеративними, турбулентними, самовсмоктувальними та ін.

Поршневі насоси відрізняються великим різноманіттям конструкцій та широтою застосування. Дія поршневих насосів складається з почергових процесів всмоктування та нагнітання, які відбуваються у циліндрі насосу при відповідному напрямку руху робочого органу – поршня або плунжера. Ці процеси відбуваються в одному і тому ж об’ємі, але в різні проміжки часу. За способом надання робочому органу поступально-зворотного руху, насоси поділяються на привідні (як правило, з колінчатим валом і шатунним механізмом) та прямої дії. Щоб періодично з’єднувати робочий об’єм як зі стороною всмоктування, так і зі стороною нагнітання, в насосі передбачені всмоктувальний та нагнітаючий клапани. Під час роботи насосу рідина отримує, в основному, потенційну енергію, яка є пропорційною до тиску її нагнітання. Нерівномірність подачі, яка пов’язана зі зміною в часі швидкості руху поршня або плунжера, зменшується зі збільшенням кратності дії насосу, і може бути майже повністю усунена застосуванням повітряно-гідравлічного компенсатора. Поршневі насоси класифікуються як горизонтальні та вертикальні, одинарної та багатократної дії, одно- та багатоциліндрові, а також за швидкохідністю, типом рідини, яка подається, та за іншими ознаками. В порівнянні з відцентровими насосами, поршневі мають більш складну конструкцію, відрізняються тихохідністю, а відповідно, і більшими габаритами, а також масою на одиницю виконаної роботи. Але вони мають порівняно високий ККД та незалежність (в принципі) подачі від напору, що дозволяє їх використовувати в якості дозувальних насосів. Поршневі насоси можуть створювати при нагнітанні рідини тиск порядку 100 МН/м2 (1000 кгс/см2) і більше.

Роторні насоси отримали поширення, в основному, для здійснення невеликих подач рідини. За особливостями конструкції робочих органів роторні насоси можна розділити на зубчасті (в тому числі шестеренні), гвинтові, шиберні, коловоротні, аксіально- і радіально-поршневі, лабіринтові та ін. Кожен з них має свої різновиди, але основна ознака, яка їх об’єднує, – це спільність принципу дії, який, в основному, є аналогічний до принципу дії поршневих насосів. Роторні насоси відрізняються відсутністю всмоктувального та нагнітаючого клапанів, що є їх значною перевагою та спрощує конструкцію.

Зубчастий насос із зовнішнім зачепленням двох шестерень – найбільш поширений – всмоктує рідину при виході зубів одного колеса із заглибин іншого, і нагнітає її при входженні зубів однієї шестерні у зачеплення з іншою. Зубчасті насоси обладнані запобіжним клапаном, який при досягненні максимально допустимого тиску перепускає рідину зі сторони нагнітання на сторону всмоктування. Зубчасті насоси використовуються для подачі нафтопродуктів та інших рідин без абразивних домішок.

Шиберний пластинчастий насос діє в результаті зміни робочих об’ємів, які знаходяться між сусідніми пластинами, та відповідними ділянками поверхонь ротора і корпусу. В лівій частині насосу, в процесі обертання за годинниковою стрілкою ексцентрично розташованого ротора, цей об’єм збільшується, через що тиск в ньому зменшується, і створюється можливість для всмоктування рідини. В іншій частині насосу, в процесі обертання ротора міжлопатеві простори зменшуються, що забезпечує нагнітання середовища, яке подається. Ці насоси бувають одинарними або здвоєними. Вони призначені для нагнітання чистих, не надто в’язких мінеральних масел, до тиску 6 МН/м2 (60 кгс/см2) і більше, та застосовуються в системах гідроприводу та інших пристроях.

Струминні насоси, з-поміж насос-апаратів, мають найбільш широку сферу застосування і найбільше різноманіття конструкцій. Одним із них є водоструминний насос, дія якого складається, в основному, з трьох процесів – перетворення потенційної енергії робочої рідини в кінетичну (в конічній збіжній насадці), обміну кількістю руху між частинками робочої рідини і середовища, яке подається, (в камері змішування), та переходу кінетичної енергії суміші робочої та транспортувальної рідини в потенційну (в дифузорі). Завдяки цьому в камері змішування створюється розрідження, котре забезпечує всмоктування середовища, яке подається. Потім тиск суміші робочої та транспортувальної рідини значно підвищується в результаті зменшення швидкості руху, що робить можливим процес нагнітання. Струминні насоси є простими за будовою, надійними та довговічними в експлуатації, але їх ККД не перевищує 30%.

Сфери застосування. Особливості конструкції та принцип дії різноманітних насосів визначають діапазони подачі та напору, в межах яких доцільно застосовувати насос того чи іншого типу. Використання трьох основних типів насосів характеризується даними.

Каталог ZDS

Розглядаючи сфери застосування пристроїв для напірної подачі рідин, слід також мати на увазі, що ще у 19 ст., особливо у Великобританії, насоси використовувались (до запровадження електроприводу) в якості генераторів гідравлічної енергії. Ця енергія від центральних енергетичних установок (з поршневими насосами та паровими машинами) спеціальними водопроводами високого тиску передавалась на промислові підприємства до споживачів. З початку 20 ст. почали використовувати відцентрові та роторні насоси в якості генераторів гідравлічної енергії в гідравлічних передачах і системах гідроприводу машин, у яких, разом з гідравлічними двигунами, вони є основним елементом.

---

<<< Повернутись