История науки и техники. Энергомашиностроение
Шрифт:
В черпаковом насосе, появившемся в нескольких модификациях вскоре после вихревого в США и ФРГ, отводящее устройство в виде обтекаемого тела с каналом – черпака, размещено внутри вращающегося корпуса с радиальными лопатками, укрепленными на его боковых стенках. Наружная поверхность корпуса вращается в воздушной полости неподвижного кожуха. Жидкость подводится в кольцевой канал, а отводится из трубки идущей вдоль оси вращения. Вращение от ротора передается в результате обмена количества движения между частицами жидкости, сходящими с лопаток и находящимися в пространстве между неподвижным черпаком и ротором. В области малых подач эти насосы имеют преимущество перед центробежными и объемными. Кроме того, они могут перекачивать загрязненные и легкокипящие жидкости. За рубежом черпаковые насосы обычно называют насосами с трубкой Пито.
Рис. 3.22. Вихревой
Лабиринтные насосы, разработанные у нас в стране в институте гидромашиностроения, предназначены главным образом для подачи кислот и других агрессивных жидкостей, но маловязких жидкостей. Они могут быть осевыми и радиальными, но чаще используются осевые. Ротор и корпус имеют многозаходные нарезки противоположного направления. При вращении ротора в процессе обтекания винтовых поверхностей происходит силовое взаимодействие за счет интенсивного образования вихрей. Для химической промышленности применяются лабиринтные насосы с подачей до 10 литров в секунду при напоре до 150 метров. Часто лабиринтные насосы используют в качестве динамических уплотнений, которые обеспечивают герметичность только при движении рабочих органов.
Рис. 3.23. Черпаковый насос
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
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.