История науки и техники. Энергомашиностроение

Несколько эскизов центробежных машин сделано рукою великого Леонардо да Винчи. В 1657 г. описан насос Бланкино в виде двух вращающихся на общей раме наклонных трубок, нижние концы которых опущены в воду, а верхние расположены над круговым сосудом, куда стекает вода. Дени Папен (Denis Papin, 1647–1714), французский врач, физик и инженер, решил приспособить воздуходувку для подачи воды. После первой конструкции в 1689 году он усовершенствовал машину и в 1705 году создал насос, приближающийся по виду к современным. Папен применил спиральный кожух с постепенно увеличивающимся по направлению вращения сечением. Нужно отметить, что и до Папена и после него изобретались заново и по всей вероятности независимо от него центробежные машины для подачи воздуха и воды менее удачные по конструкции. А одним из изобретателей был великий Леонард Эйлер (1707–1783), который впервые дал математический анализ рабочего процесса радиальной лопастной машины. В России первые центробежные машины для подачи воздуха и воды (под названием «водогон») были созданы инженером, генерал-лейтенантом А. А. Саблуковым (1783–1857) в 30-х годах XIX века.

Рис. 3.16. Насос Саблукова

Название центробежный насос означает, что жидкость в этой машине перемещается от центра к периферии. Основными силами являются не центробежные силы инерции, равнодействующая которых проходит через центр вращения и поэтому, имея нулевой момент, не может участвовать в силовом взаимодействии лопастей и жидкости, а кориолисовы силы инерции и силы, подобные подъемной силе крыла самолета. По всей вероятности изобретатели первых центробежных машин не могли правильно понимать все особенности рабочего процесса своих созданий.

Рис. 3.17. Центробежный насос Папена

В 1818 году на основе разработок Папена американская насосная фабрика в штате Массачуcетс начала производство центробежных насосов с открытым рабочим колесом, имеющим прямолинейные лопасти. Через 13 лет, в 1831 году, фирма «Blake Co» в штате Коннектикут приступила к выпуску вертикальных насосов с полуоткрытым рабочим колесом. В 1838 году появляется статья Джона Комбса (Combs) о значении кривизны лопастей, которая явилась важным фактором в разработке лопастных насосов. Уже через год Уильям Эндрюс (Andrews) начинает выпуск насосов со спиральной камерой, а в 1846 году создает модель с закрытым рабочим колесом. Приблизительно в это же время Джон Эппольд (Jhon Appold) проводит серию специально поставленных экспериментов для определения наилучшей формы рабочего колеса.

Рис. 3.18. Насос Эппольда

В 1851 году, когда появились высокооборотные паровые машины и были разработаны основы гидромеханики, на Всемирной промышленной выставке в Лондоне было представлено несколько образцов центробежных насосов, которые могли заметно сузить область использования хорошо известных с древности поршневых насосов. Лучшая конструкция принадлежала Джону Эппольду (1800–1865). Его насос с двухсторонним колесом и лопатками, загнутыми назад по отношению к направлению вращения при подаче 94 литра в секунду и напоре 6 метров имел коэффициент полезного действия 68 процентов. Еще лучших результатов добился несколько лет спустя Джеймс Томсон (James Thomson, 1822–1892), брат знаменитого физика лорда Кельвина, за счет рационального профилирования спирального отвода с коническим выходным патрубком.

Центробежный насос проигрывает поршневому в области больших напоров. Поэтому один из участников Всемирной выставки в Лондоне Гвинн (Gwinn, 1800–1855) создал многоступенчатый насос. Выигрывая по габаритам, он все-таки уступал поршневому насосу по эффективности. Проблема была столь важной, что к ее решению привлекли одного из крупнейших гидромехаников Осборна Рейнольдса (Osborn Reynolds, 1842–1912), который получил патент на многоступенчатый насос с лопастными направляющими аппаратами между рабочими колесами. Такая конструкция применяется и в настоящее время.

К концу прошлого века электродвигатель и паровая турбина стали промышленными машинами. С начала двадцатого века центробежный насос с электродвигателем получает все большее применение в Европе и в Америке, вытесняя поршневой насос, так как разница в массовых и габаритных показателей столь значительна, что покрывала собой некоторое, иногда значительное преимущество поршневого насоса перед центробежным насосом по коэффициенту полезного действия. С течением времени по мере совершенствования центробежных насосов в основном за счет улучшения методов расчета эта разница постепенно сглаживалась. В настоящее время она удерживается только в области очень высоких напоров и малых подач, где центробежный насос уступает по эффективности поршневому.

Рис. 3.19. Насос Гвинна