История науки и техники. Энергомашиностроение

Напор одноступенчатых центробежных насосов, серийно выпускаемых промышленностью, достигает 120 м, подача – 30 м³/с. Серийно выпускаемые многоступенчатые насосы развивают напор до 2000 м при подаче до 0,1 м³/с. КПД в зависимости от конструктивного исполнения меняется в широких пределах: от 0,85 до 0,9 у крупных одноступенчатых насосов и 0,4–0,45 у высоконапорных многоступенчатых. Параметры центробежных насосов специального изготовления, как одноступенчатых, так и многоступенчатых, могут быть значительно выше.

Самый мощный насос в мире функционирует в американском штате Виргиния. Наружный диаметр его рабочего колеса составляет 6,5 метров, частота вращения – 257 оборотов в минуту, напор – 393 метра, мощность – 457 000 000 ватт. Самый маленький центробежный насос, известный автору, имел наружный диаметр 8 миллиметров.

Рис. 3.20. Многоступенчатый питательный насос

Один из исследователей истории создания насосов, Авраам Энжеда (Abraham Engeda), отметил, что «насосы имеют длинную хронологию, но теория далека от практики». В наибольшей степени это относится к лопастным насосам»: центробежным и осевым. Создание эффективных энергетических машин этого типа невозможно только путем инженерной интуиции и накопления опытных данных. Потребовалось создание продуктивной теории, основанной на математических моделях различной степени сложности.

Пальму первенства традиционно отдают Леонардо да Винчи, однако его достижения в этой области стали широко известны уже после создания более полных теоретических исследований и достаточно эффективных машин. Некоторые приписывают приоритет Иоганну Иордану (Johan Iordan), человеку менее известному, который в 1680 году рассматривал принцип действия радиальных лопастных машин.

В 1754 году проблемами, связанными с лопастными насосами и турбинами, называемыми также турбомашинами, заинтересовался великий математик Леонард Эйлер (Leonahrd Euler). На основе общих законов механики он получил основное уравнение теории турбомашин, которое дало возможность создания математических моделей этих машин.

В этом уравнении M момент взаимодействия потока жидкости и рабочего колеса, V_2u и V_1u окружные составляющие жидкости на выходном r_2u и входном r_1u радиусах рабочего колеса.

Публикация статьи Эйлера способствовала разработкам в первую очередь гидравлических турбин, но ее содержание было недостаточным для детального проектирования проточной части машин. Потребовалось множество экспериментальных исследований и математических моделей, например схеме бесконечного числа тонких лопаток, чтобы можно было провести расчет реальных конструкций.

Отметим, что в 1752 году (за два года до публикации статьи Эйлера) выдающийся английский инженер Джон Смитон (John Smeaton) разработал несколько моделей для изучения турбомашин. Именно он ввел мощность потока жидкости как эквивалент скорости подъема тяжести.

Важнейшим этапом в истории насосостроения явился выход в свет в 1924 году первого издания монографии Карла Пфлейдерера (Carl Pfleiderer, 1881–1953) по расчету и проектированию насосов. В дальнейшем эта книга многократно переиздавалась на нескольких языках, в том числе и на русском.

Профессор Карл Пфлейдерер (Carl Pfleiderer) по праву считается основателем современной теории лопастных насосов. Он родился в 1881 году в Вайблингене, учился в Штутгартском институте машиностроения, где и получил ученую степень доктора наук. Успешно сочетал научную теоретическую деятельность с исследовательской работой на производстве и преподаванием в Брауншвейгском машиностроительном институте. В 1924 году издал свой капитальный труд «Лопастные насосы», получивший международное признание. Создал свой институт, который передал наследнику за семь лет до смерти.