История вакуумного оборудования
Появление и развитие машин насосного типа связано непосредственно с развитием человеческого общества. Использование воды, столь необходимой для жизни и деятельности человека, вынуждало искать пути и средства механизации для ее транспортирования.
Первым насосом относительно удачной конструкции был поршневой насос, построенный греческим механиком Ктезибием в 140-х годах до н. э. (рис. В. 1). Он предназначался для тушения пожаров. Наряду с поршневыми насосами на ранней стадии развития гидромашин широко использовались различные гидроподъемники: журавли, вороты, нории, ковшовые колеса и др. Все эти гидравлические машины с небольшой подачей могли обеспечивать потребности в воде мелких ремесленных производств.
В XV—XVI вв. на смену ремесленно-цеховой организации производства пришла мануфактура, что привело к расширению масштаба производства и большей его специализации, совершенствованию орудий труда. Требования к насосам и условия их применения становились более разнообразными. Кроме поршневых, стали создавать насрсы вращательного действия для напорной подачи жидкой среды в больших объемах. Рамелли (1530—1590 гг.) в 1588 г. описал четыре разновидности вращательных насосов, очень напоминающих по принципу действия современные роторные объемные насосы (рис. В. 2).
Идея использования центробежного поля для подачи воды возникла у Леонардо да Винчи (XV в.), но не была реализована. Французский инженер Бланкано (1566—1624 гг.) по этому же принципу построил центробежный насос с открытым вращающимся рабочим колесом (рис. В. 3).
Центробежный насос одной из первых наиболее удачных кон-струкций был изобретен в 1689 г. французским физиком Д. Папе-ном (1647—1714 гг.). Насос состоял из двухлопастного рабочего колеса, вращающегося в цилиндрическом корпусе постоянного сечения, и использовался для откачки грунтовых вод. Он обладал рядом существенных недостатков, а главное, был малоэффективным. Вскоре Д. Папен усовершенствовал конструкцию своей машины, применив многолопастное рабочее колесо и спиральную отводящую камеру. В таком виде насос Папена (рис. В. 4) напоминает современный одноступенчатый центробежный насос.
В 1750 г. Л. Эйлер разработал теорию рабочего процесса центробежных машин и в 1754 г. предложил конструкцию центробежного насоса, который не получил практического применения.
В 1832 г. русским инженером А. А. Саблуковым (1783—1857 гг.) был изобретен первый в России центробежный насос, названный им «Водогон» (рис. В. 5). Его четырехлопастное рабочее колесо с радиальными лопатками помещалось в цилиндрический корпус с небольшим радиальным зазором. В качестве аналога при разработке конструкции насоса А. А. Саблуков использовал изобретенную и построенную им в 1832 г. центробежную воздуходувную машину.
В 1846 г. американский инженер Джонсон разработал конструкцию многоступенчатого горизонтального насоса.
Однако все рассмотренные выше насосы, как и конструкции ряда других изобретателей того времени, не получили широкого практического применения. Они оказались малоэффективными ввиду того, что для них не было необходимого по мощности и частоте вращения привода. Использовалась в основном мускульная сила людей и животных. Появление в конце XIX в. паровых турбин, электродвигателей, двигателей внутреннего сгорания способствовало значительным конструктивным изменениям и совершенствованию насосов всех типов.
Усовершенствованные центробежные насосы в России начали делать в 1880 г. на двух заводах в Москве — Бутырском (ныне «Борец») и Софийском («Красный факел»). В 1899 г. инженером В. А. Пушечниковым был разработан весьма прогрессивный насос — многоступенчатый вертикальный центробежный для подъема воды из буровых скважин глубиной до 250 м. Этот насос был построен в Париже на заводе Фарко (в историю развйтия насосо-строения вошел под названием «насос Фарко»), имел подачу 200 м3/ч, коэффициент полезного действия 0,7 и предназначался для водоснабжения Москвы.
Одновременно насосостроение совершенствовалось в развитых капиталистических странах: США, Франции, Германии, Швеции и др.
Значительно позже, чем насосы, начали использовать воздуходувные машины. Их появление относится к средним векам нашей эры, к эпохе мануфактурного производства. Создание первой воздуходувки относят к 1766 г., когда на Барнаульском заводе для привода мехов металлургической печи была применена паровая машина И. И. Ползунова. С 1782 г. в Англии широко использова- f , лись поршневые паровые воздуходувки. Характерной особенностью центробежной воздуходувки А. А. Саблукова (рис. В. 6) являлось двустороннее всасывание воздуха Она с успехом применялась в кожевенном, сахарном производствах и для вентиляции шахт на Алтайских рудниках.
История развития воздуходувных машин непосредственно связана с развитием горнодобывающей и металлургической промышленности.
Разработка теоретических основ расчета, наличие экспериментальной базы в начале XX столетия создали благоприятные условия для быстрого развития насосо- и компрессоростроения.
До 30-х годов текущего столетия широкое распространение в области водоснабжения получили поршневые насосы. Однако они имеют ряд существенных недостатков по сравнению с центробежными и осевыми, которые к настоящему времени постепенно вытеснили поршневые насосы.
Начальные этапы развития теории, гидравлических машин (в частности, насосов) связаны с именем академика Петербургской Академии наук Л. Эйлера — автора теории рабочего процесса центробежного насоса. Эта теория стала основой расчета насосов.
Важнейший период развития теории гидромашин — начало XX столетия, когда известным русским ученым Н. Е. Жуковским была разработана теория подъемной силы крыла, а на ее основе — методы расчета рабочих органов лопастных гидромашин (насосов, воздуходувок, турбин). Большие заслуги в области развития гидромашиностроения принадлежат С. А. Чаплыгину, И. И. Куколевско-му, Г. Ф. Проскуре, И. Н. Вознесенскому, С. С. Рудневу и др.
На современном этапе насосо- и компрессоростроение как в России, так и за рубежом находится на высоком уровне. Промышленностью выпускаются необходимые для народного хозяйства насосы и воздуходувные машины, характеризующиеся высокими экономическими показателями. Эти машины являются основным оборудованием насосных и воздуходувных станций систем водоснабжения и водоотведения.
Социальная политика России направлена на повышение темпов развития народного хозяйства страны на основе ускорения научно-технического прогресса, связанного, в частности, с существенным увеличением потребностей в воде и сжатом воздухе. Чтобы успешно выполнить эти задачи, создаются современные системы водоснабжения и водоотведения, системы бессточного водопользования, в состав которых входят основные энергетические сооружения — насосные и воздуходувные станции.
В соответствии с ГОСТ 17398—72 «Насосы. Термины и определения насосом называется гидравлическая машина для создания потока жидкой среды. Воздуходувки и компрессоры предназначаются для создания потока или сжатия газовой среды. Те и другие являются машинами насосного типа и имеют сходные конструкции. Эти машины играют решающую роль в механизации и автоматизации трудоемких процессов во всех отраслях производства.
Гидравлические машины различаются рядом признаков. Во ВНИИгидромаше разработана классификация насосов, принципиальная схема которой приведена на рис. В. 7.
Работу любого насоса принято характеризовать техническими параметрами, к числу которых относятся: подача, напор, мощность, коэффициент полезного действия (КПД) и высота всасывания (см. 1.7).
Подача насоса (Q) — объем (масса) жидкой среды, подаваемой насосом в единицу времени. В зависимости от условий работы насос может характеризоваться различным количеством жидкой среды в единицу времени.
Напором (Н) называется приращение удельной энергии потока жидкой среды (отнесенное к единице веса) при прохождении ее через рабочие органы насоса. Различают напор манометрический, который определяют по показаниям приборов у всасывающего и напорного патрубков, и напор требуемый, подсчитанный по схеме насосной установки. Рассмотрим схему насосной установки, перекачивающей воду из нижнего в верхний резервуар (рис. В. 8).
Найдем значение напора, рассматривая правые части уравнений (левые рассмотрены при определении манометрического напора) :
Формула (В. 1) представляет собой выражение манометрического напора насоса, определяемого по показаниям приборов (манометров) и разности скоростных напоров на выходе и входе.
Из уравнения Бернулли для сечений О—О и I—I (приняв за плоскость сравнения нижний уровень):
Так как
откуда
У современных насосов сравнительно высокие значения КПД.
Таким образом, в общем случае напор насоса расходуется на преодоление противодавления в напорном резервуаре, на подъем на геометрическую высоту жидкой среды и преодоление сопротивления трубопроводов.
При открытых системах, когда резервуары сообщаются с атмосферным давлением, рк=ро=ра и
Если правую и левую части выражения (В. 1) умножить на pg, получим зависимость, определяющую давление насоса (Па):
Удельная работа насоса (L) — работа, подводимая к насосу для перемещения единицы массы жидкой среды.
Полезная работа насоса (B) — величина, определяемая зависимостью
где р — давление насоса, определяемое по формуле (В. 2), Па; И— напор насоса, определяемый по формуле (В. 1), м.
Мощность насоса (N) — мощность, потребляемая насосом для создания определенных Q и Н:
Полезная мощность насоса (No) — мощность, сообщаемая на-сбсом перекачиваемой жидкой среде.
Коэффициент полезного действия насоса (]) — отношение полезной мощности к мощности насоса:
КПД учитывает снижение мощности насоса вследствие потерь:
