ГОУВПО «Воронежский государственный

технический университет»

И.Ю. Кирпичев

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2008

УДК 532(075.8) + 621.221-82(075.8)

Кирпичев И.Ю. Гидравлические машины: учеб. пособие / И.Ю. Кирпичев. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2008. 191 с.

В учебном пособии рассматриваются вопросы о зарождении и развитии насосостроения от глубокой древности до наших дней. Значительная часть материала посвящена центробежным насосам, рассмотрены их технические показатели, совместная работа на сеть, а также влияние формы лопаток рабочего колеса на напор насоса.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 150200 «Машины и технология обработки металлов давлением», специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства», дисциплине «Гидравлика».

Пособие предназначено для студентов всех форм обучения.

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD и содержится в файле “Гидромашины-2008”.

Табл. 4. Ил. 54. Библиогр.: 7 назв.

Научный редактор канд. техн. наук, доц. Ю.Б. Рукин

кафедра “Гидравлика, водоснабжение и водоотведение” Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (зав. кафедрой д-р техн. наук,

проф. В.Ф. Бабкин);

канд. техн. наук, доц. И.А. Фролов

Рецензенты:

© Кирпичев И.Ю., 2008

© Оформление. ГОУВПО «Воронежский

государственный технический университет», 2008

Введение

Насосами называются гидравлические машины, предназначенные для перемещения жидкостей и сообщения им механической энергии.

Насосы являются одной из самых распространенных разновидностей гидравлических машин. Они применяются для наружного водоснабжения (в том числе противопожарного) населенных пунктов и предприятий, внутреннего водоснабжения жилых, общественных и производственных зданий, для подачи воды на пожаротушение автонасосами, мотопомпами и для многих других целей.

Весьма наглядной является классификация насосов по принципу действия, вне зависимости от вида перемещаемой жидкости.

Действие объемных насосов основано на изменении потенциальной энергии перемещаемой жидкости, а струйных и лопастных – на изменении кинетической энергии.

Насосы классифицируются не только по принципу действия, но и по конструктивному исполнению, назначению, отраслевому применению, величине подачи и напора и т.д.

Насосы как гидравлические машины длительное вре­мя предназначались исключительно для перекачивания воды. В настоящее время насосы широко применяются во многих областях человеческой деятельности. Извест­ны специальные типы насосов для нефтяной, нефтехи­мической, бумажной, торфяной, металлургической и других отраслей промышленности.

Насосы также находят применение в гидравлических приводах машин, в которых передача механической энер­гии с вала приводного двигателя на рабочий орган маши­ны осуществляется с помощью потока жидкости.

1. Краткий очерк истории развития насосостроения

Насосы относятся к одним из первых средств механизации для обеспечения водой людей и животных.

Первые попытки людей сознательно упорядочить во­доснабжение в цивилизованных поселениях относятся к пятому тысячелетию до н.э.

В древних культурно развитых странах, например, в Египте, Вавилоне и Китае, которые имели большие тер­ритории с резко выраженным сухим климатом, ороше­ние земель, используемых для сельского хозяйства, было первостепенным жизненным вопросом.

Первые большие общины людей в населенных пунктах и городах неизбежно сталкивались с проблемой питьевого водоснабжения и потребностью водоснабжения вообще.

Если в начале проблемы решались с помощью кап-тажных (родниковых) источников водоснабжения и без­напорного подвода воды к потребителям, то затем воз­никли проблемы преодоления разности высот. Начиная с момента пуска первого водоподъемного механизма мож­но говорить о начале эры развития насосов.

Водоподъемное колесо - древнейший известный водо­подъемный механизм. Величина геометрической высоты подъема воды этого устройства составляет 3-4 м с макси­мальной подачей 8-10 м³/ч. А так называемые цепные во­доподъемники (цепи с прикрепленными ковшами) исполь­зовались до 1700 г. до н.э. В это время в Каире уже был колодец глубиной 91,5 м, из которого добывалась питье­вая вода при помощи цепного водоподъемника.

Пожарный насос древнегреческого механика Ктесибия из Александрии, построенный примерно за 200 лет до н.э., можно рассматривать по египетским письменам как первый прототип поршневого насоса, изготовленного из бронзы (рис. 1).

рис. 1. Пожарный поршневой насос Ктесибия

Принципиальная схема устройства поршневого насо­са с ручным приводом Ктесибия изображена на рис. 2.

С развитием горного дела возникла объективная не­обходимость подачи воды из больших глубин на поверх­ность земли. От водоподъемного колеса до первых водя­ных насосов с паровым приводом ощущается сильное влияние горного дела на развитие насосостроения.

Насос англичанина Т. Ньюкомена, разработанный и построенный в 1705 г., является первым представителем поршневых насосов с пароатмосферным приводом (рис. 3).

В насосе Ньюкомена привод поршневого насоса 1 осу­ществляется пароатмосферным двигателем с помощью ко­ромысла (балансира) 10 и опоры 9.

Рабочий ход поршня 4 происходит в результате за­полнения цилиндра 3 паром и последующим за ним впрыском холодной воды из бочка 5 через сопло 6. Воз­никающая конденсация пара резко снижает давление в цилиндре 3. За счет перепада между атмосферным давле­нием и давлением внутри цилиндра происходит рабочий ход поршня 4. Поэтому в пароатмосферных приводах не­обходимо было предусматривать цилиндры больших диа­метров для увеличения мощности насоса.

рис. 2. Принципиальная схема устройства

поршневого насоса Ктесибия:

1 - вса­сывающий трубопровод;

2 - нагнетательный трубопровод;

3 - всасывающий кла­пан;

4 - нагнетательный клапан;

5 - корпус;

6 - поршень (плунжер);

7 - цилиндр;

8 - коромысло (балансир);

F - сила;

Р₀ - давление на поверхность воды.

Вскоре появились поршневые насосы, в которых пе­ремещение поршня 4 осуществлялось не за счет атмос­ферного давления, а за счет расширения или давления пара (паровые машины).

Самый большой поршневой насос типа Ньюкомена был установлен в 1860 г. на одной насосной станции Лондона с подачей воды 1365 м³/ч и напором около 52 м.

рис. 3. Первый поршневой насос Т. Ньюкомена

с пароатмосферным приводом:

1 - привод поршневого насоса;

2 - паровой котел;

3 - цилиндр;

4 - поршень;

5 - бачок холодной воды;

6 - сопло для впрыска холодной воды в цилиндр;

7 - топка;

8 - кран;

9 - опора;

10 - коромысло (балансир);

11- груз уравнове­шивающий.

Изобретение американцем Вортингтоном (в период 1840-1850 гг.) одноцилиндровых и двухцилиндровых па­ровых насосов дало возможность отказаться от балансирного (коромыслового) привода для поршневых насосов.

Для этих насосов характерно, как известно, проти­воположное расположение насосных и паровых цилинд­ров, поршни которых установлены на общем штоке.

Чтобы получить непрерывный поток воды на подъем, стали применять Архимедовы винты (около 1000 лет до н.э.). Наклонно расположенный вал с винтовой нарезкой вращается в полуоткрытом лотке и обеспечивает геомет­рическую высоту подъема воды от 2 до 5 м (рис. 4).

Происхождение лопастного (центробежного) насоса трудно определить. Существуют эскизы, выполненные Ле­онардом да Винчи (1452-1490 гг.), по которым можно предположить использование центробежной силы во вра­щающемся канале для перекачки воды. Французский фи­зик Денис Папин (1647-1710 гг.) тоже высказал идею ис­пользования центробежного эффекта для перекачивания жидкостей.

рис. 4. Полуоткрытый винтовой насос:

1 - открытый лоток;

2 - вал;

3 - винт Архимеда;

4 - привод;

НУВ - нижний уровень воды расходного резервуара;

ВУВ - верхний уровень воды напорного резервуара;

Н_г - геометрическая высота подъема воды.

Первым центробежным насосом с ручным приводом мож­но считать устройство, разработанное и опробованное на прак­тике ле Демуром в 1732 г. (рис. 5). Однако по другим источникам, это устройство называют "колесом Бланкано" в честь французского инженера Бланкано, как предполага­ют, построившего это устройство в начале XVII века.

рис. 5. Первый центробежный насос

с ручным приводом:

1 - винт;

2 - рукоятка;

3 - напорная труба;

4 - соединительный стержень;

5 - расходный резервуар;

6 - напорный резервуар (кольцевой канал);

Н_г - геометрическая высота подъема воды.

В первом центробежном насосе под углом к вертикаль­ному винту 1 прикреплена прямая напорная труба 3, кото­рая нижним концом погружена в расходный резервуар 5.

При вращении винта ручкой 2 эта труба, жестко связан­ная с винтом стержнем 4, приводится во вращение. Цен­тробежные силы вызывают перемещение воды по вра­щающейся трубе из расходного резервуара 5 в напорный кольцевой лоток 6, обеспечивая геометрическую высоту подъема Н_г.

рис. 6. Первый центробежный насос

"Массачусетс-насос":

1 - рабочее колесо;

2 - вал;

3 - корпус;

4 - всасывающий патрубок;

5 - нагнетательный патрубок.

Классическая форма рабочего колеса радиального типа, присущая современным центробежным насосам, была ис­пользована Андреасом в 1818 г. в Бостоне в так называе­мом "Массачусетс-насосе". В то время речь шла о двухпоточном спиральном насосе с полуоткрытым рабочим колесом и радиальными прямыми лопатками (рис. 6).

В 1846 г. Андреас доказал, что криволинейные ло­патки рабочего колеса обеспечивают лучший эффект на­гнетания, чем прямые.

Конечным результатом исследований было создание первого многоступенчатого центробежного насоса, который был запатентован в 1851 г. Этот насос без направляющих обратных подводящих лопаток был значительно улучшен Осборном Рейнольдсом, которому был выдан патент на многоступенчатый центробежный насос с направляющим аппаратом и обратными подводящими каналами.

В России использование первого глубинного верти­кального многоступенчатого центробежного насоса свя­зано с именем инж. В. А. Пушечникова, установившего его в 1889 г. в системе московского водопровода.

Русским проф. Н. Е. Жуковским была разработана теория и дан расчет гребного и воздушного винтов, ко­торые легли в основу расчета осевых (пропеллерных) насосов и вентиляторов. Созданные проф. Н. Е. Жуков­ским теория о подъемной силе крыла и теория гребного винта нашли свое приложение и развитие в трудах проф. И. И. Куколевского, акад. Г. Ф. Проскуры и др., по­священных вопросам расчета и конструирования но­вых типов насосов.

Проф. И. И. Куколевский применил законы подобия к проектированию центробежных насосов, использовав резуль­таты лабораторного экспериментирования. Акад. Г. Ф. Про-скура, проф. И. И. Куколевский, проф. И. Н. Вознесенский создали крупнейшие осевые насосы для канала им. Москвы.

Большие заслуги в развитии отечественного гидро­машиностроения пренадлежат профессорам И. Г. Есьману, Н. М. Щапову, С. С. Рудневу, В. С. Квятковскому, Т. М. Башта, Б. Б. Некрасову, Р. И. Щищенко и др.

Насосы как гидравлические машины длительное вре­мя предназначались исключительно для перекачивания воды. В настоящее время насосы широко применяются во многих областях человеческой деятельности. Извест­ны специальные типы насосов для нефтяной, нефтехи­мической, бумажной, торфяной, металлургической и других отраслей промышленности.

Насосы также находят применение в гидравлических приводах машин, в которых передача механической энер­гии с вала приводного двигателя на рабочий орган маши­ны осуществляется с помощью потока жидкости.