Введение
Первые сведения, имеющиеся об искусственных сооружениях для добывания воды, относятся к третьему тысячелетию до нашей эры. В этих сооружениях использовались простейшие механизмы для транспортирования воды: вороты, водоподъемные колеса, черпаковые машины.
Изобретение насоса относится к глубокой древности. Первый насос для тушения пожаров, который изобрел древнегреческий механик Ктесибий, был описан в I веке до н.э. древнегреческим ученым Героном из Александрии в сочинении «Pneumatica «, а затем М. Витрувием в труде «De Architectura «.
Простейшие деревянные насосы с проходным поршнем для подъема воды из колодцев, вероятно, применялись еще раньше. Известно, что в Египте с конца I века до н.э. использовали Архимедов винт для полива земель, для подачи воды на возвышенности с высотой до 4 м и для осушения низменных местностей.
В Новгороде (12 век) для подъема воды использовали поршневые насосы, выполненные из дерева.
В летописи Пскова отмечено, что в 1519 году был построен водопровод с подъемом воды на холм Кремля.
В 1631 году в Московском Кремле был построен водопровод, который подавал воду при помощи «водовзводной машины» в водонапорную башню.
До начала 18 века поршневые насосы по сравнению с водоподъемными машинами использовались редко. В дальнейшем в связи с ростом потребности в воде и необходимостью увеличения высоты ее подъема, особенно после появления паровой машины, насосы постепенно стали вытеснять водоподъемные машины. Требования к насосам и условия их применения становились все более разнообразными, поэтому наряду с поршневыми насосами стали создавать вращательные насосы и различные устройства для напорной подачи жидкостей.
Таким образом, исторически наметились три направления дальнейшего развития насосов: создание и совершенствование поршневых насосов, вращательных насосов и гидравлических устройств без движущихся рабочих органов.
Подъем в развитии поршневых насосов наблюдался в конце 18 века, когда для их изготовления стали применять металл и использовать привод от паровой машины. С середины 19 века начали широко внедряться в производство паровые прямодействующие поршневые насосы. К этому периоду относится создание крыльчатых насосов, прообразом которых является поршневой насос с кольцевым цилиндром, описанный французским инженером А. Рамелли в 1588 году в работе «Le diverse et articiose machine «.
Развитие теории поршневых насосов тесно связано с работами таких ученых и инженеров, как К. Бах, Г. Берг, А. П. Герман, В. Г. Шухов, П. К. Худяков, И. И. Куколевский, А. А. Бурдаков и др.
Достижения в области поршневых насосов были широко использованы также при создании поршневых компрессоров, гидравлических прессов и других устройств. Но сами поршневые насосы, начиная с 20? 30-х годов 20 века, стали заметно вытесняться во многих отраслях деятельности центробежными, роторными и другими видами насосов.
Другой путь развития насосов начался с изобретения так называемых «вращающихся насосов», имевших один ротор, которые первоначально также были описаны французским инженером А.Рамелли. Насос с эксцентрическим ротором является прототипом современных шиберных насосов.
В 1624 году И. Лейрехон в книге «La recreation mathematiqae «описал двухроторный коловратный насос, который можно рассматривать как прообраз современных зубчатых насосов.
В дальнейшем появились и другие разновидности роторных насосов, представителем которых является, например, лабиринтный насос, созданный уже в 50-е годы 20 века.
Первый вихревой насос, названный центробежным самовсасывающим, был предложен в 1920 году в Германии инженером С.Хиншем.
В дальнейшем разрабатывались другие разновидности насосов такого типа.
Идея использования центробежной силы для подачи жидкостей возникла в 15 веке еще у Леонардо да Винчи и, по-видимому, независимо от него была реализована в начале 17 века французским инженером Бланкано, построившим простейший центробежный насос для подачи воды, рабочим органом которого служило открытое вращающееся колесо.
Один из первых центробежных насосов со спиральным корпусом и четырехлопастным рабочим колесом был предложен французским ученым Д. Папеном, который усовершенствовал конструкцию ранее известной воздуходувки «Hessians «.
В конце 19 века, когда появились быстроходные тепловые, а затем электрические двигатели, центробежные насосы получили более широкое применение.
В 1835 году русский инженер А. А. Саблуков на основе созданного им ранее вентилятора построил одноступенчатый центробежный; в 1846 году американский инженер Джонсон предложил многоступенчатый горизонтальный насос; в 1851 году аналогичный насос был создан в Великобритании по патенту Гуинна.
В 1898 году русский инженер В. А. Пушечников разработал первый вертикальный многоступенчатый скважинный насос с трансмиссионным валом для буровых скважин глубиной до 250 м. Этот насос, построенный в Париже на заводе Фарко, предназначался для водоснабжения Москвы и имел подачу 200 м 3 /ч и КПД до 70%.
В России первые центробежные насосы начали изготавливать в 1880 году на заводе Г. Листа в Москве.
Развитие осевых насосов основывалось на опыте аналогичных им гидротурбин. Проектирование и исследование осевых насосов (пропеллерных и поворотно-лопастных) относится к концу 19 — началу 20 века.
В СССР эти насосы разрабатывались начиная с 1932 года на заводе «Борец» (под руководством М.Г.Кочнева), во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидромашиностроения (С.С.Руднев и другие), в Харьковском институте «Промэнергетика» (Г.Ф.Проскура и другие), а с 1934 года на опытной установке в г. Дмитрове (под руководством И.Н.Вознесенского).
Большую роль в создании теории и совершенствовании конструкции центробежных и осевых насосов сыграли труды Л. Эйлера, О. Рейнольдса, Н. Е. Жуковского, С. А. Чаплыгина, К. Пфейдерера, И. И. Куколевского, В. С. Квятковского, А. А. Ломакина, И. Г. Есьмана, Н. М. Щапова, Н. Н. Вознесенского, Т. М. Батша и других ученых.
Третье направление развития устройств для напорной подачи жидкостей объединяет несколько путей создания и совершенствования насосов-аппаратов, т. е. гидравлических устройств для напорной подачи жидкости без движущихся рабочих органов.
Прототипы вытеснителей, согласно свидетельству Герона, изготовлялись уже в Древней Греции (устройства для вытеснения из сосуда воды подогретым воздухом или водяным паром).
Первым вытеснителем производственного назначения была предложенная в 1698 году английским инженером Т. Севери паровая водоотливная установка. Это устройство можно считать прототипом изобретенного в Германии в 1871 году Халлем пульсометра (устройства, в котором жидкость вытесняется из камеры при помощи пара), имевшего 2 камеры и действовавшего автоматически.
Идея использования сжатого воздуха для подачи воды высказывалась еще в 1707 году Папеном и другими инженерами, но практически была применена значительно позже (в 20 веке) — в монжусе (разновидность вытеснителя, имеющая также название насос Монтежю) и в двухкамерном водоприемнике вытеснения для водяных скважин (конструкция инженера В.П.Савотина).
Подача воды под действием давления продуктов сгорания жидкого топлива была осуществлена в Великобритании в 1911 году Н. Л. Гемфри.
Принципиально иной способ подачи воды или нефти из скважин с помощью сжатого воздуха или других газов был применен в газлифтах (нагнетательных эрлифтах или воздушных водоподъемниках), которые были предложены в середине 19 века, а позднее нашли и практическое применение (с 1897 года на нефтепромыслах в Баку, а с 1901 года в США).
С изобретением Монгольфье в 1796 году автоматически действующего гидравлического тарана наметился еще один путь развития устройств для напорной подачи жидкости, принцип действия которых был основан на использовании для подачи воды периодически создаваемых гидравлических ударов.
В дальнейшем были предложены различные конструкции гидравлических таранов. В СССР нашли распространение установки инженера Д. И. Трембовельского (1927 год) и другие.
Одной из разновидностей насосов-аппаратов явился водоструйный насос, который как лабораторный прибор был предложен английским ученым Д. Томпсоном в 1852 году и служил для отсасывания воды и воздуха.
Первый промышленный образец струйного аппарата применил инженер Нагель в 1866 году в Германии для удаления воды из шахт.
Позднее созданы различные струйные насосы в виде водо-водяных эжекторов, паро-водяных инжекторов и многие другие.
Основы теории струйных насосов были заложены в работах Г. Цейнера и У. Ранкина во второй половине 19 века и получили существенное развитие в 30-х годах 20 века благодаря исследованиям американских инженеров О’Брайена и Гослина и советских специалистов Л. Д. Бермана, К. К. Баулина, А. Н. Лопекина, Е. Я. Соколова, Н. М. Зингера и других.
Позднее был предложен гидропневматический водоподъемник для скважин (В.П.Сироткин и Я.С.Суреньянц), в конструкции которого объединены струйный насос и эрлифт.
Одним из направлений развития насосов-аппаратов является создание магнитогидродинамических насосов. Первые такие насосы на постоянном токе были предложены Голденом (1907 г .) и Гартманом (1919 г .). Однако широко их стали применять только в 50? 60-е годы 20 века, главным образом в связи с успехами атомной энергетики.
Таким образом, техника подъема и перемещения вначале только воды, а затем нефти и других жидкостей в каждую эпоху в основном соответствовала уровню развития производительных сил и производственных отношений.
1.Обзор устройств данного класса
Классификация насосов по принципу действия показана на рисунке 1.
Рисунок 1. Классификация насосов по принципу действия.
• Динамический насос — насос, в котором среда перемещается под силовым воздействием на нее в камере, постоянно сообщающейся со входом и выходом насоса.
• Лопастной насос — динамический насос, в котором жидкая среда перемещается путем обтекания лопасти.
• Центробежный насос — лопастной насос, в котором жидкая среда перемещается через рабочее колесо от центра к периферии.
• Осевой насос — лопастной насос, в котором жидкая среда перемещается через рабочее колесо в направлении его оси.
