Насос
Насо́с, устройство (гидромашина, аппарат или прибор) для повышения энергии главным образом жидкости в результате сообщения ей энергии от внешнего источника. Сообщённая энергия обеспечивает подъём жидкости на требуемую высоту или её перемещение на требуемое расстояние, а также выполнение необходимых технологических процессов. В насосе осуществляется обмен энергией между движущимся рабочим органом, получающим энергию извне, и рабочей средой (жидкостью), которой эта энергия передаётся.
Классификация насосов
Наиболее широко используются 2 принципа действия насоса – динамический и объёмный (см. таблицу); реже встречаются насосы, основанные на гравитационном принципе, гидроударные (гидравлические тараны) и магнитогидродинамические. В динамических насосах осуществляется активное силовое взаимодействие рабочего органа с жидкостью. К ним относятся наиболее широко применяющиеся лопастные, а также т. н. насосы трения – вихревые и струйные (эжекторы). Рабочим органом лопастных насосов являются вращающиеся с достаточно большой частотой лопастные рабочие колёса.
Лопастные насосы подразделяются на осевые (рис. 1), диагональные и центробежные (рис. 2) в соответствии с направлением движения жидкости в пределах лопастной решётки рабочего колеса по отношению к направлению оси его вращения.
Принцип работы объёмных насосов (насосы вытеснения) основан на изменении (с помощью движущегося вращательно или возвратно-поступательно рабочего органа) объёма некоторой замкнутой полости, часто с системой впускных и выпускных клапанов, в которую непрерывно или циклически впускается, а затем под давлением выталкивается порция жидкости. По форме движения рабочего органа объёмные насосы подразделяются на возвратно-поступательные и роторные (вращательные).
Простейшими возвратно-поступательными насосами являются плунжерные и поршневые (рис. 3), также широко применяются диафрагменные насосы. К роторным насосам относятся шестерённые (рис. 4), винтовые, шиберные (пластинчатые), поршневые роторные.
Классификация насосов
| По принципу действия | По форме движения рабочего органа | По виду рабочего органа | |
|
Объёмные (вытеснения) |
Возвратно-поступательные |
Диафрагменные | |
| Плунжерные | |||
| Пневматические | |||
| Поршневые | |||
| Шланговые | |||
|
Роторные |
Винтовые | ||
| Шестерённые | |||
| Шиберные | |||
|
Гравитационные |
Черпаковые | ||
|
Линейные |
Чёточные | ||
| Эрлифты (газлифты, воздухоподъёмники) | |||
|
Динамические |
трения |
Струйные (эжекторы) | |
| Гидротараны (гидроударные) | |||
|
Вращательные |
Судовые водяные колёса | ||
| Вихревые | |||
|
лопастные |
Центробежные одно- и многоступенчатые | ||
| Диагональные | |||
| Осевые | |||
| Судовые винты | |||
У большинства насосов рабочий орган изготовлен из твёрдого тела (как правило, металла, реже из пластмассы, дерева), однако у некоторых насосов в качестве рабочего органа выступает жидкость (эжекторы) или газ (эрлифты).
Основными технологическими параметрами всех насосов являются расход, или подача, жидкости (объём, перекачиваемый в единицу времени, дм3 /с или м3 /ч) и её напор (м водяного столба или м). Расход жидкости определяет размеры насоса, а напор – его гидравлические и прочностные качества.
Каждому типу насоса соответствуют определённые области подачи и напоров. В силу специфики конструкций лопастных насосов они применяются преимущественно при больших подачах (от 10 дм3 /с) и небольших (до 30 м) и средних (30–100 м) напорах, а объёмные – при малых подачах (до 1 дм3 /с) и средних, больших и очень больших напорах (100 м и более). Для повышения напора, создаваемого центробежными насосами, их делают многоступенчатыми.
Число видов лопастных насосов, выпускаемых промышленностью, очень велико; их принято подразделять на 2 группы: насосы общего применения и специальные насосы предназначены для перекачки чистой воды (допускается небольшое содержание примесей, но не агрессивных; температура воды не выше 70–100 °С); бывают консольные, двустороннего входа, вертикальные осевые, диагональные и многоступенчатые. Специальные насосы различаются по роду перекачиваемой жидкости, по способу установки и по параметрам. Для перекачки жидкостей, содержащих большое количество абразивных частиц (гидросмеси с твёрдыми вкраплениями: грунт, песок, зола, шлак, измельчённая руда), применяются грунтовые насосы (для лёгкого и тяжёлого режима работы); для перекачки фекальных и других загрязнённых жидкостей – фекальные насосы; для перекачки химически активных жидкостей – кислотные насосы и др. К специальным относятся и насосы, предназначенные для откачки воды из скважин и шахт, – скважинные и погружные. К специальным можно также отнести насосы, параметры которых выходят за пределы, характерные для насосов общего применения: насосы крупных ирригационных установок, гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС) или циркуляционных систем крупных тепловых электростанций (ТЭС). Питательные насосы для подачи воды в паровые котлы должны развивать очень высокий напор – до 2000–3500 м и работать на воде с температурой до 160 °С и выше. Конденсатные насосы для откачки конденсата должны работать в условиях глубокого вакуума с температурой воды до 120 °C.
Иногда насосами называют устройства не только для нагнетания жидкостей, но и для создания вакуума и отсасывания воздуха и технических газов (см. Вакуумный насос).
Насосы являются одними из самых распространённых машин, применяемых сегодня человеком. Вместе с компрессорами и вентиляторами насосы (точнее, их приводы – электродвигатели) потребляют около 20 % всей производимой мировой электроэнергии. Развитие промышленности, энергетики, транспорта, коммунального и сельского хозяйства требует создания новых конструктивных типов насосов, расширения диапазона их рабочих параметров, увеличения их единичных мощностей. В энергетике применяются уникальные герметичные насосы с подачей 500 м3 /ч и напором 250 м. Для блоков ТЭС мощностью до 800 МВт создан весь комплекс насосного оборудования; разработаны питательные насосы для блока ТЭС 1200 МВт, с мощностью привода 25 МВт. Для транспорта нефти по трубопроводам созданы наосы с единичной подачей 24 000 м3 /ч, с приводом мощностью 20 МВт. Для сельскохозяйственного водоснабжения и оросительных систем применяются уникальные лопастные насосы с рабочими колёсами диаметром до 3 м. Для ГАЭС созданы насос-турбины мощностью до 250 МВт на напоры до 1400 м. В технологических процессах химической и пищевой промышленности находят широкое применение насосы оригинальной конструкции из неметаллических материалов и насосы со специальными покрытиями поверхностей проточной части.
Историческая справка
Первые насосы, изобретённые человеком, были гравитационными (водоподъёмными), они не создавали в жидкости дополнительного давления и не перемещали её по напорным трубам, а поднимали с помощью водяного колеса (нории) в отдельных прикреплённых к колесу ёмкостях из водоисточника на высокие отметки, откуда через системы безнапорных лотков и каналов вода подавалась на поля для полива. Водоподъёмные колёса вращались мускульной силой человека и домашних животных. На такой системе водоподъёма основывалось практически всё зерновое хозяйство Древнего Египта за 2–3 тыс. лет до н. э. Позднее появилось изобретённое Архимедом водоподъёмное устройство в виде наклонного шнека (Архимедов винт), ещё позднее, в Средней Азии и в Европе, – чёточные водоподъёмники (захват жидкости осуществляется движущейся по трубе цепью с закреплёнными на ней т. н. чётками – кожаными дисками и др.) и многие другие подобные устройства. Прототипы гидравлических машин, имеющих в качестве рабочего органа жидкость или газ, в том числе вытеснителей, согласно свидетельству Герона, изготовлялись уже в Древней Греции (устройства для вытеснения из сосуда воды подогретым воздухом или водяным паром). Впервые поршневой насос для тушения пожара изобрёл древнегреческий механик Ктесибий в 1 в. до н. э. Простейшие деревянные насосы с проходным поршнем для подъёма воды из колодцев, вероятно, применялись ещё раньше. До начала 18 в. поршневые насосы по сравнению с водоподъёмными устройствами использовались редко. Водоподъёмные машины постепенно стали вытесняться насосами. Наряду с поршневыми насосами стали создавать лопастные вращательные насосы. Идея использования центробежной силы для подачи жидкостей возникла в 15 в. у Леонардо да Винчи и была реализована во Франции вначале 17 в. Ж. Бланкано. Один из первых центробежных насосов со спиральным корпусом и 4-лопастным рабочим колесом был предложен Д. Папеном. В 1838 г. российский инженер А. А. Саблуков построил центробежный насос и работал над его применением при создании судового двигателя. В 1846 г. американский инженер У. Г. Джонсон предложил многоступенчатый горизонтальный насос, в 1851 г. аналогичный насос создан в Великобритании по патенту Дж. С. Гуинна, в 1899 г. В. А. Пушечников разработал вертикальный многоступенчатый насос для буровых скважин глубиной до 250 м. Проектирование и исследование осевых (пропеллерных и поворотно-лопастных) насосов относится к концу 19 – началу 20 вв. Большую роль в создании теории и совершенствовании конструкций центробежных и осевых насосов сыграли труды Л. Эйлера, О. Рейнольдса, Н. Е. Жуковского, С. А. Чаплыгина, К. Пфлейдерера и других учёных.
Идея использования сжатого воздуха для подачи воды предложена в 1707 г. Д. Папеном и другими, но практически была применена только в конце 19 в. С изобретением братьями Монгольфье в 1796 г. автоматически действующего гидравлического тарана наметился ещё один путь развития насосов – основанных на использовании периодически создаваемых гидравлических ударов. Водоструйный насос (эжектор) как лабораторный прибор для отсасывания воды и воздуха был предложен английским инженером Д. Томпсоном в 1852 г. Первый промышленный образец струйного насоса применил инженер А. Б. Нагель в 1866 г., предположительно для удаления воды из шахт. Позднее были созданы струйные насосы в виде водо-водяных эжекторов, пароводяных инжекторов и др. Первый вихревой насос, названный центробежным самовсасывающим, предложен в 1920 г. немецким инженером С. Хиншем.