Краткий исторический курс развития гидравлических машин

Введение.

Предметом настоящего курса являются гидравлические машины (насосы, вентиляторы, компрессоры), т.е.устройства (нагнетатели), применяемые для перемещения жидкостей и газов.

Устройства для перемещения воды и воздуха были известны задолго до нашей эры. В глубокой древности для подачи воды использовались колеса с черпаками, для подачи воздуха и для поддержания огня – мехи. Древние греки применяли теплый воздух для проветривания помещений, использовали ветер для провеивания зерновых злаков с целью очистки их от легких примесей, а воздуховные устройства в виде опахал – для проветривания помещений. Эти простейшие устройства приводились в движение мускульной силой человека или животного.

Насосы примитивных конструкций применялись еще во времена Аристотеля (IV в. До н.э.). Водоподъемные машины, приводимые в действие силой людей и животных, использовались в Египте за несколько тысячелетий до н.э. Из сочинений итальянского зодчего Витрувия следует, что поршневые насосы поршневые насосы применялись в Римской империи еще в царствование цезаря Августа (I в. До н.э.). Насосы с бесконечной цепью действовали в Каире для подъема воды с глубины 91,5 м в V-VIв.в. до н.э. В Александрии в V-VI вв. до н.э. был построен поршневой пожарный насос, отлитый из бронзы.

Примерно в 1805 г. Ньюкомен (Англия) создал поршневой насос для подъема воды в руднике, применив для привода его паровой цилиндр с конденсацией пара, использующий для создания необходимой силы на штоке атмосферное давление.

В 1840-1850г.г. американец Вортингтон предложил конструкцию парового насоса, в котором поршни насоса и парового двигателя располагались на общем штоке; движением поршней управляла специальная парораспределительная система.

Широкое использование насосов в России началось с горнорудной промышленности. В XVIII в. горный мастер К.Д.Фролов построил на Змеиногорском руднике Алтая несколько установок с поршневыми насосами для водоотлива из шахт и промывания россыпей. Привод насосов осуществлялся от водяных колес мельничного типа.

К.Д.Фролов был выдающимся изобретателем. Он дал оригинальные образцы конструкций насосов и гидродвигателей, широко применявшихся им и его учениками в горной промышленности Алтая и Урала.

Со второй половины XIX в. Началось развитие центробежных насосов. Установить достоверно изобретателя центробежного насоса невозможно. Известны рисунки Леонардо да Винчи, относящиеся к XV., в которых великий ученый разъяснял возможность использования центробежной силы воды, вращающейся в криволинейном канале, для подачи ее на некоторую высоту. Возможно, что центробежный насос был изобретен итальянцем Жорданом, выполнившим в конце XVII в. Рисунок такого насоса. В начале XVIII в. Французский физик Папен изготовил центробежный насос примитивной конструкции.

Первой примененной в практике машиной для подачи жидкости действием центробежной силы был насос Ледемура (Франция, 1732 г.).В этой конструкции вода, находящаяся в наклонной трубе, вращающейся вокруг вертикальной оси, перемещалась с нижнего уровня на верхний действием центробежной силы самой уводы. Таким образом, достигалась подача воды на некоторую высоту.

Классическая схема и конструкция одноколесного центробежного насоса, применяющегося в различных модификациях, была осуществлена Андревсом (США) в 1818г. и существенно улучшена им в 1846г. Исследования Андревса привели к созданию многоступенчатого центробежного насоса, однако весьма несовершенной конструкции, запатентованной в 1851 г.

Знаменитый ученый Рейнольдс (Англия), исследуя конструкцию многоступенчатого насоса, ввел в нее прямой и обратный направляющие лопаточные аппараты и в 1875 г. запатентовал насос, в общих чертах аналогичный современным многоступенчатым насосам.

Широкое распространение центробежных насосов стало возможным только на основе применения электрической энергии и, в частности, при использовании электродвигателя трехфазного переменного тока, разработанного инженером В.О.Доливо-Добровольским (Россия, 1888-1889г.г.). К этому времени относится изобретение русским инженером В.А.Пушечниковым специального малогабаритного насоса для подъема подземных вод с больших глубин.

Изобретение поршневого воздушного насоса, прототипа современных компрессоров с одной ступенью сжатия, связано с именем физика Герике (Германия), 1640г.). Совершенствованию компрессоров в XVIII-XIX вв. способствовало развитие горнорудной промышленности и металлургии. Во второй половине XVIII в. В Англии Вилькинсон запатентован двухцилиндровый поршневой компрессор и в то же время Уатт изготовил воздуходувную машину с паровым приводом.

Компрессоры со ступенями сжатия, но без промежуточных охладителей появились во Франции в 30-х годах прошлого столетия. Многоступенчатый компрессор с межступенными охладителями был предложен в 1849г. Ратеном (Германия).

Производство центробежных компрессоров было начато фирмами Рато (Франция) и Парсон (Англия) в начале XX в.

В Росси в 1832г. инженер А.А.Саблуков предложил конструкцию центробежного вентилятора для проветривания шахт и заводских помещений и указал простой способ его расчета.

Широкому распространению центробежных машин в промышленности сопутствовало и развитие их теории. Основное уравнение центробежного насоса непосредственно следует из теоретической работы акад.Л.Эйлера, члена Российской академии наук, «Более полная теория машин, приводимых в действие силою воды», опубликованной им во второй половине XVIII в.

Теоретические работы О.Рейнольдса (Англия), Л.Прандтля (Германия) и выдающиеся научные труды Н.Е.Жуковского (Россия), относящиеся к концу XIX и началу XX вв., привели к созданию современной научной основы насосостроения. Особое значение имели работы Н.Е.Жуковского «Видоизменение метода Кирхгофа» и «Теория воздушных винтов». В первой их них дано теоретическое обоснование метода расчета подъемной силы крыла, распространяемого ныне на лопасти насосов, вентиляторов и компрессоров. Вторая работа содержит теорию и метод расчета пропеллеров. Эта работа легла в основу теории осевых вентиляторов, разработанной учениками Н.Е.Жуковского – К.А.Ушаковым, В.П.Ветчинкиным и др. Значение научной и организационной деятельности Н.Е.Жуковского очень велико. Им были определены и разработаны важнейшие направления развития современной гидроаэромеханики.

Исключительно большое значение для развития рассматриваемой области машиностроения имела деятельность Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ), организованного Н.Е.Жуковским в 1918г. В этом институте в течение многих лет проводились исследования воздушных и гидравлических машин.

В настоящее время научно-исследовательская работа по насосам, вентиляторам и компрессорам ведется многими организациями, такими как ВНИИгидромаш, ВНИИхиммаш, ЦАГИ им.Н.Е.Жуковского, ВНИИАЭН, ВНИИкомпрессормаш.

Большие работы ведутся на специальных кафедрах вузов – Ленинградского и Харьковского политехнических, МВТУ им.Н.Э.Баумана, Сумского филиала ХПИ и др.

Пользуются широкой известностью исследования и конструкторские разработки в области насосо - и компрессоростроения, выполненные на специальных кафедрах и в лабораториях политехнических институтов на континентах Европы, Америки и Японии. Среди деятелей этой области техники, известных своими фундаментальными исследованиями, могут быть названы: И.И.Куколевский, Г.Ф.Проскура, А.А.Ломакин, С.С.Руднев (насосостроение), В.И.Поляковский, М.И.Невельсон, К.А.Ушаков (вентиляторостроение), В.Ф.Рис, М.Н.Френкель, К.П.Селезнев (компрессоростроение).

Из зарубежных ученых следует отметить О.Рейнольдса (Англия), проф.А.Стодола (Чехословакия), Л.Прандтля, А.И.Степанова (США).

Развитию теории насосо- и компрессоростроения и практическому применению ее в Европе и на континенте Америки в высокой степени способствовали классические труды К.Пфлейдерера «Лопаточные машины для жидкостей и газов», А.А.Ломакина «Центробежные и пропеллерные насосы», А.И.Степанова «Центробежные и осевые насосы» и «Центробежные и осевые компрессоры, воздуходувки и вентиляторы», опубликованные в основном в первой половине текущего столетия.

Из печатных изданий последнего времени особый интерес представляет труд инженера-консультанта американской корпорации «Вортингтон» Карасика и инженера Картера «Центробежные насосы», переведенный на несколько языков.

Количество насосов, компрессоров и вентиляторов различного назначения, выпускаемых промышленностью технически развитых стран, исчисляется миллионами штук в год; электрическая энергия, используемая для привода их, составляет существенную часть в энергетическом балансе стран. Поэтому теоретические и экспериментальные исследования, направленные на усовершенствование рабочих процессов и повышение КПД машин этого вида, имеют очень большое значение.

Для современной промышленности характерно соединение заводов в крупные специализированные комплексы – производственные объединения. В составе таких объединений, располагающих мощной финансовой базой, возможна организация специальных конструкторских бюро, крупномасштабных испытательных стендов, исследовательских лабораторий для разработки важнейших проблем отрасли. Это относится непосредственно и к области насосного и компрессорного машиностроения.

В нашей стране действуют крупнейшие производственные объединения: «Невский завод», «Ленинградский металлический завод», сумские «Насосэнергомаш» и Тяжелого компрессоростроения, «Южгидромаш», «Уралгидромаш» и др., выпускающие насосы и компрессоры для промышленности.

Крупнейшим объединением США является «Вортингтон» - старейшая насосостроительная фирма мира, имеющая филиалы в 14 странах мира, выпускающая около 300 типов насосов различных назначений и размеров. Насосы в США изготовляют и многие другие фирмы; наиболее значительные из них, выпускающие насосы для энергетики, «Пасифик Пампс» и «Ингерссол Рэнд».

В Федеративной Республике Германии действуют известные фирмы «КСБ», «Рютчи Пумпэн» и др., выпускающие насосы высокого класса,в основном на экспорт.

Особо должны быть отмечены фирмы «Зульцер» (Швейцария) и «Рато» (Франция), выпускающие различные насосы и компрессоры, в совершенстве конструкций которых отражается многолетний опыт фирм (более 100 лет).

В станах СЭВ известны комбинаты «Сигма» и «Шкода» (ЧССР) и «Пумпен унд Фердихтер» (ГДР).

В настоящее время работы по дальнейшему усовершенствованию конструкции гидравлических машин идут по дальнейшему усовершенствованию их конструкций, повышение КПД, уменьшение габаритов, увеличения надежности и бесшумности в работе, глубины регулирования с применением автоматики. Немаловажное значение имеет снижение себестоимости гидравлических машин.