Поляков - Насосы и вентиляторы (1990)

ПРЕДИСЛОВИЕ

Курс на ускорение социально-экономического развития страны предусматривает повышение эффективности капитальных вложении в строительство, обеспечение своевременного ввода в действие основных фондов и производственных мощностей, техническое  перевооружение и реконструкцию действующих предприятий, создание и  внедрение прогрессивных технологий, а также планомерное проведение во всех отраслях и сферах народного хозяйства целенаправленной энергосберегающей политики. Известно, что для снабжения теплом народного хозяйства и населения затрачивается примерно треть всех используемых в стране топливно-энергетических ресурсов  Поэтому обеспечение рационального теплового режима здании, оптимального использования теплоты в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха имеет первостепенное значение.

Неотъемлемой частью инженерного оборудования различных зданий, систем и сооружений являются гидравлические машины, к которым относятся насосы и вентиляторы. Без них невозможна работа систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и аспирации, водоснабжения и водоотведения, т. е. всех тех систем, которые связаны с жизнью и деятельностью человека.

Учитывая отсутствие учебника но этому курсу, авторы ставили своей задачей рассмотрение теоретических основ работы  нагнетателей, описание принципа их действия и современных конструкций, а также определение методов их рационального выбора при  проектировании и реконструкции объектов. В этой связи хочется  отметить, что название курса «Насосы и вентиляторы» недостаточно полно отражает объем учебной программы, в соответствии с которой написан этот учебник. Довольно спорным и этом случае является существование разделов, относящихся к работе компрессоров Однако, учитывая то обстоятельство, что ни в каких других дисциплинах, читаемых для специальности 2907,  теоретические основы, устройство и принцип действия компрессоров не  рассматриваются, а работа систем кондиционирования воздуха и холодоснабжения невозможна без их использования, авторы решили сохранить материал, касающийся компрессоров.

Настоящий учебник может быть использован при подготовке специалистов не только по теплогазоснабжению и вентиляции, но и по эксплуатации насосного, компрессорного и вентиляционного оборудования.

Авторы выражают глубокую признательность канд. техн. наук В. Я. Меклеру и д-ру техн. наук В. И. Бодрову за ценные  замечания, сделанные ими при рецензировании рукописи.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие различных отраслей промышленности, расширение объемов строительства, создание благоприятных условий для  высокопроизводительного труда во многом зависят от эффективности работы систем тепло- и холодоснабжения, вентиляции и  кондиционирования воздуха. Общим для этих систем является наличие в них машин, предназначенных для перемещения рабочей среды. В системах общеобменной вентиляции и кондиционирования такой средой является воздух, в системах технологической вентиляции — смесь различных газов, в системах тепло- и водоснабжения — вода.

Название самой машины (насос, вентилятор, воздуходувка, компрессор и др.) определяется как видом перемешаемой среды, так и создаваемым давлением. Эти машины вместе с гидравлическими двигателями и гидропередачами составляют класс гидравлических машин.

История существования гидравлических машин насчитывает  несколько тысячелетий. Первый насос был поршневым, появился, по-видимому, за несколько веков до нашей эры в странах древней культуры. Изобретение этого насоса связано с созданием  водоподъемных устройств. Поршневой насос был хорошо известен в Древней Греции и Риме. Изобретателем двухцилиндрового поршневого пожарного насоса является древнегреческий механик Ктесибий  (около 2-1 вв. до н. э ).

Изобретение центробежного насоса приписывается итальянцу Д. Жордапу, давшему первый рисунок такого насоса. Одной из  первых удачных конструкций центробежного насоса является насос французского физика Д. Папсна, предложенный им в 1689 г., для откачки грунтовых под, представлявший собой  усовершенствованную конструкцию ранее известной воздуходувки «Hessi ans».

В России внедрение насосов в промышленность непосредственно связано с развитием горно-рудного дела. В 18 в. К. Д. Фролов и другие мастера горного дела применяли установки с поршневыми насосами для откачки воды из шахт (диаметр колеса приводной машины составлял 16—19 м). Источником двигательной силы здесь была энергия воды.

В 18 в. был изобретен паровой двигатель. В 1738 г. Д. Бернулли вывел  основополагающее уравнение движения жидкости, которое носит его имя. В 1750 г. Л. Эйлер впервые сделал математический анализ рабочего процесса, происходящего в центробежном насосе и реактивной турбине, и дал основное уравнение рабочего процесса турбомашин. Теоретические положения, касающиеся работы гидромашин и лопастных насосов, разработанные Д. Бернулли и Л. Эйлером, оставались неиспользованными около 150 лет, пока в  качестве приводящего двигателя для насосов не стали применять  электродвигатель и паровую турбину.

Классическая схема одноколесного центробежного насоса,  применяющегося в различных модификациях п поныне, была  предложена Апдревсом (США) в 1818 г. и значительно улучшена им же в 1846 г. Исследования Андревса привели к созданию  многоступенчатого центробежного насоса, запатентованного в 1851 г. Однако его конструкция была весьма несовершенна.

Блестящее развитие теоретических основ механики в 19 в., позволивших ближе подойти к решению практических задач движения реальных жидкостей, связано с трудами О. Коши, Г. Гельмгольца, Г. Кирхгофа, Дж. Г. Стокса, Н. Е. Жуковского, С. А.  Чаплыгина, Г. Хагена, Ж- Л. Пуазейля, О. Рейнольдса, Л. Прандтля.

Примерно с начала 20-х годов этого века изменилось само  назначение насосов. Если первоначально они предназначались только для подъема воды, то с этого времени они все шире применяются для перемещения жидкостей с различными вязкостью и  концентрацией взвешенных частиц, а также химических жидкостей с  различными степенью агрессивности и температурой. В 1924 г. вышла в свет книга немецкого гидравлика К. Пфлейдерера «Центробежные насосы», оказавшая значительное влияние на развитие теории  центробежных насосов и методов их расчета. В СССР уже к 1930 г. сложились три научные школы насосостроения: на кафедре и в лаборатории гидравлических машин МВТУ им. Н. Э. Баумана под руководством проф. И. И. Куколевского, изучавшая рабочий процесс турбин и насосов и развивавшая экспериментальные методы исследования насосов; иа кафедре и в лаборатории гидравлических машин Харьковского политехнического института под руководством акад. Г. Ф. Проскуры, которая  занималась исследованием гидромашин, в частности разработкой теории рабочего процесса осевых (пропеллерных) насосов; на кафедре и в лаборатории гидравлических машин Ленинградского политехнического института под руководством чл.-корр. И. Н.  Вознесенского, развивавшая новые методы расчета лопастных нагнетателей на основе теории потенциального течения и теории вихрей. В эти же годы проф. П. Н. Каменев разработал теорию расчета струйных аппаратов и осуществил их практическое использование с высоким КПД. В настоящее время научные исследования работы насосов  ведутся такими организациями, как ВНИИгидромаш, НИИхиммаш, а также на специальных кафедрах Ленинградского и Харьковского  политехнических институтов, МВТУ им. Н. Э. Баумана и др.

Машины для перемещения воздуха и газов появились значительно позже насосов. Изобретателем воздушного поршневого  нагнетателя - прототипа современных компрессоров с одной ступенью сжатия — считается немецкий физик О. Герике A640 г.). Во второй половине 18 в. в Англии Вилькинсон запатентовал  двухцилиндровый поршневой компрессор и в это же время Д. Уатт изготовил воздуходувную машину с паровым приводом. Многоступенчатый компрессор с межступенчатыми охладителями был предложен в 1849 г. Ратеном (Германия).

Изобретение центробежного вентилятора принадлежит генерал- лейтенанту корпуса горных инженеров А. А. Саблукову A832 г.). Им же была предложена передовая по тому врмени методика  расчета таких вентиляторов. В дальнейшем А. А. Саблуков  усовершенствовал свой вентилятор («воздушный насос»), представлявший  собой цилиндрический кожух с двухсторонним всасыванием, внутри которого располагалось колесо с четырьмя прямыми лопатками.

Впервые действие вентилятора А. А. Саблукова было испытано на кожевенном и сахарном заводах; при ручном приводе (два  человека) подавалось до 2000 м3 воздуха в 1 ч. В 1834 г, вентиляторы А. А. Саблукова были успешно применены на морских судах, а в 1835 г. — для проветривания Чагирского рудника иа Алтае. В 1838 г. А. А. Саблуков создал конструкцию центробежного насоса,  названного им «водогоном». Вентиляторы системы А. А. Саблукова нашли широкое распространение в России и за границей.

В 1892 г. француз П. Мортье изобрел диаметральный вентилятор. Некоторое время вентиляторы Мортье использовались в  качестве шахтных вентиляторов, однако затем они были заменены  центробежными вентиляторами, имеющими более высокий КПД. После этого диаметральные вентиляторы в течение долгого времени не изучались и были почти забыты. Вновь интерес к диаметральным вентиляторам возродился лишь в середине нашего столетия  сначала в западных странах, а позже и в нашей стране, где большую работу по созданию совершенных конструкций диаметральных вентиляторов проводит Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ) им. Н. Е. Жуковского.

Развитие вентиляторостроения шло параллельно с развитием турбомашиностроения. Теория и расчет осевых вентиляторов  приняли современный вид только после создания Н. Е. Жуковским вихревой теории крыла A906 г.). Приоритет в разработке  современных теорий расчета вентиляторов принадлежит советским  ученым. В результате работ ЦАГИ, созданного в 1918 г., в 1926-1930 гг. впервые были предложены физически обоснованные теории осевых и радиальных (центробежных) вентиляторов. Это  позволило конструировать машины, далеко превосходящие по своим аэродинамическим и онструктивным данным созданные в этой  области за рубежом. В 1930—1933 гг. В. И. Поликовским был  разработан эмпирический метод расчета радиальных вентиляторов,  основанный на результатах аэродинамических испытаний большой  серии машин. В 1949 г. за разработку и внедрение в промышленность высокоэффективных вентиляторов М. И. Невельсон, К- А. Ушаков и А. М. Комаров были удостоены государственной премии. Кроме упомянутых ученых, большой вклад в разработку теории и  практики вептиляторостроения внесли И. В. Брусиловский, А. Г.  Бычков, Г. Г. Вахвахов, М. Я- Гембаржевский, М. П. Калинушкин, И. О. Керстен, А. Г. Коровкин, Т. С. Соломахова и др.

В настоящее время решение многих социальных задач,  направленных па создание благоприятных условий как па предприятиях, так и в районах проживания людей, невозможно без увеличения номенклатуры и улучшения качества нагнетателей. В последние  годы ЦАГИ нм. Н. Е. Жуковского ведется работа по созданию нового унифицированного ряда высокоэффективных вентиляторов. Такие передовые предприятия, как, например, Московский вентиляторный завод, переходят на поставку заказчикам вентиляторных установок, т. е. вентиляторов в комплекте с рационально спроектированными входными элементами присоединения их к сети, а также  виброизоляторами. Это позволяет сократить сроки и повысить качество монтажных работ и уменьшить потери давления в системах.