Насосы

Насосы (помпы) в широком смысле слова — все механизмы, служащие для перемещения жидкостей, главным образом, капельных, реже газообразных (о насосах для газов и воздуха см. пневматические машины), в узком же, более употребительном смысле — только те из названных выше механизмов, перемещение жидкостей которыми достигается при посредстве передвижения одной части этих механизмов по отношению к другой, как, например, поршня в цилиндре поршневого насоса, лопаток в кожухе центробежного насоса и т. п.

Насос, понимаемый в первом, широком смысле, является одним из древнейших механизмов, в котором нуждался человек с целью орошения земель при их земледельческой обработке и для домашнего обихода. То были различного рода черпаковые механизмы, в виде ли отдельных черпаков, вроде посейчас встречающихся деревенских колодезных «журавлей», или же в виде бесконечной спускающейся в колодец гибкой ленты с целым рядом черпаков, надетой на колесо, приводимое в движение от привода, или же, наконец, в виде колес с прикрепленными ковшами или лопатками, черпающими воду при вращении от привода и поднимающими ее на более высокий уровень. Дальнейшее развитие насоса шло параллельно с развитием промышленности, и некоторые виды последней, в свою очередь, могли получить развитие только благодаря усовершенствованию водоподъемных средств; таково, например, рудничное дело, невозможное в широком объеме без мощных насосов для откачки подземных вод (см. горное дело, XV, 528/33); достаточно указать, что первая паровал машина (Ньюкомена и Уатта) была установлена в руднике для водоотлива. В настоящее время насосы встречаются повсюду как в домашнем обиходе, так и в  самых разнообразных видах промышленности для перемещения, как воды, так и других жидкостей, и, благодаря этому, разнообразие применяющихся типов насосов настолько велико, что какая-либо точная и вместе с тем простая классификация их является невозможной. В дальнейшем, для удобства рассмотрения, типы насосов разбиты на три класса по наиболее характерному признаку их работы, а именно по тому виду, в котором механизм насоса сообщает перемещаемой жидкости приложенную к нему механическую энергию. Дело в том, что энергия жидкости может проявляться в трех видах (см. гидравлика): либо в виде потенциальной энергии положения, либо потенциальной же энергии давления, либо, наконец, в виде кинетической энергии; таким образом, механическую энергию двигателя, приводящего в действие насос, можно использовать следующими тремя характерными способами: 1) непосредственно поднять данный объем жидкости на некоторую высоту, не сообщая ему вовсе скорости и давления; по этой схеме работают все черпаковые механизмы, водоподъемные колеса и т. п.; 2) сообщить жидкости при помощи специальных органов давление, которое затем поднимает ее в закрытом трубопроводе на требуемую высоту или же перемещает таким   же образом по горизонтальному направлению, преодолевая трение в трубах; таковы поршневые насосы, воздушные и паровые подъемники, пульсометры и т. п.; 3) сообщить жидкости большую скорость, которая уже затем целесоответственными приспособлениями может быть переведена в давление и может произвести требуемое перемещение жидкости; таковы насосы центробежные, струнные аппараты и др.

Подъемники первой категории могут иметь лишь ограниченную область применения по существу их действия: с одной стороны, достигаемая ими высота подъема ограничена в  весьма небольших пределах размерами самого механизма, с другой же стороны, они совершенно не приспособлены для подачи жидкости в закрытых трубопроводах, не будучи в состоянии сообщить ей требуемого для этого давления. Эти механизмы имели распространение в древности и в те времена, когда изготовление труб, выдерживающих внутреннее давление, было неизвестным, а подъем воды ограничивался небольшой высотой, с которой она разводилась в необходимые места по открытым желобам (фиг. 1).

Фиг. 1. Водоподъемное колесо.

Простота конструкции этих механизмов, возможность употребления для их постройки дерева и изготовление их кустарным способом на месте служит причиной того, чти эти механизмы сохранится и до настоящего времени в местах, далеко удаленных от промышленных центров и нуждающихся в орошении земель для земледелия (например, у нас Крым, Кавказ, Туркестан); кроме того, водоподъемники той же категории можно встретить и в настоящее время при водоотливе в простейших строительных работах, например, черпаки с ручкой, подвешенные на канате. К черпаковым механизмам необходимо также отнести приспособления, употребляющиеся в канализационном деле, для удаления сточных вод, содержащих осадки городских каналов из сборных колодцев перекачивательных станций. Однако и в этих специальных случаях техника стремится не без успеха заменить эти громоздкие сооружения более удобными и легко обслуживаемыми, принадлежащими к следующим ниже категориям водоподъемников.

Фиг. 2. Архимедов винт.

В связи с приборами, поднимающими непосредственно жидкость на более высокий уровень, заслуживает внимания механизм, имеющий ныне почти исключительно исторический интерес и называемый по имени изобретателя Архимедовым винтом (фиг. 2); этот прибор представляет собой наклонно расположенную винтовую поверхность, вращая которую в окружающей ее неподвижной трубе, возможно поднимать воду, как по наклонной плоскости. Существуют попытки видоизменить конструкцию подъемников рассмотренной выше категории, сохранив идею, и придать им менее громоздкую и более современную форму, заменив в то же время дерево металлом. Таковы, например, так называемые цепные насосы (фиг. 3).

Фиг. 3. Цепное колесо.

Сущность их состоит в том, что поднимающаяся часть бесконечной цепи с надетыми на нее кулачками (а иной раз и без них) входит, направляемая блоками, в открытую с обоих концов трубу и увлекает своим движением воду, приподнимал ее по трубе кверху; при действии подобного рода подъемника неизбежна, конечно, значительная обратная утечка воды, хотя в некоторых случаях и прилагаются старания для уменьшения подобной утечки снабжением, например, кулачков кожаными или резиновыми дисками, работающими наподобие поршней; тем не менее, простота его конструкции оправдывает некоторое его распространение в малых, притом периодически действующих установках. Оригинальным развитием идеи непосредственного подъема жидкости на более высокий уровень является так называемый пневматический подъемник, часто именуемый, по названию, данному ему его первым изобретателем, Мамут–Насосом. Он употребляется для подъема жидкости из глубоких буровых скважин, труднодоступных для обыкновенных поршневых насосов. Идея его очень проста: по тонкой трубке нагнетается воздух под соответствующим давлением глубоко под уровень воды в буровой скважине и там выпускается в воду таким образом, что он ее захватывает в большом количестве и поступает вместе с ней в открытую снизу вертикальную подающую трубу; образующаяся при этом смесь воздуха с водой, как более легкая, поднимается в упомянутой вертикальной трубе на уровень гораздо более высокий, нежели уровень воды в колодце, и может достичь, при соответственном соотношении глубины воды в колодце и глубины входного отверстия для воздуха под водой, до поверхности земли и больше. Коэффициент полезного действия подобного рода прибора по самому существу не может быть особенно высоким, так как значительная часть воздуха остается неиспользованной; кроме того, нагнетание воздуха под сравнительно высоким давлением требует установки для этой цели особых компрессоров, не отличающихся также большим коэффициентом полезного действия и значительно усложняющих все устройство; тем не менее, подобного рода подъемники пользуются немалым распространением ввиду крайней простоты тех частей механизма, которые опускаются под уровнем земли и могут весьма долго оставаться без ремонта и наблюдения, всегда требующих длительной остановки работы глубоких скважин для извлечения прибора на поверхность земли. В последние годы делались не без успеха попытки применить этот прибор для подачи из буровых скважин нефти, жидкости более вязкой, нежели вода. Лишь в самое последнее время Мамут-Насос нашел себе конкурента в центробежном насосе.

Фиг. 4. Ручной насос.

Наиболее важным представителем подъемных механизмов второй категории является поршневой насос, чрезвычайно распространенный и по настоящее время тип подъемника для жидкости; он настолько усовершенствован за долгое время, протекшее с момента его изобретения (по данным Витрувия, первый поршневой насос был построен в 140 г. до Рождества Христова Ктезибием, учителем Герона Александрийского), что дальнейшее его развитие почти совершенно остановилось, и большинство специалистов считает его невозможным.

Фиг. 5. Схема насоса двойного действия.

Фиг. 6. Пожарная труба.

Основными частями каждого поршневого насоса являются: цилиндр, движущийся в нем взад и вперед поршень и клапаны, всасывающий и нагнетательный, изолирующие попеременно пространство цилиндра, соответственно с движением поршня, от жидкости верхнего и нижнего уровней, соединенных с насосом при помощи так называемой всасывающей и нагнетательной (напорной) трубы. Сущность действия поршневого насоса необыкновенно проста. Поршень, двигаясь в одну сторону, образует за собой пустоту, в которую засасывается вода нижнего уровня по соответствующей трубе, подняв всасывающий клапан; при ходе поршня назад засосанная вода вытесняется им в напорную трубу, причем клапан всасывающий закрывается, а нагнетательный открывается. Насос  в подобного рода простейшей схеме встречается и сейчас весьма часто в домашнем и сельском хозяйстве, особенно в комбинации с так называемом проходным поршнем, являющимся соединением последнего с нагнетательным клапаном, причем напорная труба является продолжением насосного цилиндра (фиг. 4). При работе поршня одной только стороны (так называемые насосы простого действия) вода в напорной и всасывающей трубах двигается периодически, находясь в покое за время, соответствующее половине хода поршня. Такие остановки в движении столь инертного несжимаемого тела, каким является всякая капельная жидкость, вызывают удары в трубах, не допускающие быстрой работы насоса во избежание расстройства и поломки труб; кроме того, такие остановки уменьшают производительность работы самих труб, допуская их работу лишь в течение половины всего рабочего времени. Ввиду этого принцип двойного действия насоса, предложенный впервые, насколько известно, Ля-Гиром (de la Hire) в 1716 году, явился значительным усовершенствованием; в нем поршень работает обеими сторонами, засасывая жидкость одной стороной и нагнетая другой попеременно, причем напорная и всасывающая трубы для обеих сторон являются общими (фиг. 5). Двойное действие, однако, значительно усложняет конструкцию, а потому там, где особенно ценны простота устройства и легкость наблюдения, предпочитают все же употреблять насос простого действия, ставя, если нужно, два или три таких насоса рядом; таковы, например, пожарные трубы (фиг. 6), быстроходные насосы (см. ниже), насосы большого давления для гидравлических прессов и т. д.

Фиг. 7. Схема дифференциального действия.

Развитием пары цилиндр—поршень является замена т. н. дискового поршня скальчатым (скалка, ныряло, плунжер), направляемым в своем движении не гладкими, точно обточенными стенками цилиндра, как дисковой поршень, а специально устроенными сальниками; хотя эта комбинация и требует устройства сальника большего, чем прежде, диаметра и большей длины для лучшего направления, тем не менее, она имеет много преимуществ перед первой ввиду того, что при этом скалка уже не прикасается к стенкам цилиндра, и его обточка становится излишней; истирание с течением времени стенок цилиндра и поршня с ухудшением действия насоса здесь заменены истиранием сальниковой набивки, устраняемым подтягиванием болтов сальника; особенно ценным это обстоятельство является при двойном действии насоса, очевидном из сравнения фиг. 5 и фиг. 10: неплотность поршня в первом случае дает внутреннее невидимое просачивание жидкости с одной стороны поршня на другую, во втором же случае эта просачивания делаются наружными и устраняются простым подтягиванием соответствующих сальников. Соединение на одной оси последовательно двух скалок различных диаметров (или скалки и дискового поршня) дает возможность применить т. н. дифференциальное действие, выражающееся в возможности придать непрерывное движение воде в напорной трубе при одной лишь паре клапанов, вместо четырех, как это требуется при двойном действии (фиг. 7). При выдвижении большой скалки из правой части корпуса насоса в ней получается разрежение и всасывание через всасывающий клапан при закрытом нагнетательном; в то же время в левую часть корпуса вдвигается большая скалка и выдвигается малая, что ведет к вытеснению части находящегося там объема воды в напорную трубу; при обратном движении всасывание прекращается, и открывается нагнетательный клапан, куда и уходит вода из правой стороны корпуса, частью направляясь опять в напорную трубу, частью идя на левую сторону для замещения освобождающегося из-под большой скалки пространства; этот принцип удобен при длинных напорных трубах и коротких всасывающих. Весьма важной и ответственной частью каждого поршневого насоса являются его клапаны, конструкция которых одинакова как при всасывающем, так и при нагнетательном действии. От правильно конструированного клапана требуется, чтобы он не стеснял движения жидкости, открывая возможно большую площадь для прохода ее, чтобы открывался почти мгновенно на свой полный ход и, наконец, чтобы столь же быстро закрывался в соответственный момент. Особенно важно последнее требование, т. к. при медленном закрывании неизбежна обратная утечка жидкости под клапан, понижающая весьма сильно коэффициент полезного действия насоса. Эти три требования почти несовместимы полностью, таи как быстрое закрывание требует возможно малого хода (в хороших конструкциях всего 2—4 миллиметра), а это, в свою очередь, при необходимости дать достаточную площадь для прохода воды делает поперечные размеры клапана очень значительными, что утяжеляет клапан, увеличивает его инерцию, а, значит, и усилие на его быстрое поднятие; вследствие последнего обстоятельства не только увеличивается неравномерность работы насосного двигателя в различных положениях поршня, но уменьшается возможная высота всасывания воды, так как значительная доля давления атмосферного, заставляющая жидкость всасываться в насос с нижнего уровня, должна идти не на поднятие жидкости, а на преодоление инерции клапана; поперечные размеры клапана стараются уменьшить, делая его составным из нескольких отдельных клапанов или располагаемых друг над другом, т. н. многоэтажных, ныне более не употребляющихся вследствие их громоздкости, или же чаще располагаемых в одной плоскости концентрически т. н. многокольцевых (фиг. 8); для ограничения хода клапана и для скорейшего его закрытия при подобного рода уменьшенных и облегченных клапанах употребляют сильные пружины; дальнейшим усовершенствованием являются так называемые групповые клапаны, представляющие собой отдельные небольшие, легкие, легко заменяемые клапаны, устанавливаемые группами в требуемом количестве (в больших насосах количество клапанов доходит до 150 и более).

Фиг. 8. Многокольцевой клапан.

Как бы то ни было, размер клапанов, их ход, вес и свойства пружины должны строго соответствовать скорости хода насоса, высоте всасывания, давлению напорной трубы, равномерности в ней движения воды и т. п.; при малейших нарушениях этого соответствия работа клапана делается неправильной, и он начинает садиться на свое место (седло) несвоевременно и к тому же с ударами, иной раз настолько сильными, что сам клапан и даже весь корпус насоса быстро разбивается. Одно время для устранения этих недостатков пытались применять, по предложению инженера Ридлера, так называемое принудительное распределение клапанов, когда эти последние закрывались (а иной раз и открывались) и садились на место в определенное время не под давлением воды, а при помощи специальных рычажных механизмов; однако вводимое этим усложнение конструкции не оправдало себя и не привело к заметному улучшению действия насоса, а потому и было вскоре оставлено. Второй неизбежной принадлежностью хорошего поршневого насоса являются воздушные колпаки на напорной и всасывающей трубах (называемые просто напорным и всасывающим   колпаком). Их цель — сгладить вредные последствия от неравномерного движения воды в самом насосе и в трубах, подводящих и отводящих от него жидкость. Дело в том, что движение поршня насоса передается обычно при посредстве кривошипного механизма от вала какого-либо двигателя, вращающегося равномерно; при этом, как известно, поршень движется далеко неравномерно, имея максимальную скорость ближе около средины хода и уменьшая ее до полной остановки в концах своего хода; в соответствии с этим и движение воды, следующей всегда за поршнем, происходит также весьма неравномерно; принцип двойного действия не может уменьшить указанной неравномерности, так как объемы жидкости при ходе поршня туда и назад не накладываются друг на друга и не компенсируют указанной неравномерности; лишь удваивание насоса двойного действия или — еще лучше — стравливание насоса простого действия под разными углами кривошипа могут дать некоторое накладывание подаваемых объемов с соответствующей до некоторой степени компенсацией неравномерности  движения в трубах; неравномерность движения не только увеличивает вредное сопротивление в трубах, но и заставляет считаться с инерцией неупругой массы, что при длинных трубах может вызывать ряд весьма тяжелых ударов до порчи труб включительно; еще более вредные последствия проистекают в том случае, если неравномерность хода поршня с увеличением числа оборотов сделается настолько большой, что большая в высшей степени инертная масса несжимаемой капельной жидкости не будет в состоянии столь же быстро изменять свою скорость и будет в известные моменты хода отделяться от поршня, или от него отставая на стороне всасывания, или же уходя вперед на стороне нагнетания; опасным является момент последующего соприкосновения поршня с отделившимся объемом жидкости, в особенности если он происходит в то время, когда поршень успел дойти до конца хода и получил обратное движение, а объем жидкости продолжает еще двигаться в прежнем направлении; при этих условиях происходят весьма сильные удары, угрожающие целости всего насоса; кроме этих вредных явлений, которые вносят неравномерность хода поршня, при этом  необходимо считаться также и с тем, что эти весьма значительные силы инерции увеличивают также в высокой степени неравномерность прилагаемого к насосу усилия; это обстоятельство особенно вредно отражается на возможной для насоса высоте всасывания, которая тем больше, чем большая часть располагаемого для подъема жидкости давления нижнего уровня (обыкновенно атмосферного) остается для этой цели свободной за вычетом вредных сопротивлений во всасывающей трубе и усилий, идущих на преодоление инерции клапана и самой воды. Воздушные колпаки, поставленные в возможной близости от цилиндра насоса, вводят некоторый упругий объем воздуха, принимающий на себя удары и неравномерность давления от инерции неупругой жидкости, ограничивая неравномерно двигающийся объем жидкости лишь длиной того участка, который находится между поршнем и соответственным воздушным колпаком.

Фиг. 9. Насос быстроходный.

Несомненно, что объем воздуха в колпаке должен находиться в строгом соответствии с условиями, в которых приходится работать насосу, и для правильного их действия необходимо не только задаться их надлежащими размерами, но и снабдить приспособлением для регулирования их портального наполнения воздухом во время хода. Указанная схема явлений, с которыми приходится считаться в насосе, свидетельствует, что затруднения в правильной конструкции должны увеличиваться по мере увеличения числа ходов насоса в единицу времени и вместе с тем скорости перемещаемой жидкости и возникающих при этом сил инерции; этими причинами необходимо объяснить, что еще не в столь отдаленном прошлом, не более 20 лет тому назад, считалось невозможным давать насосу большое число ходов, и 60 оборотов в минуту считалось почти предельным, а в больших машинах оно ограничивалось нередко 10—20 в минуту. Это влекло за собой большое увеличение размеров насоса при желания достичь значительной производительности и ставило пределы для этой последней. Запросы сильно развивающейся промышленности, стремление к возможному уменьшению размеров всех вообще машин для удобства ухода, удешевления первоначальной стоимости и ремонта и экономии места при увеличении производительности и, наконец, стремление к упрощению и к поднятию коэффициента полезного действия передачи между насосом и двигателем, точно так же эволюционирующим в сторону увеличения его числа оборотов, заставили техников насосного дела приложить старания к усовершенствованию поршневого насоса также и в этом отношении. Заслуживает внимания, что лишь глубокое изучение теории, а не обычный путь практического, опытного совершенствования конструкции решило поставленную задачу; были выработаны новые типы быстроходных насосов, в которых принято во внимание указанное выше свойство клапанов и воздушных колпаков, и этим было поднято число оборотов насоса до 250—300 в минуту. Фиг. 9 дает изображение быстроходного насоса, соединенного с электромотором при посредстве зубчатой передачи и предназначенного для установки в тесном помещении насосной камеры рудника. Поршень насоса скальчатый с наружными легко доступными сальниками; под насосным корпусом всасывающий колпак с погруженными в него отдельными короткими трубками ко всасывающем клапанам, так что только в этих трубках и обнаруживается неравномерность движения воды; пространство над нагнетательными клапанами соединено в одно целое поперечной трубой с предохранительным клапаном посредине и отверстием под ним (заштрихованным) для соединения с напорной трубой; над клапанами установлены два напорных колпака, соединенных между собой, для лучшего использования и выравнивания их действия, воздушной трубочкой. Корпус насоса, представляющий собой сложную чугунную (или стальную в соответственных случаях) отливку для большей прочности, представляет собой комбинацию соединенных вместе шаровых и цилиндрических новых тел, лучше всего сопротивляющихся внутреннему давлению. Насос  приводится в действие посредством кривошипного механизма, вращаемого от видного на чертеже на втором плане электромотора и зубчатой передачи. Точный расчет насоса, ввиду указанных выше сложных соотношений между движением поршня, клапанов и воды в самом насосе и соединенных с ним трубопроводах, представляется довольно сложным. Как бы то ни было, из приведенных выше рассуждений ясно, что конструкция и основные размеры насоса тесно связаны не только с количеством поднимаемой жидкости и с требующимся давлением ее, но и с другими более отдаленными обстоятельствами, например, длиной всасывающей и напорной труб, их размерами и даже профилем водовода. Кроме этих данных, требуется знать желательное число оборотов. Эти данные позволяют определить поперечные размеры поршня и длину его хода, т. к. объем, описываемый поршнем в единицу времени, теоретически равен подаваемому количеству жидкости, а практически меньше его в некотором отношении, называемом объемным или волюметрическим коэффициентом полезного действия или коэффициентом наполнения; уменьшение объема жидкости против теоретического происходит от неплотности поршня, сальников, обратной утечки через несвоевременно закрывающиеся клапаны, а также от присутствия в некоторых частях насосного корпуса воздуха, не выталкивающегося под давлением поршня подобно несжимаемой капельной жидкости, а лишь сжимающегося соответственно и остающегося на месте. Объемный коэффициент для очень хороших конструкций доходит до 0,99; обычно в среднем он равен 0,95. Общий коэффициент полезного действия поршневого насоса, т. е. отношение энергии, действительно полученной перемещенной жидкостью, к энергии, затраченной двигателем, может быть в хороших конструкциях доведено до весьма высоких пределов, например, до 0,90 и даже больше. Что касается пределов, в каких возможна работа насоса, то они весьма широки и значительно шире всех прочих типов водоподъемных механизмов (за исключением центробежных насосов, о чем ниже). Так, возможный для поршневого насоса напор колеблется от нуля до многих сотен атмосфер (прессовые насосы, употребляющиеся для подачи жидкости к гидравлическим прессам); количество подаваемой к насосу жидкости может колебаться от единичных ведер в час, потребных в домашнем обиходе или в заводском деле, при больших напорах до сотен тысяч ведер, требующихся мощными насосами городских водопроводов и водоотливных рудничных сооружений, а также оросительных, осушительных и другого рода гидротехнических устройств.

С вопросом о конструкции насоса тесно связан вопрос о типе двигателя. Мелкие насосы для целей второстепенного значения или же переносные (например, пожарные) весьма часто приводятся в движение руками одного или нескольких рабочих, для чего снабжаются рукоятками, качающимися коромыслами, ручными маховиками и пр.; встречаются также конные приводы, ветряные двигатели и т. н. второстепенные непостоянного характера источники энергии, не вносящие, впрочем, почти ничего характерного в конструкцию самого насосного механизма, соединяемого с двигателем обычного типа передачами. На фабриках и заводах весьма большим распространением пользуются, в особенности для периодической работы, так называемые приводные насосы, приводимые в движение от трансмиссионного вала завода ременной, канатной или зубчатой передачей, уменьшающей число оборотов вала до допустимых для насоса пределов; в видах лучшего использования энергии и меньших затрат ее на трение в подобном передаточном механизме, желательно в этих случаях ставить быстроходные насосы. При этом получаются весьма компактно типы строенные одиночного действия или двойные двойного действия, которые занимают мало места и могут быть устанавливаемы в тесных помещениях; к типу приводных насосов должны быть отнесены также и насосы, снабженные отдельными электрическими моторами, как, например, на фиг. 9. Излюбленным двигателем для непосредственного соединения с поршневым насосом, особенно большей мощности или непрерывно работающим, является паровая машина как вертикального, так и горизонтального типа. Так как паровая машина является также поршневым механизмом, то представляется весьма удобным оба поршня, двигателя и насоса, насаживать на один шток, помещая соответственно цилиндры на одной оси друг за другом. При больших установках, непрерывно работающих, где важно достичь возможно высокой экономии в потреблении пара, ставится обыкновенно паровая машина (см.) двойного и даже тройного расширения, т. е. с двумя и тремя цилиндрами. В этом случае весьма уместно ставить также и сдвоенный насос двойного действия, дающий большую равномерность хода, а следовательно, и лучшую работу, причем цилиндры размещают в дне линии по одному насосу на каждой. Кривошипный механизм в случае соединения поршней на одном штоке обычно помещается по другую сторону парового цилиндра (в вертикальных установках между цилиндрами, равно как и в небольших горизонтальных); он предназначается для вращения главного вала с насаженным на него тяжелым маховиком, являющимся весьма важным элементом правильной работы всего агрегата; дело в том, что при равномерном вращении вала, как то уже указывалось, поршень насоса должен передавать на жидкость усилия неодинаковой величины, значительно возраставшие от средних значений в некоторых, преимущественно концевых положениях поршня, соответствующих перемене хода его; с другой стороны, для экономии работы пара в цилиндрах паровой машины необходимо допустить большую степень расширения его и, следовательно, большое падение давления на поршень в конце хода; маховик и предназначен принять на себя избыток давления в паровом цилиндре в начале хода и для передачи его обратно на шток поршня в конце хода, без чего равенство между переменным усилием на водяном поршне и паровом не могло бы быть достигнуто; маховик, кроме этого своего назначения, весьма удобен и часто необходим в насосном механизме, для перевода поршней, парового и водяного, через мертвое положение их в конце хода и для проведения в движение в  эти моменты парораспределительного механизма. Стремление к устранению сложного кривошипного механизма и маховика привело к особому типу т. н. паровых насосов прямого действия или же, как чаще всего называют у нас в России, насос типа Вортингтон, по имени американского фабриканта, впервые их предложившего (Henry Rossiter Worthington, New-York, 1857 г.); в них паровой цилиндр и насосный находятся также на одной оси и для удобства парораспределения располагаются рядом с другой такой парой насосного и парового цилиндра, отстоящих в своем движении от первой пары на половину своего хода, так что, когда пара останавливается в конце хода, меняя направление движения, и когда для нее требуется перемена парораспределения, другая пара цилиндров находится в средине хода, и для указанной цели можно воспользоваться ее движением; при отсутствии в системе кривошипного механизма применение маховика делается невозможным, что заставляет отказаться в большинстве случаев от расширения пара и от всех тех выгод, которые оно вносит; некоторая возможность, впрочем, использовать расширение пара имеется при включении дополнительных паровых цилиндров, особенно при употреблении вспомогательных механизмов, т. н. компенсаторов (например, в виде особых воздушных цилиндров, в которых воздух, сжимаясь в соответственные моменты, поглощает работу и затем, расширяясь, отдает ее, тем не менее эта система далеко не в состоянии дать той экономии, которая возможна при употреблении маховика; так, в то время, когда с последним можно достичь расхода в 5 и даже менее килограммов пара в час на каждую лошадиную силу сообщенной воде энергии, в лучших насосах прямого действия потребление пара может быть доведено соответственно до 8 кг, а в простых рыночных типах достигает 50—80 и более кг. Ввиду этого распространение этих последних типов (главным образом, на железнодорожных водокачках) граничит с техническим абсурдом, хотя его и стараются объяснить простотой конструкции и дешевизной, но, по-видимому, оно более всего должно быть отнесено на счет рутины и боязни новшеств.

Двигатели внутреннего сгорания (см.) гораздо менее пригодны для непосредственного соединения с поршневым насосом, нежели паровая машина, как вследствие слишком большого числа оборотов, которое обычно им должно быть дано для надежной их работы, так и вследствие крайней неравномерности давления, развиваемого в цилиндрах двигателя в различных частях хода поршня, слишком отличной от характера изменения давления в насосном цилиндре; ввиду этого двигатели внутреннего сгорания встречаются больше не в прямом соединении с поршневым насосом, а соединяются с ними посредством приводов, сводя вопрос вновь к приводным насосам. В последнее время получили известность так называемые насосы Хемфри (Humphrey, 1909), представляющие собой совмещение в одном цилиндре, как двигателя, так и насоса (фиг. 10); благодаря воспламененной горючей смеси в цилиндре K и последующему расширению продуктов горения, объем воды в напорной трубе D—D получает быстрое движение, и часть ее выкидывается в резервуар ЕТ, а остальная часть начинает колебательные движения взад и вперед по трубе, различными периодами которого пользуются сначала для выталкивания продуктов горения из цилиндра K через клапан Е, открывающийся тотчас после закончившегося первого хода водяного столба для закрытия этого клапана после прикосновения к нему воды, затем для открывания клапана А и засасывания свежей порции горючей смеси и, наконец, для закрывания этого клапана и сжатия смеси перед новым воспламенением; кроме того, в период уменьшенного давления происходит также засасывание новой порции воды из резервуара ST через ряд клапанов V—V. Простота механизма обеспечивает весьма высокий коэффициент полезного действия; эти насосы особенно пригодны для непрерывной подачи неизменного количества воды на небольшие высоты, например, 15—20 м; например, в целях орошения или водоснабжения.

Фиг. 10. Схема насоса Хемфри.

Фиг. 11. Насос с крыльчатым поршнем.

Так, они установлены в 1911 г. на одном из лондонских водопроводов для подачи воды на очистительные сооружения; каждая из четырех поставленных насосных единиц подаст 182 000 куб. м; мощность каждого из насосов равна около 330 лошадиных сил; цилиндр имеет диаметр, равный 2 метрам, и представляет собой стальную отливку. Вода совершает в насосе 11 полных колебаний в минуту; подача при каждом ходе равна 15 куб. м. Стоимость установки оказалась почти вдвое дешевле установок обычного типа (подробности см. С. И. Пржибыльский, «Насосы Humphrey». «Вест. Общ. Техн.», декабрь 1914). Видоизменением поршня с прямолинейным движением являются так называемые крыльчатые поршни, приспособленные для колебательных движений и встречающиеся иной раз в ручных насосах, где это колебательное движение удобно соединить с таким же движением рукоятки. Схема насоса понятна без особых пояснений из фиг. 11, где качающаяся при помощи наружной рукоятки ось А приводит  в движение крыльчатый поршень K. Если подобный поворотный поршень желательно приспособить для движения от двигателя, то весьма удобно перейти к  круговому непрерывному движению; при этом получается так называемый коловратный насос (ротативный, капсельный, зубчатый), одна из простейших схем которого изображена на фиг. 12 (система Эврарда). Коловратный насос бывает с одной подвижной осью, с двумя и с тремя. Увеличение числа осей имеет целью увеличить уплотняющую поверхность и улучшить коэффициент полезного действия. Коловратные насосы не отличаются никакими особенными преимуществами, а потому они встречаются сравнительно редко и все больше вытесняются другими более совершенными типами, например, центробежными насосами.

Фиг. 12. Коловратный насос.

Из второй категории подъемных для жидкости механизмов, действующих сообщаемым последней давлением, заслуживают также упоминания т. н. сокоподъемник или монжю (Mont-jus) и пульсометр. Сокоподъемник состоит обыкновенно из металлического (медного) цилиндра достаточной прочности, который наполняется подлежащей подъему жидкостью, после чего по особой трубе поверх жидкости впускается пар или воздух под давлением, который и выталкивает жидкость по напорной трубе на надлежащую высоту. Эти механизмы весьма простого устройства находят себе применение на некоторых заводах (например, сахарных) и в виноделии, т. е. в тех случаях, когда перекачиваемая жидкость ради сохранения ее чистоты либо во избежание перемешивания или же вследствие ее разъедающих или других свойств не может быть перекачиваема обычным способом. Вполне аналогично с сокоподъемником действует эжектор, прибор, употребляемый для ассенизационных бочек. Здесь вместо нагнетания выкачивают воздушным насосом воздух из бочки, благодаря чему в нее поднимается клоачная жидкость по особой всасывающей трубе из выгреба. Этим устраняются ее взбалтывание и распространение дурного запаха. Несколько похожим на сокоподъемник по принципу действия является т. н. пульсометр (фиг. 13).

Фиг. 13. Пульсометр.

Если в пульсометр, предварительно наполненный водой, впустить пар, то в зависимости от первоначального положения распределительного качающегося язычка он входит в правую или левую камеру пульсометра, вытесняя из него постепенно воду через соответственный клапан в напорную трубу до тех пор, пока понижающийся уровень воды не достигнет трубки, соединенной с напорной трубой; брызги воды из этой трубки конденсируют пар, благодаря чему быстро уменьшается его давление и распределительный язычок перекидывается и закрывает дальнейший доступ пара в  эту камеру, чем заставляет последний окончательно конденсироваться до образования вакуума и засасывания в камеру воды из трубы через клапан; во время этого засасывания из смежной камеры вода нагнетается до повторения вновь описанного процесса.

Главным представителем подъемников третьей категории является центробежный насос. Схема его действия следующая: колесо, снабженное лопатками, т. н. рабочее колесо, вращаясь с большой скоростью в предварительно наполненной жидкостью камере, захватывает эту жидкость, и развивающаяся благодаря этому в последней значительная центробежная сила заставляет ее двигаться с большой скоростью из рабочего колеса наружу, образуя в центре колеса разрежение и способствуя засасыванию нового объема жидкости по всасывающей трубе; выброшенная же из рабочего колеса жидкость переходит в неподвижную часть насоса, такого устройства, что благодаря ее постепенному расширению происходят плавное уменьшение большой начальной скорости жидкости и соответственный переход кинетической энергии ее в потенциальную, выряжающийся повышением давления. Этот основной принцип действия центробежного насоса был известен уже очень давно. Так, в записках Леонардо да Винчи (1452—1519) уже встречается описание прибора, имеющего сходство с центробежным насосом; в 1680 г. чертеж центробежного насоса дан Иорданом (Jordan), и примерно в то же время опытами с ним занимался известный Папин; некоторого усовершенствования и распространения центробежные насосы достигли в Англии в начале XIX в. (1818), после чего они стали непрерывно совершенствоваться, особенно в нынешнем столетии при развитии их теории, и ныне весьма успешно конкурируют с поршневыми насосами, все более вытесняя последние во многих областях. Современный центробежный насос одиночного действия изображен в поперечном и продольном разрезе на фиг. 14.

Фиг. 14. Центробежный насос простого действия.

Ось насосов, за исключением особых специальных случаев (например, при желании опустить насос в колодец и вывести его вал наверх для более удобной передачи ему вращения от двигателя), располагается горизонтально, т. к. при этом опорные подшипники получаются более простой и удобной для ухода конструкции; всасывающая труба подходит к центру рабочего колеса с одной стороны; рабочее колесо снабжено рядом криволинейных лопаток, кривизна и наклон которых должны строго соответствовать скорости входа и выхода воды, размерам рабочего колеса и числу его оборотов во избежание резких изменений скоростей при вступлении воды на колесо и ухода с него, т. к. эти изменения, аналогичные ударам в телах твердых, влекут за собой потерю энергии и уменьшают коэффициент полезного действия устройства. Вода, вышедшая с большой скоростью из рабочего колеса, входит  в направляющий аппарат, также снабженный лопатками строго определенной кривизны и направления; размеры направляющего аппарата должны быть так сообразованы, чтобы большую скорость воды, выходящей из рабочего колеса, по возможности плавно, без всяких резких скачков, перевести в скорость, близкую по величине к скорости напорной трубы; по выходе из направляющего аппарата вода, не меняя скорости, собирается в постепенно расширяющемся, по мере приближения к выходному отверстию и увеличения ее количества, кожухе, спиральном или просто цилиндрическом; в конце кожуха, если скорость воды недостаточно уменьшена в направляющем аппарате, часто устраивают еще расширение конусом при переходе в напорную трубу для окончательного уменьшения скорости и соответственного увеличения давления. Надлежаще устроенный направляющий аппарат и надлежащая кривизна лопаток  его и рабочего колеса и отличают современные типы центробежных насосов от прежних. Несмотря на кажущуюся простоту конструкции их, она является результатом весьма долгих теоретических и опытных исследований; отсутствие направляющих аппаратов старых типов и ненадлежащая кривизна лопаток не давали возможности уменьшать скорости движения воды без весьма больших потерь энергии; коэффициент полезного действия подобных насосов был чрезвычайно мал, не более 0,45—0,50, и быстро к тому же падал с увеличением скорости выхода из рабочего колеса, ставя нижние пределы для последней, а следовательно, и для того давления, которое возможно было получить в центробежном насосе при выходе в напорную трубу; верхний предел для давления, достижимого в старых насосах, был близок к 15 м. Это обстоятельство в связи с очень низким коэффициентом полезного действия и служило причиной малого его распространения. Ныне, благодаря постепенным усовершенствованиям, коэффициент полезного действия центробежного насоса удалось довести в хороших конструкциях до 0,80—0,85, скорости выхода из рабочего колеса оказалось возможным поднять до 30—40 и более метров в секунду с тем, чтобы, уменьшая их плавно до 1,5—2,0 м, достигать давлении в 50—80 м и даже более. Центробежный насос, не снабженный направляющим аппаратом, остался лишь для очень низких напоров, не превосходящих 10—12 м; при более высоких напорах он обязательно им снабжается, причем получает часто в последнее время название турбинного насоса, по сходству его идейному и конструктивному с наиболее распространенным типом водяной турбины. Достигнутые в последнее время успехи не остановились на указанных усовершенствованиях. Так, при увеличившихся напорах вскоре замечено было, что давление на глухую сторону рабочего колеса со стороны мертвой воды начинает вредно отражаться на работе центробежного насоса, стремясь передвинуть вал в сторону всасывающей трубы; это вызывало необходимость устройства специальных упорных приспособлений, требующих тщательного ухода и при недосмотре влекущих значительное уменьшение коэффициента полезного действия и даже порчу механизма; этот недостаток был устранен сдваиванием насоса, т. е. помещением двух симметрично расположенных колес (фиг. 15); ставя на одном валу в одном и том же кожухе две, три и более пар колес, достигают весьма больших количеств воды при неизменном числе оборотов и неизменном напоре.

Фиг. 15. Центробежный насос сдвоенный.

Усовершенствования коснулись не только увеличения количества воды, но и напора. Как то уже указано, напор, достигаемый в одном колесе, доводят до 50—80 м; теоретически нет предела для поднятия напора, так как для этого, очевидно, следует лишь увеличить скорость выхода воды из рабочего колеса увеличением или числа оборотов последнего, или же его диаметра; однако как то, так и другое влечет за собой весьма быстрое увеличение энергии, теряемой на трение диска рабочего колеса о мертвую воду у наружной крышки; точно так же вместе с увеличением названной скорости растут трудности перевода ее в давление; эти неудобства удалось устранить применением многоступенчатых или многокамерных центробежных насосов, состоящих из ряда одиночных, поставленных на одном валу, центробежных насосов, передающих последовательно нагнетаемую жидкость один другому с соответственным возрастанием конечного напора; фиг. 16 дает разрез подобного насоса с тремя колесами; надежное устранение осевого давления в этом типе насоса имеет первостепенное значение ввиду суммирования давлений всех колес, обращенных в одну сторону; соединение колес парами, как показала практика, слишком усложняет переход воды из одной пары в другую; в последнее время применяют больше уравновешивание каждого колеса отдельно при помощи особых отверстий (показанных на фигуре) в диске колеса вблизи вала; кроме этого, ставят еще особые уравнительные диски в конце вала, автоматически подвергающиеся давлению воды, как только вал получает слабую осевую передвижку, которая и возвращает его в прежнее положение. Количество воды, поднимаемое центробежным насосом, может быть весьма значительно при сравнительно небольших размерах; так, при диаметре рабочего колеса только в 0,5 м и при 600 оборотах в минуту насос подает до одного куб. метра в сек.; особенно большие единицы центробежных насосов встречаются в оросительном деле, где подача воды достигает до 10 и более куб. м. Из типов двигателей для приведения в действие центробежного насоса применяются по преимуществу быстроходные для упрощения и даже полного устранения ременных и других передач, иначе неизбежных при том большом числе оборотов, которых требуют центробежные насосы (для малых единиц 2 000—3 000 в  минуту, для больших — соответственно меньше). Идеальным двигателем для центробежного насоса является электромотор, который обычно приключается с ним на один вал, составляя один весьма компактный агрегат; при больших мощностях охотно ставят паровую турбину, которая также благодаря большому числу оборотов удобно соединяется в один агрегат, получающий название турбонасоса. Сравнивая поршневые центробежные насосы, видно, что на стороне первых больший коэффициент полезного действия, но зато на стороне вторых — компактность и простота, отсутствие клапанов, незначительность занимаемого места и первоначальной стоимости; но центробежный насос не выдерживает конкуренции с поршневым насосом при сравнительно малых количествах воды, особенно в соединении с большими напорами, где размеры центробежного насоса получаются неудобно малыми в конструктивном отношении.

Принадлежащие также к третьей категории водоподъемников струйные аппараты подают жидкость при помощи сильной струи другой какой-либо жидкости — капельной, пара или воздуха. Действие приборов основывается на том, что рабочая жидкость, входя в узкое сопло и увеличивая этим скорость, уменьшает за счет увеличивающейся кинетической энергии свое давление, чем вызывает засасывание подлежащей подаче жидкости и совместное дальнейшее перемещение по расширяющемуся коническому соплу, причем вновь падает скорость и растет давление. Эти приборы имеют сравнительно незначительную область применения в специальных случаях, когда их сравнительно низкий коэффициент полезного действия не имеет значения (около 0,45—0,50) и выступают на сцену их положительные качества — компактность, отсутствие движущихся частей и т. п. Так, их употребляют на судах в виде водоотливных механизмов в труднодоступных местах трюмов, посылая к ним воду под давлением из специальных насосов, в виде пульверизаторов для вдувания жидкости струей воздуха, или в виде питающих паровые котлы (см.) приборов — т. н. инжекторов, изобретенных Жиффаром, действующих  паром   того же котла, причем нагревание подаваемой  воды не является недостатком.

Фиг. 17. Инжектор.

На фиг. 17 изображен инжектор простейшей системы (Шау). Вода вступает по трубе В; пар, войдя через сопло А и захватив воду, проходит узкое место конусов  D, конденсируясь при этом; вода же идет дальше по расширяющейся трубе; Е — вистовое отверстие, открываемое во время пуска в ход прибора. Наконец, к третьей категории водоподъемных механизмов принадлежит также и гидравлический таран, описанный отдельно (см.).

И. Есьман.