Качать не перекачать

Задумываться об устройствах для перекачки воды люди начали еще десятки тысячелетий назад. Орошение полей и тушение пожаров, да и просто снабжение водой городов требовали ее больших объемов — тогда и начали появляться первые решения для перекачки жидкостей. За века они эволюционировали от простого деревенского журавля до гигантских отказоустойчивых насосов на атомных электростанциях и электромагнитных, способных перекачивать расплавленные металлы.

Дела давно минувших дней

История этого гениального изобретения своими корнями уходит в далекое прошлое. И хотя по нынешним меркам первые насосы были очень просты, если не сказать примитивны, стоит отметить, что возникли они лишь спустя тысячелетие после появления человека, а по мере своей эволюции позволяли решать все более амбициозные задачи.

К слову

Термин «насос», обозначающий механизм для создания потока жидкости, придумал Михаил Ломоносов. При этом в обиходе еще долго оставалось и другое название — «помпа».

Принято считать, что первое элементарное устройство для забора воды из колодцев и водоемов по­явилось в Древнем Египте на рубеже 2000 года до н. э. Это действительно так, однако и у него были свои «предшественники», а именно «месопотамский насос» — поставленный у воды деревянный рычаг с ковшом на одном конце и противовесом на другом. Когда рычаг был опущен, ведро наполнялось водой, затем противовес отскакивал, поднимая ведро вверх. Это простое, но эффективное решение просуществовало до наших дней, и до сих пор в сельской местности можно встретить так называемый журавль. Присмотритесь к нему при случае — это прямой потомок идеи неизвестного месопотамского изобретателя.

Дальнейшее развитие механизмы для перекачки воды получили в Древнем Египте, Вавилоне и Китае — странах, где большие площади занимают пустыни. Чтобы превратить эти земли в плодоносные, необходимо было подвести туда воду. Для водоснабжения городов сооружались целые станции в виде сложной системы водоподъемных колес. По описанию древних ­историков, именно так было организовано водоснабжение одной из крепостей на берегу Нила. В качестве рабочей силы выступали рабы.

Нория (от арабск. «наора» — «водокачка») — это веревка или цепь, к которой прикреплены ковши для забора воды

Водоподъемное колесо — одно из древнейших устройств, использовавшихся для доставки воды. Они могли поднимать воду на высоту 3–4 м и имели производительность до 8–10 м3/ч. Также использовались так называемые цепные насосы — бесконечные цепочки с прикрепленными ковшами. Их применяли для подъема воды еще за 1700 лет до н. э.

Первым сохранившимся до наших дней водопроводом считается построенный в VII веке до н. э. около древней столицы Ассирии водовод длиной 40 км. Эта технология получила развитие и в Древнем Риме, где до сих пор сохранились развалины впечатляющих сооружений. Акведуки доставляли воду на большие расстояния, но не решали проблему перепада разности высот.

Новый импульс в развитии водоподъемные механизмы получили с легкой руки легендарного Архимеда Сиракузского (287–212 годы до н. э.), создавшего так называемый архимедов винт.

А его коллега по науке Ктесибий — «отец пневматики» и, по некоторым данным, первый заведующий Александрийского музея — в II веке до н. э. изобрел двухцилиндровый поршневой насос, применявшийся для ­создания сильной струи или подъема воды из колодцев. Эти механизмы были найдены в разных римских поселениях — например, в местечке Силчестер в Англии.

В свою очередь, в Александрии был найден пожарный насос, датированный примерно 200 годом до н. э. Считается, что его изобрел ученый Ктце­биус, применивший прообразы всех элементов классического поршневого насоса: плунжер, откидные клапаны и эксцент­риковый привод плунжера.

Все эти изобретения открыли новую веху в истории механизмов для перекачки жидкостей, а люди в итоге смогли заселить до этого безжизненные из-за отсутствия воды пустынные земли и начали строить густонаселенные города, что ранее было также невозможно из-за дефицита воды.

Новые возможности

Индустриализация стала очередным толчком для развития водоподъемных механизмов. Насосы были необходимы в горном деле для откачки воды из шахт, на производствах — для работы паровых двигателей. Все это породило настоящий бум среди изобретателей, предложивших сотни разных вариантов конструкций насосов, многие из которых используются по сей день.

В 1680 году были сделаны первые попытки создать центробежный насос, но тогда из-за отсутствия быстроходного двигателя он уступал поршневому собрату практически по всем параметрам. И только в 1761 году — почти век спустя — англичане Уатт и Болтон сконструировали первый поршневой паровой насос.

В XVIII столетии деревянные поршневые насосы широко применялись в горнорудных производствах. Соединенные последовательно в цепь из 35 и более агрегатов, они работали на ручном приводе и были способны подавать воду на высоту до 30 м. Примерно в это же время во Франции ­появляется первый центробежный насос с улиткообразным каналом, авторство которого принадлежит Дени Папену, взявшему за основу своей конструкции известный еще со Средне­вековья центробежный вентилятор. Это изобретение уже можно с полным основанием считать прототипом современных центробежных насосов.

С середины XIX века в производство стали широко внедряться паровые поршневые устройства. К этому периоду относится создание крыльчатых насосов, прообразом которых является поршневое решение с кольцевым цилиндром, описанное французским инженером Рамелли в 1588 году.

Насос Ньюкомена — первый представитель балансирных насосов, где для перемещения поршня использовалась энергия расширения или давления пара. Самый большой механизм этого вида, с суточной производительностью 32 000 м3, был установлен в 1860 году на лондонской насосной станции.

В конструкции насоса были применены всасывающий и нагнетательный клапаны, воздушный уравнительный колпак и рычаг-балансир ручного привода

В эти же годы американец Генри Росситер Вортингтон изобретает одноцилиндровые и двухцилиндровые паровые насосы, что дает возможность отказаться от балансирного привода. Характерной чертой нового типа устройств становится противоположное расположение насосных и паровых цилиндров.

Дальше — больше. В 1846 году английский химик Джеймс Джонстон на основе быстроходных двигателей сконструировал многоступенчатый центробежный насос, затем усовершенствованный его соотечественником — инженером-физиком Осборном Рейнолдсом. В итоге четырехступенчатый насос Рейнолдса с КПД 58% и производительностью 700 л/мин стал первым насосом турбинного типа. Это изобретение наравне с применением паровых турбин и электро­двигателей с высокими оборотами способствовало тому, что центробежные насосы постепенно начали вытеснять поршневые.

Однако был и другой пусть развития. Он начался с изобретения так называе­мых вращающихся насосов с одним ротором. В XVII веке им на смену приходит двухроторный коловратный насос, который с полным основанием можно рассматривать как ­прообраз современных зубчатых насосов. В дальнейшем появились и другие разновидности этого типа, наиболее характерным представителем которого можно назвать созданный уже в XX веке лабиринтный насос и первый вихревой, названный центробежным самовсасывающим, изобретенный в 1920 году в Германии.

День сегодняшний

Гениальное решение

Знакомые знаменитого Томаса Эдисона удивлялись, почему так тяжело открывается его калитка. Наконец, один из них заметил, что такой гений мог бы сконструировать калитку и получше, на что изобретатель ответил:

— Мне кажется, калитка сконструирована гениально. Она соединена с насосом домашнего водопровода. Каждый, кто входит, накачивает мне в цистерну двадцать литров воды.

В настоящее время в мире используется более 30 видов конструкций насосов: мембранные, химические, консольные, криогенные, синусные, кулачковые и т. д. Одним из самых интересных решений можно назвать электромагнитный насос, также известный как магнитогидродинамический. Он предназначен для перекачки расплавленных металлов, растворов солей и других электропроводящих жидкостей. В частности, жидкометаллического теплоносителя в ядерных реакторах, например в реакторе ­БН-800, а также на ЯЭУ «Бук» и «Топаз».

Сделано в Росатоме

Совсем недавно в ЦКБМ был создан главный циркуляционный насос четвертого поколения для Курской АЭС-2. Он стал первым в мире устройством подобного типа с механическим уплотнением вала и заменой масляной смазки подшипниковых узлов и электро­двигателя на водяную. Агрегат успешно прошел испытания на стенде и в дальнейшем планируется к установке на атомной станции. Опять же, впервые в мировой практике.

Технические характеристики впечатляют. Во время эксплуатации АЭС четыре главных циркуляционных насоса будут работать под давлением около 16 МПа, что в 160 раз превышает нормальное атмосферное давление. В течение часа агрегат способен перекачивать порядка 22 тысяч м3 теплоносителя, нагретого до температуры 300 °C.

Также на стенде, где тестируют критическое оборудование СПГ-проектов, недавно завершились первые испытания российского насоса для перекачки сжиженного газа. Первым тестируемым образцом стал крупнотоннажный криогенный насос ЭНК 2000/241, разработанный и изготовленный в ОКБМ Африкантов и предназначенный для отгрузки СПГ из резервуара хранения в танки судна-газовоза.

Производство оборудования для СПГ-проектов — на сегодняшний день одно из ключевых направлений развития неатомных бизнесов АЭМ. Так, ОКБМ Африкантов освоило линейку из шести типов криогенных насосов для перекачивания сжиженных газов и проводит работы по созданию параметрического ряда криогенных судовых насосов, насосов КриоАЗС, соответствующего оборудования для крупно-, средне- и малотоннажного производства СПГ, а также жидкостных детандеров. По техническим характеристикам агрегаты не уступают зарубежным, а по ряду показателей — уровням вибрации, кавитационному запасу и КПД — даже превосходят импортные аналоги.