Создание насоса Ктесибия — первого поршневого насоса двойного действия

Насос двойного действия имеет два цилиндра, работающих в параллельной противофазе. Обозначьте их как Цилиндр A и Цилиндр B. Когда поршень A опускается (ход нагнетания): впускной клапан A закрывается (предотвращая обратный поток в источник воды), выпускной клапан A открывается (выталкивая воду в общий выходной трубопровод), в то время как одновременно поршень B поднимается (ход всасывания): впускной клапан B открывается (забирая воду из источника в цилиндр B), выпускной клапан B закрывается (предотвращая возврат воды из выхода в цилиндр B). На обратном ходе A и B меняются ролями.

В результате на выходе получается вода на каждом полуходе рабочей балки — почти непрерывный поток. Обратные клапаны являются критически важными компонентами: если любой впускной клапан протекает (допускает обратный поток на ходе нагнетания), цилиндр теряет заливку и подаёт воздух вместо воды. Если любой выпускной клапан протекает, давление нагнетания падает, и поток меняет направление на ходах всасывания. Изготавливайте все четыре обратных клапана с такой же тщательностью, как и сами цилиндры.

Цилиндры должны иметь гладкий, ровный внутренний канал, чтобы поршень эффективно уплотнялся. Бронза (сплав меди и олова, обычно 88–90% меди и 10–12% олова по массе) — подходящий материал: она устойчива к коррозии, может быть отлита почти в готовую форму и доведена расточкой и шабрением до гладкой внутренней поверхности. Отливайте каждый цилиндр как толстостенную трубку внутренним диаметром примерно 5 см, длиной 20 см и толщиной стенки 1,5 см. В помпе из Помпей использовались цилиндры диаметром примерно 4–5 см — достаточно большие, чтобы обеспечивать полезный расход 5–10 литров в минуту при 60 ходах в минуту.

После отливки расточите внутреннюю поверхность цилиндра до гладкости, используя деревянную расточную оправку с насаженным скребковым лезвием, приводимую в движение смычковой дрелью или ручным коловоротом. Работайте расточной оправкой длинными ходами, смазывая оливковым маслом, пока расточка не станет настолько гладкой, что пламя свечи, поднесённой внутрь, не будет показывать видимых раковин или выступов. Проверьте округлость расточки калибровочной пробкой (точёный бронзовый стержень на 0,5 мм меньше целевого диаметра расточки) — она должна свободно входить без качания.

Каждый поршень должен входить в расточку цилиндра с зазором 0,5–1 мм — достаточно плотно, чтобы кожаная набивка могла перекрыть зазор, и достаточно свободно, чтобы поршень не заклинивало от теплового расширения или небольшой неровности расточки. Точите или подпиливайте поршень до плотной посадки в цилиндр, постоянно проверяя его по самому цилиндру как по калибру. Поршни насоса в Помпеях представляли собой бронзовые диски высотой около 3 см, соединённые железными шатунами с балансиром привода наверху.

Выточите кольцевую канавку шириной 5 мм и глубиной 5 мм по наружной поверхности каждого поршня, примерно в 1 см от верха. Эта канавка принимает кожаную набивку, которая уплотняет зазор между поршнем и расточкой. Вырежьте полосу толстой растительно-дублёной кожи толщиной 2 мм, точно по длине окружности поршня и шириной 8 мм, замочите её в оливковом масле на 30 минут, чтобы она стала мягкой, затем вдавите её в канавку. Набухшая от масла кожа заполняет канавку и прижимается к стенке расточки, образуя герметичное рабочее уплотнение под давлением.

Каждый обратный клапан состоит из бронзового диска (седла клапана) с центральным отверстием диаметром 1,5 см и немного большего бронзового диска (заслонки) диаметром 2 см и толщиной 1 мм, расположенного так, чтобы перекрывать отверстие седла с одной стороны. Когда давление поступает снизу от седла, заслонка приподнимается и пропускает поток. Когда давление меняет направление, заслонка прижимается к отверстию седла и перекрывает обратный поток. Седло и заслонка должны быть притерты (отшлифованы вместе мелкоабразивной пастой — порошковым наждаком, смешанным с оливковым маслом) до получения плоскостного уплотнения без видимого просвета при просвечивании свечой.

В качестве альтернативы используйте шариковые обратные клапаны: бронзовый или железный шарик подшипника, немного большего диаметра, чем отверстие седла, свободно удерживаемый в клетке над седлом. Шарик опускается на седло под действием силы тяжести и обратного давления, перекрывая отверстие; прямое давление поднимает шарик с седла. Шариковые клапаны проще в изготовлении, чем клапаны с заслонкой, и менее склонны к заеданию. В помпейском насосе использовались клапаны с качающейся пластиной, похожие на конструкцию с заслонкой.

Каждому цилиндру требуются два корпуса клапанов: один внизу для впускного обратного клапана (забирает воду из источника в цилиндр на ходе всасывания) и один вверху для выпускного обратного клапана (подает воду в общий выпускной патрубок на ходе нагнетания). Корпус впускного клапана соединяется с погружённой во внешнюю воду впускной трубой или всасывающей трубкой, опущенной в источник воды. Корпус выпускного клапана соединяется с общей выпускной трубой, ведущей к точке выброса.

Отлейте или припаяйте корпуса клапанов из бронзы, с резьбовыми или прессовыми соединениями с торцами цилиндров. Впускной патрубок должен быть направлен вниз или в сторону; выпускной — вверх и подключаться к общему выпускному коллектору над обоими цилиндрами. Установите обратные клапаны в корпуса с правильной ориентацией: обратный клапан, установленный задом наперёд (блокирующий поток в цилиндр вместо блокировки обратного тока), является самой распространённой ошибкой сборки и приводит к тому, что насос не подаёт воду независимо от того, насколько правильно собрано всё остальное.

Общий выпускной коллектор представляет собой бронзовую коробку, которая принимает напорную подачу от обоих выпускных обратных клапанов и объединяет их в одну выпускную трубу. Он также служит воздушной камерой («гасителем пульсации»): замкнутый воздушный объём в коллекторе сжимается при росте давления нагнетания на каждом ходе поршня и расширяется во время полуцикла всасывания, сглаживая колебания давления и обеспечивая более ровный поток. Без этой воздушной подушки поток рывками и пульсирует с каждым ходом.

Отлейте коллектор с внутренним объёмом, приблизительно равным рабочему объёму одного цилиндра (площадь поршня, умноженная на длину хода). Предусмотрите съёмную пробку в верхней части, чтобы можно было дозаправить воздушную подушку воздухом, если со временем она заполнится водой. Подсоедините два выпускных клапана цилиндров к нижней части коллектора, а напорную трубу — к одной из его сторон. Диаметр напорной трубы должен быть не меньше диаметра цилиндра, чтобы не ограничивать выходной поток.

Рабочая балка представляет собой горизонтальный рычаг, закреплённый в центре на опорной стойке, при этом к каждому концу балки присоединён один шток поршня. Когда один конец балки опускается (опуская один поршень вниз), другой конец поднимается (поднимая другой поршень вверх). Это качательное движение приводит два цилиндра в точную противофазу: когда поршень A находится в нижней точке нагнетательного хода, поршень B находится в верхней точке хода всасывания, и наоборот. Балка должна быть достаточно жёсткой, чтобы передавать полное усилие насоса без прогиба.

Изготовьте балку из прямослойного дуба сечением примерно 5 см × 8 см и достаточной длины для обеспечения требуемого хода поршня. При ходе поршня 10 см концы балки должны перемещаться по вертикали на 10 см: при половине длины от оси до конца 60 см вертикальное перемещение конца 10 см требует углового поворота arcsin(10/60) ≈ 10°, что удобно для ручного привода. Закрепите балку на бронзовом пальце через опорный кронштейн из твёрдой древесины или бронзы, установленный над двумя цилиндрами и между ними.

Каждый поршень соединён с соответствующим концом балки железным штоком поршня диаметром примерно 1 см. Шток должен передавать усилие толкания (на ходе нагнетания) и усилие тяги (на ходе всасывания) — это означает, что шток попеременно работает на растяжение и сжатие, поэтому соединения на обоих концах должны быть жёсткими (нельзя полагаться только на силу тяжести для поддержания контакта). Верхний конец штока закрепите на балке железным шарнирным пальцем, проходящим через конец балки; нижний конец штока закрепите на поршне поперечным штифтом, проходящим через просверленное отверстие в днище поршня.

Шток поршня должен быть точно вертикален относительно цилиндра — любое угловое отклонение создаёт боковую нагрузку, которая прижимает поршень к стенке цилиндра, увеличивая трение и ускоряя износ кожаного уплотнения. Проверьте центровку, опустив поршень в цилиндр на штоке при среднем положении балки: шток должен висеть отвесно, не касаясь стенки цилиндра. Регулируйте положение оси балки или крепление цилиндра до достижения вертикальности.

Подсоедините корпуса впускных клапанов к общей всасывающей трубе (или к отдельным всасывающим трубкам), ведущей к источнику воды. Всасывающая труба должна быть герметичной: любая утечка воздуха на стороне всасывания означает, что поршень будет засасывать воздух вместо воды, и залив нарушится. Теоретический максимальный подъём воды всасыванием у любого поршневого насоса составляет 10,3 метра (что соответствует атмосферному давлению, поддерживающему столб воды), но на практике надёжным пределом является 5–6 метров при кожаных уплотнениях поршней и стыках, загерметизированных сосновой смолой, а не обработанным металлом.

Перед первым запуском залейте насос водой: полностью заполните цилиндры и корпуса клапанов водой, вливая её через съёмную пробку в верхней части каждого цилиндра. Заливочная вода создаёт жидкостное уплотнение, которое позволяет обратным клапанам работать, а поршням создавать давление всасывания. Без залива поршни лишь неэффективно сжимают и расширяют воздух — насос просто «дышит», не набирая воду. Для первых 20 ходов приводите балансир в движение медленно, вручную, чтобы воздушные пузыри вышли через выпускное отверстие, и только после этого переходите к полной рабочей скорости.

При 60 ходах в минуту (30 полных циклов качающегося балансира) с ходом поршня 10 см и диаметром цилиндра 5 см (рабочий объём за один ход = π/4 × 5² × 10 = 196 см³ ≈ 0,2 литра) теоретический расход составляет 0,2 × 30 × 2 цилиндра = 12 литров в минуту. Фактический расход будет составлять 70–80% от теоретического из-за утечек через клапаны, перетекания поршня и трения в трубопроводе — ожидаемый расход 8–10 литров в минуту. Это соответствует применению в римском пожаротушении: 10 литров в минуту — ощутимая струя при давлении 0,5–1 бар (манометрическое) через сопло диаметром 1,5 см.

Проверьте давление подачи, измерив высоту, на которую насос может выбрасывать воду из вертикальной открытой трубки, присоединённой к выходному коллектору. Расход 10 литров в минуту и напор подачи 5 метров (0,5 бар) соответствуют гидравлической мощности примерно 8 Вт — скромно по современным меркам, но достигнуто компактным ручным устройством массой примерно 15–20 кг, которым может управлять один человек. Римская версия для пожаротушения (сифон) использовала двух операторов у балансира для получения большего расхода.

Кожаные поршневые уплотнения являются наиболее трудоёмким в обслуживании компонентом. Кожаная набивка усыхает и твердеет при высыхании и хранении вне воды, теряя способность к уплотнению. Если насос будет выведен из эксплуатации более чем на неделю, перед хранением замочите кожаные уплотнения в льняном масле или животном жире, чтобы предотвратить высыхание. При повторном вводе в эксплуатацию перед попыткой заливки и запуска насоса выдержите его в воде в течение 30 минут — кожаному материалу нужно время, чтобы набухнуть до рабочих размеров уплотнения.

Притирка обратных клапанов (перешлифовка сопрягаемых поверхностей седла и клапана) должна выполняться ежегодно или всякий раз, когда производительность подачи снижается более чем на 25% по сравнению с показателями при вводе в эксплуатацию. Снимите заглушки корпуса клапана, извлеките клапанные пластины и перешлифуйте седло и пластину вместе мелкой наждачной пастой до тех пор, пока сопрягаемые поверхности не покажут равномерный серый контактный след по всему периметру седла без светлых (не прилегающих) участков. Идеально притёртый обратный клапан может удерживать противодавление 1 бар без утечек — проверяйте, подавая воздух с помощью меха, и убедитесь в отсутствии пузырей в месте соединения с помощью мыльной воды.

Римские вигилы (пожарная бригада) были учреждены Августом примерно в 6 г. н. э. и размещались в семи когортах по четырнадцати районам Рима. Каждая когорта имела несколько сифонов (нагнетательных насосов Ктесибия), установленных на колёсных повозках и заполнявшихся цепочкой ведёрок из ближайшей цистерны или точки водоотбора с акведука. Исторические источники описывают насосы, способные выбрасывать воду на пожары на первом этаже, что указывает на рабочее давление, достаточное для подъёма воды на 4–5 метров через насадку — что согласуется с расчётными параметрами данного чертежа.

Помпейский насос, ныне хранящийся в Национальном археологическом музее Неаполя (инв. 75202), остаётся лучше всего сохранившимся образцом: два бронзовых цилиндра внутренним диаметром 4,2 см, ход поршня 18 см, с качающимся балансиром, которым управляли рукоятками на каждом конце. Сохранившийся насос весит примерно 12 кг и при темпе работы одного человека мог подавать около 7–8 литров в минуту. Хроническая пожарная опасность в густо застроенных инсулах (многоквартирных домах) делала нагнетательный насос столь же важным элементом городской инфраструктуры, как и акведук, снабжавший город водой.