Побудова насосу Ктесібія — перший дводіючий поршневий насос

Насос подвійної дії має два циліндри, що працюють у паралельній протифазі. Позначте їх Циліндр A і Циліндр B. Коли поршень A рухається вниз (хід нагнітання): впускний клапан A закривається (запобігаючи зворотному потоку до джерела води), випускний клапан A відкривається (витісняючи воду в спільну вихідну трубу), тоді як одночасно поршень B рухається вгору (хід всмоктування): впускний клапан B відкривається (втягуючи воду з джерела в циліндр B), випускний клапан B закривається (запобігаючи поверненню води з виходу в циліндр B). Під час зворотного ходу A і B міняються ролями.

Результат полягає в тому, що на виході вода надходить на кожному половинному ході робочої балки — майже безперервна подача. Зворотні клапани є найважливішими компонентами: якщо будь-який впускний клапан протікає (допускає зворотний потік на ході нагнітання), циліндр втрачає заливання і подає повітря замість води. Якщо будь-який випускний клапан протікає, тиск нагнітання падає, і потік змінює напрямок під час ходів всмоктування. Виготовляйте всі чотири зворотні клапани з такою ж ретельністю, як і самі циліндри.

Циліндри повинні мати гладку, однорідну внутрішню поверхню, щоб поршень ефективно ущільнював. Бронза (сплав міді та олова, зазвичай 88–90% міді та 10–12% олова за масою) є правильним матеріалом — вона стійка до корозії, її можна відливати майже до потрібної форми, а внутрішню гладку поверхню можна отримати розточуванням і шабруванням. Відливайте кожен циліндр як товстостінну трубу приблизно 5 см внутрішнім діаметром, 20 см завдовжки та зі стінкою товщиною 1,5 см. Помпа з Помпеїв використовувала циліндри приблизно 4–5 см у діаметрі — достатньо великі, щоб забезпечувати корисну витрату 5–10 літрів на хвилину при 60 ходах на хвилину.

Після відливання розточіть внутрішню частину циліндра до гладкого стану, використовуючи розточну оправку з твердої деревини з насадженим скребковим лезом, що приводиться в дію лучковим свердлом або ручним коловоротом. Працюйте розточною оправкою довгими ходами, змащуючи оливковою олією, доки отвір не стане настільки гладким, що полум'я свічки, піднесеного всередину, не показуватиме видимих ямок або нерівностей. Перевірте круглість отвору калібрувальною пробкою (точеним бронзовим стрижнем на 0,5 мм менше цільового діаметра отвору) — вона має вільно входити без хитання.

Кожен поршень має щільно входити в циліндричний отвір із зазором 0,5–1 мм — достатньо тісним, щоб шкіряна набивка могла ущільнити зазор, і достатньо вільним, щоб поршень не заклинювало від теплового розширення або незначної нерівності отвору. Точіть або підпилюйте поршень до щільної посадки в циліндрі, постійно перевіряючи з фактичним циліндром як калібром. Поршні насоса Помпеї були бронзовими дисками приблизно 3 см заввишки, з’єднаними залізними шатунами з робочою балкою над ними.

Виточіть по зовнішній поверхні кожного поршня кільцеву канавку шириною 5 мм і глибиною 5 мм, приблизно за 1 см від верхнього краю. Ця канавка приймає шкіряну набивку, що ущільнює зазор між поршнем і отвором. Виріжте смужку товстої шкіри, дубленої рослинними дубильними речовинами (товщиною 2 мм), довжиною точно за периметр поршня та шириною 8 мм, замочіть її в оливковій олії на 30 хвилин, щоб зробити м’якою, а потім вжміть у канавку. Набухла від олії шкіра заповнює канавку і прилягає до стінки циліндра, утворюючи герметичне ущільнення під час роботи.

Кожен зворотний клапан складається з бронзового диска (сідла клапана) з центральним отвором діаметром 1,5 см та трохи більшого бронзового диска (клапана-заслінки) діаметром 2 см і товщиною 1 мм, розміщеного так, щоб накривати отвір сідла з одного боку. Коли тиск рухається знизу від сідла, заслінка піднімається і пропускає потік. Коли тиск змінюється на зворотний, заслінка щільно прилягає до отвору сідла і зупиняє зворотний потік. Сідло і заслінка мають бути притерті (відшліфовані разом дрібним абразивним пастоподібним складом — порошкоподібним наждаком, змішаним з оливковою олією), доки не утворять плоске прилягання без видимого просвіту світла, якщо піднести їх до свічки.

Як альтернативу використовуйте кулькові зворотні клапани: бронзову або залізну кульку трохи більшу за отвір сідла, вільно утримувану в клітці над сідлом. Кулька опускається на сідло під дією сили тяжіння та зворотного тиску, перекриваючи отвір; прямий тиск піднімає кульку з сідла. Кулькові клапани простіші у виготовленні, ніж клапани-заслінки, і менш схильні до заїдання. Помпа в Помпеях використовувала поворотні клапани-пластини, подібні до конструкції із заслінкою.

Кожному циліндру потрібні два корпуси клапанів: один внизу для впускного зворотного клапана (забирає воду з джерела в циліндр під час ходу всмоктування) і один угорі для випускного зворотного клапана (подає воду до спільного виходу під час ходу нагнітання). Корпус впускного клапана під'єднується до зануреної впускної труби або всмоктувальної трубки, зануреної у джерело води. Корпус випускного клапана під'єднується до спільної вихідної труби, що веде до точки видачі.

Відлийте або припаяйте корпуси клапанів з бронзи, з різьбовими або пресовими з'єднаннями до торців циліндрів. Впускне з'єднання має бути спрямоване вниз або вбік; випускне — вгору і під'єднуватися до спільного вихідного колектора над обома циліндрами. Установіть зворотні клапани в їхніх корпусах з правильною орієнтацією — зворотний клапан на впуску, встановлений навпаки (блокуючи потік у циліндр замість блокування зворотного потоку), є найпоширенішою помилкою збирання і призводить до того, що насос не подає воду незалежно від того, наскільки правильно зроблено все інше.

Загальний вихідний колектор — це бронзова камера, яка приймає напірний потік від обох вихідних зворотних клапанів і об'єднує їх в один вихідний трубопровід. Він також служить повітряною камерою («демпфером пульсацій»): закрита повітряна порожнина в колекторі стискається, коли тиск нагнітання зростає при кожному ході поршня, і розширюється під час половини ходу всмоктування, згладжуючи коливання тиску та забезпечуючи більш рівномірний потік. Без цієї повітряної подушки потік стрибає й пульсує з кожним ходом.

Відлийте колектор з внутрішнім об'ємом, приблизно рівним робочому об'єму одного циліндра (площа поршня, помножена на довжину ходу). Передбачте знімну пробку у верхній частині для можливості повторного заповнення повітряної подушки повітрям, якщо вона з часом заповниться водою. Підключіть два вихідні клапани циліндрів до нижньої частини колектора, а нагнітальний трубопровід — до однієї з боків. Діаметр нагнітального трубопроводу має бути не меншим за діаметр циліндра, щоб не обмежувати вихідний потік.

Робоча балка — це горизонтальний важіль, закріплений у центрі на опорній стійці, при цьому один шатун поршня з'єднаний з кожним кінцем балки. Коли один кінець балки опускається (натискаючи один поршень вниз), інший кінець піднімається (тягнучи інший поршень вгору). Цей рух гойдалки приводить два циліндри в точну протилежність — коли поршень A знаходиться внизу свого нагнітального ходу, поршень B знаходиться вгорі свого всмоктувального ходу, і навпаки. Балка повинна бути достатньо жорсткою, щоб передавати повне зусилля накачування без прогину.

Виготовте балку з дуба з прямим волокном приблизно 5 см × 8 см у перерізі та достатньої довжини для забезпечення потрібної довжини ходу. Для ходу поршня 10 см кінці балки повинні переміщатися по вертикалі на 10 см — при половині довжини 60 см від осі обертання до кінця вертикальне переміщення кінця 10 см вимагає кутового повороту arcsin(10/60) ≈ 10°, що зручно для ручного приводу. Закріпіть балку на бронзовому штифті через твердодерев'яний або бронзовий опорний кронштейн, встановлений над двома циліндрами та між ними.

Кожен поршень з'єднаний з відповідним кінцем балансира залізним штоком поршня діаметром приблизно 1 см. Шток має передавати силу штовхання (на ході нагнітання) і силу тягування (на ході всмоктування) — це означає, що шток почергово працює на розтяг і стиск, тому з'єднання на обох кінцях має бути жорстким (не покладатися лише на силу тяжіння для утримання контакту). Закріпіть верхній кінець штока на балансирі залізним шарнірним пальцем (кліво) через кінець балансира; закріпіть нижній кінець штока на поршні поперечним штифтом через просвердлений отвір у денці поршня.

Шток поршня має бути точно вертикальним відносно циліндра — будь-яке кутове відхилення створює бічне навантаження, яке притискає поршень до стінки циліндра, збільшуючи тертя та прискорюючи зношування шкіряного ущільнення. Перевірте співвісність, опустивши поршень у циліндр на штоку, коли балансир знаходиться в середньому положенні: шток має висіти вертикально, не торкаючись стінки циліндра. Регулюйте положення осі балансира або кріплення циліндра, доки не буде досягнуто вертикальності.

Під'єднайте корпуси впускних клапанів до спільної всмоктувальної труби (або окремих всмоктувальних трубок), що веде до джерела води. Всмоктувальна труба має бути повітронепроникною — будь-яке протікання повітря на стороні всмоктування означає, що поршень засмоктує повітря замість води, і заповнення порушується. Теоретична максимальна висота всмоктування будь-якого поршневого насоса становить 10,3 метра (що дорівнює атмосферному тиску, який утримує стовп води), але на практиці надійною межею є 5–6 метрів за умови використання шкіряних ущільнень поршнів і з'єднань, ущільнених соснової смолою, а не механічно обробленим металом.

Заповніть насос водою перед першим використанням: повністю наповніть циліндри та корпуси клапанів водою, наливаючи її через знімну пробку у верхній частині кожного циліндра. Вода для заповнення створює рідинне ущільнення, яке дозволяє зворотним клапанам працювати, а поршням створювати тиск всмоктування. Без заповнення поршні стискають і розширюють повітря неефективно — насос просто «дихає», не засмоктуючи воду. Для перших 20 ходів приводьте балансир в рух повільно вручну, щоб бульбашки повітря вийшли через вихідний отвір, перш ніж переходити на повну робочу швидкість.

При 60 ходах на хвилину (30 повних циклів коромисла) з ходом поршня 10 см і діаметром циліндра 5 см (робочий об'єм за хід = π/4 × 5² × 10 = 196 см³ ≈ 0,2 літра) теоретична витрата становить 0,2 × 30 × 2 циліндри = 12 літрів на хвилину. Фактична витрата становитиме 70–80% від теоретичної через витоки в клапанах, перетікання повз поршень і тертя в трубах — очікується 8–10 літрів на хвилину. Це відповідає римському застосуванню для гасіння пожеж: 10 літрів на хвилину є значним струменем при подачі під манометричним тиском 0,5–1 бар через сопло діаметром 1,5 см.

Перевірку тиску подачі проводять, вимірюючи висоту, на яку насос може підняти воду з вертикальної відкритої трубки, приєднаної до вихідного колектора. Витрата 10 літрів на хвилину та висота подачі 5 метрів (0,5 бар) відповідають гідравлічній потужності близько 8 ват — скромно за сучасними мірками, але досягнуто в компактному ручному пристрої масою приблизно 15–20 кг, яким може керувати одна людина. Римська версія для гасіння пожеж (сіфо) використовувала двох операторів на коромислі для вищих витрат.

Шкіряні ущільнення поршня потребують найбільшого обслуговування. Шкіряна набивка усихає і твердне, якщо висихає і знаходиться поза водою, втрачаючи здатність ущільнювати. Якщо насос буде виведено з експлуатації на понад тиждень, перед зберіганням замочіть шкіряні ущільнення в лляній олії або тваринному жирі, щоб запобігти висиханню. Після повторного введення в експлуатацію знову замочіть насос у воді на 30 хвилин перед спробою заливання та запуску — шкірі потрібен час, щоб набухнути до розмірів, необхідних для ущільнення.

Притирання зворотних клапанів (повторне шліфування контактних поверхонь сідла та клапана) слід виконувати щорічно або щоразу, коли продуктивність подачі знижується більш ніж на 25% порівняно з показниками під час введення в експлуатацію. Вийміть пробки корпусу клапана, витягніть клапанні заслінки та перешліфуйте сідло і заслінку разом дрібною наждачною пастою, доки контактні поверхні не покажуть рівномірну сіру пляму контакту по всьому периметру отвору сідла без світлих (неконтактних) ділянок. Ідеально притертий зворотний клапан може утримувати зворотний тиск 1 бар без витоку — перевіряйте, подаючи повітря за допомогою міха, і переконайтеся, що в місці з'єднання немає бульбашок у мильній воді.

Римські vigiles (пожежна команда) були засновані Августом близько 6 року н. е. і розміщувалися у семи когортах по чотирнадцяти районах Рима. Кожна когорта мала кілька sipho (поршневих насосів Ктесібія), встановлених на возах з колесами, які наповнювалися ланцюгом відрів з найближчої цистерни або точки відбору води з акведука. Історичні джерела описують насоси, здатні спрямовувати воду на пожежі на першому поверсі, що свідчить про робочий тиск, достатній для підйому води на 4–5 метрів через сопло — відповідно до розрахункових параметрів цього креслення.

Помпейський насос, нині зберігається в Національному археологічному музеї Неаполя (інвентарний номер 75202), залишається найкраще збереженим зразком: два бронзові циліндри внутрішнім діаметром 4,2 см, ходом поршня 18 см, з балансиром, що приводився в дію ручками на кожному кінці. Збережений насос важить близько 12 кг і міг подавати приблизно 7–8 літрів на хвилину за швидкості качання однією людиною. Хронічна пожежна небезпека в щільно забудованих insulae (багатоквартирних будинках) робила поршневий насос таким же критично важливим для міської інфраструктури, як і акведук, що постачав воду.