Рис. 33. Молочные центрифуги конструкций Прандтля (а) и Лефельдта (б).
А еще раньше сила вращения использовалась человеком на охоте и в военных сражениях. Ведь, согласно легенде, именно камнем, пущенным из раскрученной пращи, юноша Давид поразил великана Голиафа. Впрочем, о том, сколь действенно вращательное движение, можно судить и по сегодняшним примерам. Скажем, сопоставив спортивные результаты толкателей ядра и метателей молота. И тот и другой снаряд имеют одинаковую массу, но рекорд в первой дисциплине едва выходит за 23 метра, а вот метатели, раскрутив свой снаряд на 2-метровом тросе, посылают молот за отметку 86 метров.
Что же касается такой сугубо хозяйственной цели, как выделение сливок из молока, то здесь попытки приспособить могучую центробежную силу относятся лишь к середине XIX века. Начало теоретическим исследованиям в этой области положил голландский физик, механик и математик Христиан Гюйгенс, а первым, кто создал центробежное устройство, способное отделять сливки от молока, был профессор Фукс из немецкого города Карлсруэ. В 1859 году он предложил для этой цели центрифугу, представляющую собой вал с крестовиной, на которую подвешивались небольшие сосуды с молоком. Двумя годами позже его соотечественник Феск подал в Тельтовское сельскохозяйственное общество аналогичную заявку, не получившую, правда, практического воплощения. В 1864 году баварский пивовар Прандтль провел испытания своей центрифуги, в которой вокруг вертикальной металлической оси на крюках вращались два ведра с молоком (рис. 33, а).
Спустя десятилетие на международной сельскохозяйственной выставке в Бремене демонстрировалась установка Вильгельма Лефельдта, напоминавшая устройства Фукса и Прандтля. Горизонтальный диск этой центрифуги с подвешенными на крючках молочными ведрами (рис. 33, б) вращался с частотой 800— 1000 оборотов в минуту, что обеспечивало обработку одной порции молока в среднем за четверть часа. Как видим, конструкция получилась весьма громоздкой. Но уже через три года Лефельдт предложил усовершенствованную центрифугу, в которой главным рабочим звеном стал вертикальный, вращающийся вокруг своей оси цилиндр (рис. 34, а), приводимый в действие паровой поршневой машиной. Несомненно, это был шаг вперед, однако только на раскрутку центрифуги, вмещающей около 100 литров молока, требовалось почти полчаса и столько же времени уходило на ее остановку.
Подлинный же переворот в этой области произвела установка (рис. 35), предложенная шведским инженером Густавом Лавалем в 1878 году, которую он назвал сепаратором (от латинского separator — отделитель). С этим изобретением связана такая история. Лаваль жил по соседству с молочником, и тот однажды посетовал, что на выделение сливок из молока приходится тратить много времени. Инженеру подобная задача показалась интересной, он стал размышлять о ее решении и пришел к выводу, что процесс можно значительно ускорить, использовав центробежное ускорение. Для проверки своих предложений Лаваль применил специальный полый барабан, который наполняли цельным молоком и приводили в стремительное (с частотой около 6—7 тысяч оборотов в минуту) круговое вращение. В результате опыта обнаружилось, что жировые шарики (сливки) собираются в центре барабана, а сыворотка оттесняется к его краям. Первая, периодически действующая конструкция не получила широкого распространения, но ее рабочий орган — вращающийся цилиндр явился основой для дальнейших усовершенствований.
Рис. 34. Барабанная центрифуга Лефельдта (а) и приводной механизм ручного сепаратора (б):
1 — рукоятка; 2 — верхний горизонтальный вал, 3 — большая шестерня; 4 — малая шестерня; 5 — нижний горизонтальный вал; 6 — стопорный болт; 7 — червячное колесо, 8 — вертикальный вал (веретено) ; 9 — подшипник; 10 — упорная втулка, 11 — подпятник; 12 — горловой подшипник с амортизатором.
Рис. 35. Внешний вид сепаратора Лаваля.
Спустя год Густав Лаваль изготовил непрерывно действующий сепаратор, который со временем и прославил его имя. В этот период были сделаны многие предложения центрифуг различных систем (Бурмейстер и Вайн, Петерсен, Ленч и др.), но они не могли соперничать с сепаратором Лаваля, который получил широкое распространение в молочных хозяйствах разных стран. Популярности установки содействовали и попутные конструктивные изобретения и усовершенствования, сделанные талантливым шведским инженером. В 1883 году в качестве приводного механизма сепаратора Лаваль применил паровую турбину, на вал которой и насаживался вращающийся барабан. Лишь в дальнейшем изобретатель понял исключительное самостоятельное значение нового вида парового двигателя. Таким образом, появление паровых турбин, совершивших позднее своего рода революцию в энергетике, оказалось тесно связанным с молочным делом.
Работая над усовершенствованием сепаратора и паровой турбины, Лаваль сталкивался с немалыми трудностями технического порядка. Так, при значительной частоте вращения необходимо очень точно уравновесить ротор, а этого как раз и не удавалось добиться. Изобретатель увеличивал диаметр вала, делал его все более жестким, но каждый раз на испытаниях машина начинала вибрировать, а в результате установка выходила из строя.
В конце концов, убедившись, что увеличивать жесткость вала далее не имеет смысла, Лаваль находит весьма остроумное решение и избирает прямо противоположный путь. Он ставит опыт и насаживает массивный деревянный диск на ... камышовый стебель. И вдруг оказалось, что податливый гибкий вал при вращении уравновешивается сам собой! Лаваль записывает: «Опыт с камышом удался...» Тот же принцип самобалансировки Лаваль применил в своем сепараторе, установив в его механизме упругий горловой подшипник, который и позволил избежать биений сепараторного барабана. Благодаря этому в предназначенной для длительной эксплуатации машине была достигнута совершенно необычная для того времени (конец XIX века) рабочая частота вращения — порядка 6 тысяч оборотов в минуту. В 1886 году Лаваль создал сепаратор малой производительности с ручным приводом, обеспечивающим вдвое большую частоту вращения барабана (рис. 34,6).
В современных жидкостных сепараторах, особенно когда речь идет о крупных промышленных установках, упругость опоры вертикального вала достигается самыми различными способами. Поэтому необходимо учитывать, что единственной силой, предопределяющей свойство сепаратора самобалансироваться, является сила упругости.
На рубеже прошлого и нашего веков многие изобретатели из разных стран подавали заявки на те или иные усовершенствования конструкций сепараторов. Но из их большого числа следует особо выделить патент 1888 года, выданный немецкому изобретателю Бехтольсгейму на сепараторные тарельчатые вставки, которые представляли собой набор конусных тарелочек. Предложение Бехтольсгейма получило название «Альфа-патента», так как первые вставки изготовлялись из стали марки «Альфа». Пакет тарелок сепараторного барабана, который и теперь часто называют альфа-устройством, изобретатель продемонстрировал в 1889 году на выставке в Магдебурге.
Применение альфа-устройства, разделяющего молоко (или другую сложную жидкость) на тонкие слои, позволило вдвое увеличить производительность молочных сепараторов. Заметим, что из всех форм вставок, предусмотренных патентом, в современных конструкциях сепараторных барабанов почти исключительно используют конические тарелки. В 1891 году