Водяное колесо для чего
Водяное колесо
С древнейших времен люди нуждались в силе, в двигателях, которые помогали бы выкорчевывать деревья, приводили бы в действие приспособления для подачи воды на поля, пахали землю, вращали жернова, мелющие зерно. В странах Древнего Востока, в Египте, Индии, Китае для этой цели уже в 3-м тыс. до н.э. использовались водяное колесо.
Наличие водяных мельниц на северо-востоке и юго-западе древней Руси отмечается в исторических документах, относящихся к XIII веку.
Типы водяных колес
Подливные водяные колеса могли работать почти в любых относительно обильных потоках с умеренной скоростью воды, но наиболее эффективны они были в узких протоках.
При использовании верхнебойных колес вода падала сверху на лопасти (или черпаки), приделанные к ободу колеса, что намного увеличило его мощность. Это колесо можно было устанавливать не только на реках, но и на отводных каналах, применять в разных отраслях промышленности — сукноделии, горнорудном, металлургическом и бумажном производствах.
Сначала водяные колеса изготовлялись полностью деревянными, затем начали делать отдельные части и детали, прежде всего вал, из металла, главным образом железа. Постепенно растет и мощность гидродвигателя за счет увеличения его размеров: диаметра, ширины. Совершенствование гидродвигателя позволило значительно улучшить его технические характеристики: КПД, мощность, срок службы.
Применение водяного колеса
Широкое распространение водяные мельницы получили в Средневековье, особенно при монастырях. Бенедикт Нурсийский предписывал каждому монастырю обзавестись водяной мельницей.
Конструкция пилы дОнекура основанная на использовании движущей силы воды.
Принцип использования движущей силы воды, а так же устройства водяного колеса, легли в основу ряда проектов первых двигателей.
Водяные колёса в Древнем мире
Воду можно использовать как источник энергии с помощью различных приспособлений, но наиболее распространённым является устройство, представляющее собой колесо с лопастями или черпаками. Такое колесо можно устанавливать горизонтально или вертикально.
В эпоху Древнего мира использовали и горизонтальные, и вертикальные водяные колеса, но ни те, ни другие не получили широкого распространения. Например, в книге «De architectura» (I в. до н. э.) римский архитектор Марк Витрувий Поллио дал описание водяного (подливного) колеса как редко используемого технического устройства. Вообще в древних документах упоминания об использовании энергии воды приводятся очень редко. В это время инженеры использовали вращательное движение водяного колеса в двух целях – для помола зерна и в качестве черпаковых подъёмников воды – норий. Арабское «наора» (араб. ريعاونلا ), от которого затем произошло испанское нориа (noria), собственно и означает «подливное водяное колесо».
В качестве водоподъёмных устройств водяные колёса получили широкое распространение в первую очередь на Ближнем Востоке в эллинистическую эпоху, к которой относится самое раннее упоминание о них в техническом трактате «Pneumatica» греческого «инженера» Филона Византийского (около 280–220 гг. до н. э.). Речь в трактате идёт о механизме осушения доков Александрии. Римляне применяли колёса для откачки воды из шахт. Например, в испанских медных рудниках Рио Тинто вода откачивалась с горизонта –24 м системой из 16 норий.
Дренажная система рудников Рио Тинто
В нориях передаточные механизмы не применялись. В первых водяных мельницах шестерни также не использовались: небольшое горизонтальное колесо с лопастями укреплялось на нижнем конце вертикального вала, а верхний конец вала соединялся непосредственно с жерновом. В последствии в мукомольных мельницах использовалась ортогональная передача.
Шестерни, установленные на оси колеса, позволяли передать вращательное движение из вертикальной плоскости в горизонтальную и сообщить вращение жерновам. Использование коленчатого вала и шатуна для организации возвратно-поступательного движения впервые было применено римлянами на лесопилке в малоазиатском г. Иераполисе (территория современной Турции).
Водяные колёса могут вращаться либо в горизонтальной плоскости на вертикальной оси, либо в вертикальной плоскости на горизонтальной оси. Горизонтально вращающиеся колёса – предшественники гидравлических турбин – часто называли скандинавскими мельницами. Постройка мельниц такого типа обходилась недорого, но они были маломощными (менее 1 л. с.), а коэффициент их полезного действия (КПД) составлял всего 5–15 %, поэтому скандинавские мельницы не получили широкого распространения и применялись только для помола зерна.
Водяные колеса различных конструкций: а – горизонтальное; б – подливное; в – верхнебойное
Ранние вертикальные колёса были подливного типа, они приводились в движение потоком воды снизу. Достоинство подливных колёс – простота изготовления и установки. Подливные колёса имели на ободе плоские закругленные лопасти и могли работать почти в любых обильных потоках с умеренной скоростью воды, но наиболее эффективны они были в узких протоках. Эти вертикальные колёса были в 3–5 раз мощнее горизонтальных, а их КПД достигал 30 %.
Водяная мукомольная мельница с горизонтальным колесом. I в.
В конструкции верхнебойных колёс вода падала сверху в черпаки, приделанные к ободу колеса. В этом случае колесо приводилось в движение не столько за счет удара воды, сколько под действием силы тяжести. Внизу вода выливалась из черпаков, они поднимались вверх, вновь наполнялись водой, и процесс повторялся. Строительство верхнебойных колёс обходилось дороже, чем подливных или горизонтального типа, поскольку для них требовался большой напор воды, для создания которого необходимо было сооружать плотины, запруды и поднимать уровень русла водного канала. В наиболее благоприятных условиях – на мелководье при высоте падения воды от 3 до 12 м – вертикальные колеса имели коэффициент полезного действия 50–70 %, а их мощность в зависимости от условий работы составляла от 2 до 40 л. с.
Основная трудность водяных колес заключается в их зависимости от проточной воды, что ограничивает их местонахождение. Современные плотины гидроэлектростанций можно рассматривать как потомков водяного колеса, поскольку они тоже используют движение воды вниз по склону.
СОДЕРЖАНИЕ
Водяные колеса бывают двух основных типов:
Последние могут быть подразделены в зависимости от того, где вода попадает в колесо, на овершот (тангаж), грудной выстрел, недокус и струйные колеса. Термин «недокус» может относиться к любому колесу, где вода проходит под колесом, но обычно подразумевает, что попадание воды на колесо низкое.
Гидравлические колеса с перебросом и наклоном подходят для небольшого ручья с перепадом высот более 2 метров (6,5 футов), часто в сочетании с небольшим водохранилищем. Колеса для плавного выстрела и недокус могут использоваться на реках или в больших водотоках с большими водохранилищами.
Резюме типов
Вертикальная ось
Горизонтальное колесо с вертикальной осью.
Транслировать
Колеса Stream дешевле и проще в сборке, и меньше влияют на окружающую среду, чем другие типы колес. Они не представляют собой серьезного изменения реки. Их недостатками являются низкий КПД, а это означает, что они вырабатывают меньше энергии и могут использоваться только при достаточной скорости потока. Типичное плоское колесо с недвыпуском использует около 20 процентов энергии потока воды, ударяющего по колесу, по измерениям английского инженера-строителя Джона Смитона в 18 веке. Более современные колеса имеют более высокий КПД.
Колеса Stream практически не получают преимущества от напора, разницы в уровне воды.
Исторически они были очень неэффективными, но большие успехи были достигнуты в восемнадцатом веке.
Колесо недокус
Термин недокус иногда используется со связанными, но разными значениями:
Это самый старый тип вертикального водяного колеса.
Колесо нагрудного выстрела
Для них характерны:
Используются как кинетическая (движение), так и потенциальная (рост и вес) энергия.
Небольшой зазор между колесом и каменной кладкой требует, чтобы колесо для грудного выстрела имело хорошую решетку для мусора («экран» на британском английском языке), чтобы предотвратить застревание мусора между колесом и фартуком и потенциально серьезное повреждение.
Колесо перебега
Вертикально установленное водяное колесо, которое вращается водой, поступающей из ведер сразу за верхнюю часть колеса, называется промахом. Этот термин иногда ошибочно применяют к колесам с обратным ударом, когда за рулем стекает вода.
В типичном колесе с перегрузом вода направляется к колесу вверху и немного дальше оси. Вода собирается в ведрах на этой стороне колеса, что делает его тяжелее, чем другая «пустая» сторона. Вес вращает колесо, и вода вытекает в нижнюю часть воды, когда колесо вращается достаточно, чтобы переворачивать ведра. Конструкция овершота очень эффективна, она может достигать 90% и не требует быстрого потока.
Колесо обратного выстрела
Направление вращения колеса обратного выстрела такое же, как у колеса грудного выстрела, но в других отношениях оно очень похоже на колесо перестрела. См. ниже.
Гибридный
Овершот и бэкшот
Некоторые колеса имеют промах вверху и обратный выстрел внизу, тем самым потенциально объединяя лучшие черты обоих типов. На фотографии показан пример на заводе Finch Foundry в Девоне, Великобритания. Верхняя рама представляет собой деревянную конструкцию, расположенную наверху, а ветвь слева подает воду к колесу. Вода выходит из-под колеса обратно в ручей.
Обратимый
Особым типом колеса с переворотом / обратным выстрелом является реверсивное водяное колесо. У него есть два набора лопастей или ведер, работающих в противоположных направлениях, так что он может вращаться в любом направлении в зависимости от того, в какую сторону направлена вода. Реверсивные колеса использовались в горнодобывающей промышленности для приведения в действие различных средств транспортировки руды. Изменяя направление вращения колеса, бочки или корзины с рудой можно было поднимать или опускать вниз по валу или наклонной плоскости. На оси колеса обычно находился тросовый барабан или цепная корзина. Важно, чтобы на колесе было тормозное оборудование для остановки колеса (известное как тормозное колесо). Самый старый известный рисунок обратимого водяного колеса был нарисован Георгием Агриколой и датируется 1556 годом.
История
Как и во всех машинах, в водоподъемных устройствах вращательное движение более эффективно, чем колебательное. Что касается источника энергии, водяные колеса могут вращаться либо силами человека или животных, либо самим водным потоком. Водяные колеса бывают двух основных типов: с вертикальной или горизонтальной осью. Последний тип может быть подразделен, в зависимости от того, где вода попадает на лопасти колеса, на колеса с недокусом, смещением и смещением. Двумя основными функциями водяных колес были исторически подъем воды для орошения и помола, особенно зерна. В случае горизонтально-осевых мельниц для передачи мощности требуется система зубчатых колес, в которой вертикально-осевые мельницы не нуждаются.
западный мир
Греко-римский мир
Примерно в 300 году нашей эры нория была наконец представлена, когда деревянные отсеки были заменены недорогими керамическими горшками, которые были привязаны к внешней стороне колеса с открытой рамой.
Первое четкое описание водяной мельницы с приводом дает римский архитектор Витрувий в конце I века до н. Отчет Витрувия особенно ценен тем, что он показывает, как возникла водяная мельница, а именно в результате объединения отдельных греческих изобретений зубчатого колеса и водяного колеса в одну эффективную механическую систему для использования энергии воды. Водяное колесо Витрувия описывается как погруженное нижним концом в водоток, так что его лопасти могли приводиться в движение скоростью текущей воды (X, 5.2).
Раннесредневековая Европа
Внутренняя инвентаризация английских заводов c. 1086
Локации
Экономическое влияние
К 11 веку в некоторых частях Европы эксплуатация воды была обычным явлением. Считается, что водяное колесо активно сформировало и навсегда изменило мировоззрение жителей Запада. Европа начала переход от мускульного труда человека и животных к механическому труду с появлением водяного колеса. Медиевист Линн Уайт-младший утверждала, что распространение неодушевленных источников энергии было красноречивым свидетельством появления на Западе нового отношения к власти, работе, природе и, прежде всего, технологиям.
Применение водяного колеса
Европа 17-го и 18-го веков
Промышленная Европа
Водное колесо было движущей силой самых ранних этапов индустриализации Британии. Гидравлические возвратно-поступательные устройства использовались в ударных молотах и сильфонах доменных печей. Водная рама Ричарда Аркрайта приводилась в движение водяным колесом.
Самым мощным водяным колесом, построенным в Соединенном Королевстве, было водяное колесо Quarry Bank Mill мощностью 100 л.с. недалеко от Манчестера. Он был снят с производства в 1904 году и заменен несколькими турбинами. Сейчас он отреставрирован и открыт для публики.
Развитие водяных турбин во время промышленной революции привело к снижению популярности водяных колес. Основное преимущество турбин заключается в том, что их способность закреплять напор намного больше диаметра турбины, в то время как водяное колесо не может эффективно закреплять напор больше своего диаметра. Переход от водяных колес к современным турбинам занял около ста лет.
Северная Америка
В некоторой степени похожи были рыболовные колеса, использовавшиеся на северо-западе Америки и на Аляске, которые вылавливали лосося из потока рек.
Китай
Индия
Исламский мир
Современные разработки
Гидравлическое колесо
Эффективность
Разработка гидравлических турбинных колес с их повышенным КПД (> 67%) открыла альтернативный путь для установки водяных колес на существующих мельницах или реконструкции заброшенных мельниц.
Сила колеса
Энергия, доступная колесу, состоит из двух компонентов:
Кинетическую энергию можно учесть, преобразовав ее в эквивалентный напор, скоростной напор, и прибавив к фактическому напору. Для неподвижной воды скоростной напор равен нулю, а для медленно движущейся воды в хорошем приближении им можно пренебречь, и им можно пренебречь. Скорость в хвостовой гонке не принимается во внимание, потому что для идеального колеса вода будет уходить с нулевой энергией, что требует нулевой скорости. Это невозможно, вода должна уходить от колеса и представляет собой неизбежную причину неэффективности.
Количество и единицы
Измерения
Формулы
Эмпирические правила
Грудь и перекус
Традиционные колёса с недостаточным вылетом
Гидравлическая реактивная турбина части колеса
Университет Саутгемптона Факультете гражданского строительства и охраны окружающей среды в Великобритании исследовал оба типа колесных машин Гидравлические и оценили их эффективность гидравлической системы и предлагаемые улучшения, т.е. Rotary Гидравлические машины высокого давления. (Расчетный максимальный КПД 85%).
Гидравлические колеса этого типа обладают высокой эффективностью при частичных нагрузках / переменных расходах и могут работать при очень низком напоре, Примечания