Сообщение на тему водяное колесо
Обновлено: 07.07.2024
Рис. 4.1. Виды водяных колес
На водяной мельнице, самая простая и привычная земная работа – размол зерна – осуществлялась как бы сама собой, без монотонного и тяжелого труда рабынь, растирающих зерно между камнями. До нашего времени дошли стихи одного из античных поэтов, македонянин Антипатр Фесалоникский, посвятил водяной мельнице дошедшую до наших времен оду, свидетельствующую о древности этого устройства:
Нужно сказать, что применение водяных мельниц в Элладе было довольно ограниченным – технические потребности того времени вполне обеспечивались энергетически мускульной силой рабов и домашних животных.
Первое упоминание о водяной мельнице в Центральной Европе относится к 340 году – тогда одна из них была запущена на Мозеле. В VI веке водяная мельница появляется во Франции – она заработала в Дижоне. В Англии водяная мельница появилась примерно в VIII веке.
Первое упоминание о гидросиловой установке в Москве относится к 1389 г.: Дмитрий Донской завещает своей жене село с мельницей на реке Яуза. Первое упоминание об использовании водяного колеса не для помола зерна, а для производства бумаги в нашей стране датируется 1564 г. Недавно в Москве на берегу реки Хапиловки, убранной в трубу, сооружен памятник легендарному мельнику Хапило, который изображен на фоне водяного колеса.
По всей вероятности толчком для создания помимо необходимости иметь устройство для помола зерна явилось наблюдение за действием потока воды на подвижные и неподвижные деревянные предметы: стволы деревьев, перегородки каналов, опоры мостов и т. д. Витрувий довольно подробно описывает устройство и изготовление водяного колеса для мукомольной мельницы. К валу из тщательно обтесанного или обточенного на токарном станке бревна прикрепляются радиально четыре или восемь досок, которые соединяются с двумя плоскими кольцевыми щеками. Между щек укрепляются радиально или с наклоном плоские лопасти или лопатки. Часто, при малых размерах, щеки отсутствуют. Концы вала обиваются железом. Вал устанавливается на станине в подшипниках, которые изнутри также обиваются железом. Вал может располагаться вертикально (тогда колесо вращается в горизонтальной плоскости) или горизонтально (тогда колесо вращается в вертикальной плоскости. В первом случае вода к колесу подводится по специальному каналу, во втором случае колесо находится непосредственно в реке. Вертикальный вал легко соединяется с мельничными жерновами, однако скорость вращения водяного колеса (до 8 оборотов в мин.) мала для большинства орудий. В случае же применения зубчатой передачи преимущество колес с горизонтальной осью становится бесспорным. Поэтому этот вид водяного колеса стал очень быстро основным. Иногда вместо боковых щек вал соединялся с цилиндрическим ободом, на наружной поверхности которого размещались лопатки.
Мощность горизонтально расположенного колеса с вертикальным валом не превышала 1 л.с., коэффициент полезного действия составлял от 5 % до 15 %.Наибольшее распространение получили подливные или нижнебойные колеса и наливные или верхнебойные. Первые были проще и требовали меньше затрат на изготовление. Подливные колеса могли работать в любых потоках при умеренной величине скорости воды. Наиболее эффективны они были в узких протоках и каналах. Мощность нижнебойного колеса обычно составляла 3–5 л.с., а кпд – 20–30 %. В верхнебойных колесах вода падала сверху на лопатки или на черпаки, приделанные к ободу колеса. Колесо приводилось в движение как за счет ударного действия струи воды, так и под действием силы тяжести. Для работы верхнебойных колес нужно поднимать уровень воды при помощи плотин, поэтому затраты на сооружение мельницы были больше, чем при использовании подливных колес. Разумеется, повышались и показатели эффективности. При высоте падения воды от 3 до 12 метров верхнебойные колеса имели коэффициент полезного действия 50–70 % при мощности до 40 л.с.
Иногда применялись среднебойные колеса, в которых вода подводилась сверху, но не к верхней точке колеса, а к средней. Такие машины требовали меньших строительных затрат. Самое мощное в мире водяное колесо (450 л.с.) было построено по этой схеме в России в г. Нарве. Диаметр колеса был 9,2 м., ширина – 7,6 м. При напоре около 5 м. частота вращения достигала 4 оборотов в минуту.
Первые водяные колеса делались целиком из дерева. В XIX в. появились металлические колеса, они были более быстроходными: до 20 оборотов в минуту у колес для прокатных станов.
Рис. 4.2. Средневековое водяное колесо
Витрувий так описывает водяное колесо:
На рис. показано старинное сирийское водоподъёмное колесо – нория.
Древние греки поняли, что вращающееся водяное колесо может не только поднимать воду, но и совершать другую полезную работу, если его ось соединить с каким-нибудь механизмом. От этой догадки оставался лишь шаг до изобретения водяной мельницы. И этот шаг был сделан. В Древней Греции и Риме водяные колеса уже использовались для вращения мельничных жерновов.
Один из поэтов той эпохи – македонянин Антипатр Фессалоникский, живший в I столетии до н.э., – посвятил водяной мельнице оду:
Дайте рукам отдохнуть, мукомолки;
спокойно дремлите,
Хоть бы про близкий рассвет громко
петух голосил:
Нимфам пучины речной ваш труд
поручила Деметра; Как зарезвились они обод крутя колеса!
Видите? Ось завертелась, а оси
крученые спицы С рокотом движут глухим тяжесть
двух пар жерновов. Снова нам век наступил золотой:
без труда и усилий Начали снова вкушать дар мы
Деметры святой.
Водяной двигатель стал использоваться и для пиления досок. и именно это произвело революцию в судостроении.
Мертвая царевна и Семеро Грезящих
Гунны, Народ, пришедший с Ямала. Аттила, каган гуннов из рода Вельсунгов
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.
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.
Бог проявил щедрость,
когда подарил миру такого человека.
Светлане Плачковой посвящается
Издание посвящается жене, другу и соратнику, автору идеи, инициатору и организатору написания этих книг Светлане Григорьевне Плачковой, что явилось её последним вкладом в свою любимую отрасль – энергетику.
Книга 1. От огня и воды к электричеству
3.2. Водяные колеса и их эволюция
Витрувий так описывает водяное колесо:
На рис. 3.3 показано старинное сирийское водоподъёмное колесо – нория.
Древние греки поняли, что вращающееся водяное колесо может не только поднимать
воду, но и совершать другую полезную работу, если его ось соединить с каким-нибудь механизмом. От этой догадки оставался лишь шаг до изобретения водяной мельницы. И этот шаг был сделан. В Древней Греции и Риме водяные колеса уже использовались для вращения мельничных жерновов.
Рис. 3.2. Китайское водочерпальное колесо
Рис. 3.3. Старинное сирийское водоподъёмное колесо – нория
Один из поэтов той эпохи – македонянин Антипатр Фессалоникский, живший в I столетии до н.э., – посвятил водяной мельнице оду:
Дайте рукам отдохнуть, мукомолки;
спокойно дремлите,
Хоть бы про близкий рассвет громко
петух голосил:
Нимфам пучины речной ваш труд
поручила Деметра; Как зарезвились они обод крутя колеса!
Видите? Ось завертелась, а оси
крученые спицы С рокотом движут глухим тяжесть
двух пар жерновов. Снова нам век наступил золотой:
без труда и усилий Начали снова вкушать дар мы
Деметры святой.
Рис. 3.4. Старинная водяная мельница
Наиболее древняя конструкция водяного колеса приводилась в движение давлением текущей воды на лопатки (ковши) в нижней его части.
До сих пор эксплуатируется водохранилище комплексного использования Бенде Эмир (Иран), имеющее тысячелетнюю историю.
Водяные колеса все время совершенствовались. Были придуманы довольно сложные устройства и передаточные механизмы, которые позволяли использовать силу воды не только для помола зерна, но и для производства самых различных работ. Водяные колеса вращают станки, приводят в движение кузнечные меха, помогают металлургам поднимать руду из шахт. Вот как в рукописи VIII в. описывается использование энергии небольшой реки:
Вскоре ситуация резко меняется. Диакон Павел Алеппский, сопроводавший летом 1654 года антиохийского патриарха Макария в путешествии по Украине, в описании приходит в восторг от кипучей жизненности страны. В частности, писателя приводили в удивление и восторг множество домашней птицы и животных, особенно свиней, огромные и разнообразные посевы, сады и огороды, рыбные пруды и мельницы с толчеями. В ХVII в. водяные мельницы получили широкое распространение на территории Украины.
Мельницы (млыны) становятся атрибутикой украинского пейзажа (рис. 3.5).
Для приведения в движение водяных колес использовалась также сила прилива. Приливные мельницы появились в ХI в. на побережье Адриатического моря, а также в Англии и Франции. Так, в Англии в устье р.Дебен до сих пор работает мельница, первое упоминание о которой имеется в записях Вудбриджского прихода в 1170 г.
К более поздним временам относится сохранившаяся жалованная грамота Ивана Грозного, в которой упоминается о приливных
мельницах, построенных Никитой Павловым на берегу Белого моря в Усть-Золотице, а также в других местах.
Именно в средние века основным энергетическим источником во всех видах производства становится энергия воды. Привычными стали машины, которые при помощи энергии воды точили металлы, ткали полотно, пилили доски и волочили проволоку.
Уже в конце XII в. в Нюрнберге были широко распространены шерстобойни, в которых металлические пальцы для трепания шерсти приводились в движение водяным колесом. К 1351 г. относится изобретение первого вододействующего стана для изготовления железной проволоки. В рукописи Виллара де Оннекура 1245 года описана первая лесопилка, приводимая водяным колесом.
На рудниках главной заботой была проблема водоотлива. В качестве движущей силы вода была незаменимым помощником рудокопа. Попадая в шахту, она становилась его лютым врагом, угрожала его жизни и мешала работать. Днем и ночью на мокрых, скользких шахтных лестницах по двое в ряд стояли водоносы, которые из рук в руки передавали друг другу кожаные ведра: пустые – вниз, полные – наверх. На водоотливе было занято до 200 человек в смену, а всего – 600. Из документов 1535 года видно, что водоотлив посредством кожаных ведер обходился в 14 тыс. гульденов ежегодно. Как текущие эксплуатационные расходы – сумма по тем временам прямо-таки чудовищная.
Рис. 3.5. Водяная мельница в Украине (с картины 1900 г.)
В 1550 году в Аугсбурге существовала очень сложная система городского водоснабжения: водяные колеса подавали воду при помощи архимедовых винтов на городскую водокачку, откуда она по разветвленной системе трубопроводов попадала в дома. Водоснабжение Лондона в течение 250 лет осуществлялось приливной мельницей, сооруженной в 1583 году немецким инженером Питером Морисом.
Постепенно конструкция водяного колеса совершенствуется, и оно становится основным двигателем в мануфактурном производстве, превращаясь в гидравлический двигатель, преобразующий энергию воды в механическую энергию, например, вращающегося вала.
Рис. 3.6. Швацкая машина
Рис. 3.7. Переливное колесо, использовавшееся для привода механизмов
Рис. 3.8. Водяные колеса с корытообразными лопастями а – подливное; б – переливное
Рис. 3.9. Водяные колеса: а – нижнебойное; б – среднебойное; в – верхнебойное
Волне послушны, лопасти стучат Стоящего над берегом колосса, И медленно тяжелые колеса Вращаются, одно другому в лад.
Так пишет о водяной мельнице итальянский поэт середины ХVII в. Бартоломео Дотти.
В ХVII–XIX вв. в эпоху промышленной революции большое количество водохранилищ строится в промышленных районах Западной Европы, а также России для водоснабжения, водного транспорта, обеспечения растущих потребностей в механической энергии за счет использования водной энергии. Водяные колеса широко применяются во всех видах производства на заводах, рудниках, приводя в движение насосы, молоты, воздуходувные меха, вагонетки, рудоподъемники и другие механизмы, обеспечивают снабжение водой городов.
Различаются три типа водяных колес, располагаемых на горизонтальном валу: нижнебойные (подливные), среднебойные и верхнебойные (переливные или наливные) (рис. 3.9). Применяемые колеса были тихоходны (до 4–10 оборотов в минуту) и в основном малой (до 20 л.с.) мощности.
Рис. 3.10. Мутовчатая мельница
Постепенно осуществляется переход к более производительным верхнебойным колесам, начали применять металл для валов и других деталей, увеличивался диаметр колеса для повышения мощности гидравлического двигателя.
В первой половине XVIII в. строятся уже огромные водяные колеса. В Шотландии в Гриноке на большой бумагопрядильне у устья р. Клайд работало железное водяное колесо диаметром более 21 м и шириной около 4 м. На острове
Мэн в Англии было построено колесо еще большего диаметра. К середине XVIII в. водяные колеса распространились повсюду (рис. 3.11).
Рис. 3.11. Водяное колесо XVII в.
В России в XVI в. на р. Лахоме в районе Вычегды действовала железоплавильня с плотиной и гидросиловой установкой для ковки железа.
Рис. 3.12. Водяное колесо XVII в. с нижним подводом воды, приводящее в действие кузнечный молот и меха
Рис. 3.13. Схема действия гидросилового комплекса XVIII в. К.Д. Фролова: 1 – плотина; 2 – водозабор; 3 – водоподвод; 4 – водяные колеса; 5 – пилорама; 6 – рудоподъемник Екатерининской шахты; 7 – рудоподъемник Воскресенской шахты; 8 – главный ствол Екатерининской шахты; 9 – главный ствол Воскресенской шахты; 10 – цепной механизм рудоподъемника; 11 – штанги приводов насосов; 12 – насосы; 13 – Александровский штрек
В 1763–1765 гг. был построен каскад установок с водяными колесами на р. Кораблихе, а в 1783–1789 гг. на Змеиногорском руднике на Алтае изобретателем К.Д. Фроловым (1726–1800) был введен в действие комплекс из трех водоподъемных установок, в том числе с верхнебойным водяным колесом диаметром 17 м.
Плотина высотой 18 м, которая подняла воды р. Кораблихи, до сих пор выполняет свои
функции. Змеиногорский комплекс гидротехнических сооружений (рис. 3.13) поражает своими масштабами. Даже сейчас можно наблюдать исполинские искусственно созданные залы, в которых когда-то вращались колоссальные по размерам водяные колеса.
В Эстонии гидросиловая установка Кренгольской мануфактуры на р. Нарове суммарной мощностью 6 МВт была в 1890 г. крупнейшей в мире.
В период XVII–XVIII вв. все возрастающую потребность развивающейся промышленности в энергии могло обеспечить только водяное колесо. Водяные двигатели становились все более мощными и более совершенными, их КПД достигал 60–70%. Однако не все производства можно было разместить у реки, при эксплуатации водяных колес возникали трудности, связанные с изменчивостью стока реки в течение года. Тихоходные водяные колеса требовали достаточно сложных передаточных механизмов для увеличения скорости вращения станков.
Изобретение парового двигателя и его триумфальное шествие с конца XVIII в. существенно снизило использование водяных колес в производстве XIX в. Возрождение водяного колеса на новой основе в виде гидравлической турбины произошло в XX в., когда наступила эпоха электроэнергетики и водяную мельницу заменила ГЭС.
Читайте также: