Водяное колесо

Историческое водяное колесо с промахом в Вельцхайме , Германия.

Водяное колесо, приводящее в движение шахтный подъемник в De re Metallica (1566 г.)

Водяное колесо - это машина для преобразования энергии текущей или падающей воды в полезные формы энергии, часто в водяной мельнице . Водяное колесо состоит из колеса (обычно сделанного из дерева или металла) с несколькими лопастями или ковшами, расположенными на внешнем ободе, образующем движущуюся машину.

Водяные колеса все еще использовались в коммерческих целях и в 20 веке, но они больше не используются. Он использовался для измельчения муки на мельницах , измельчения древесины в целлюлозу для производства бумаги , ковки кованого железа , механической обработки, дробления руды и измельчения волокна для использования в производстве ткани .

Некоторые водяные колеса питаются водой из мельничного пруда, который образуется при перекрытии проточного ручья. Канал для воды, текущей к водяному колесу или от него, называется мельницей . Гонка, доставляющая воду из мельничного пруда к водяному колесу, - это забег ; тот, который несет воду после того, как он покинул колесо, обычно называют отводом . ^[1]

В середине и конце 18 века научное исследование водяного колеса, проведенное Джоном Смитоном, привело к значительному повышению эффективности, обеспечивая столь необходимую мощность для промышленной революции . ^{[2] [3]}

На смену водяным колесам пришла меньшая, менее дорогая и более эффективная турбина , разработанная Бенуа Фурнейроном , начиная с его первой модели в 1827 году. ^[3] Турбины способны выдерживать высокие напоры или возвышения , которые превышают возможности практического использования. размер водяных колес.

Основная трудность водяных колес заключается в их зависимости от проточной воды, что ограничивает их местонахождение. Современные плотины гидроэлектростанций можно рассматривать как потомков водяного колеса, так как они тоже используют движение воды вниз по склону.

Типы [ править ]

Гидравлические колеса бывают двух основных типов: ^[4]

• горизонтальное колесо с вертикальной осью; или же
• вертикальное колесо с горизонтальной осью.

Последние могут быть подразделены в зависимости от того, где вода попадает в колесо, на обратный выстрел (тангаж ^[5] ), овершот, грудной выстрел, недокус и струйные колеса. ^{[6] [7] [8]} Термин «недокус» может относиться к любому колесу, где вода проходит под колесом ^[9], но обычно подразумевает, что попадание воды на колесо низкое.

Гидравлические колеса с перебросом и обратным выстрелом обычно используются там, где возможная разница высот превышает пару метров. Колеса для грудного шота больше подходят для больших потоков с умеренным напором . Подвод и колесо потока используют большие потоки при небольшом напоре или без него.

Часто к нему присоединяется мельничный пруд , резервуар для хранения воды и, следовательно, энергии до тех пор, пока она не понадобится. Головки большего размера накапливают больше гравитационной потенциальной энергии для того же количества воды, поэтому резервуары для колес с перебросом и обратным выстрелом обычно меньше, чем для колес с грудным выстрелом.

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.

Сводка типов [ править ]

Вертикальная ось [ править ]

Горизонтальное колесо с вертикальной осью.

Обычно называют ванночку колеса , скандинавская мельницу или греческие мельницы , ^{[10] [11]} горизонтальное колесо является примитивной и неэффективной формой современной турбины. Однако, если он обеспечивает необходимую мощность, эффективность имеет второстепенное значение. Обычно он монтируется внутри здания мельницы под рабочим этажом. Струя воды попадает на лопасти водяного колеса, заставляя их вращаться. Это простая система, обычно без зубчатой ​​передачи, так что вертикальная ось водяного колеса становится приводным шпинделем мельницы. ^{[ необходима цитата ]}

Поток [ править ]

Роторное колесо ^{[6] [12]} представляет собой вертикально установленное водяное колесо, которое вращается водой в потоке воды, ударяя по лопастям или лопастям в нижней части колеса. Этот тип водяного колеса является самым старым типом колеса с горизонтальной осью. ^{[ необходима цитата ]} Они также известны как колеса со свободной поверхностью, потому что вода не ограничивается мельницами или колесной ямой. ^{[ необходима цитата ]}

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. ^[13] Более современные колеса имеют более высокий КПД.

Колеса Stream практически не получают преимущества от напора, разницы в уровне воды.

Роторные колеса, установленные на плавучих платформах, часто называют опорными колесами, а мельницу - судовой мельницей . Иногда их устанавливали сразу после мостов, где ограничение потока опор моста увеличивало скорость течения. ^{[ необходима цитата ]}

Исторически они были очень неэффективными, но большие успехи были достигнуты в восемнадцатом веке. ^[14]

Undershot wheel [ править ]

Подводное колесо - это вертикально установленное водяное колесо с горизонтальной осью, которое вращается водой из невысокой плотины, ударяющейся о колесо в нижней четверти. Большая часть энергии получается за счет движения воды и сравнительно немного - за счет головы. Они похожи по принципу действия и конструкции на ручные колеса.

Термин недокус иногда используется со связанными, но разными значениями:

• все колеса, где вода проходит под колесом ^[15]
• колеса, где вода поступает в нижнюю четверть.
• колеса, на которых лопасти помещаются в поток ручья. См. Поток выше. ^{[16] [12]}

Это самый старый тип вертикального водяного колеса.

Колесо нагрудного выстрела [ править ]

Слово « выстрел в грудь» используется по-разному. Некоторые авторы ограничивают этот термин колесами, в которые вода входит в положение около 10 часов, другие - 9 часов, а третьи - диапазоном высот. ^{[ необходима цитата ]} В этой статье он используется для колес, где вход воды значительно выше дна и значительно ниже верха, обычно в средней половине.

Для них характерны:

• ведра тщательно продуманы, чтобы свести к минимуму турбулентность при попадании воды
• ведра с вентилируемыми отверстиями сбоку для выхода воздуха при попадании воды
• каменный «фартук», плотно прилегающий к поверхности колеса, который помогает удерживать воду в ведрах по мере их движения вниз

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.

Колеса для грудного выстрела менее эффективны, чем колеса для овер-шота и обратного выстрела, но они могут выдерживать высокие скорости потока и, следовательно, большую мощность. Они предпочтительны для устойчивых потоков большого объема, таких как линия падения на восточном побережье Северной Америки. Колеса для груди - самый распространенный тип в Соединенных Штатах Америки ^{[ необходима цитата ],} и, как говорят, они привели в движение промышленную революцию. ^[14]

Колесо перескока [ править ]

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 с перерегулированием очень эффективна, она может достигать 90% ^{[ необходима цитата ]} и не требует быстрого потока.

Почти вся энергия получается за счет веса воды, опускаемой на хвостовую часть, хотя небольшой вклад может вносить кинетическая энергия воды, поступающей в колесо. Они подходят для больших головок, чем другие типы колес, поэтому они идеально подходят для холмистой местности. Однако даже самое большое водяное колесо, колесо Лакси на острове Мэн , использует напор всего около 30 м (100 футов). Самая большая в мире головная турбина, гидроэлектростанция Bieudron в Швейцарии , использует около 1869 м (6 132 футов).

Колеса с перебегом требуют большой головки по сравнению с другими типами колес, что обычно означает значительные затраты на создание обоймы головок. Иногда конечный подход воды к колесу происходит по желобу или напорный , который может быть длительным.

Колесо обратного выстрела [ править ]

Колесо с обратным ударом (также называемое « тангаж» ) - это разновидность колеса с переворотом, когда вода вводится непосредственно перед вершиной колеса. Во многих ситуациях его преимущество заключается в том, что нижняя часть колеса движется в том же направлении, что и вода в хвостовой части, что делает его более эффективным. Он также работает лучше, чем колесо с перегрузом в условиях наводнения, когда уровень воды может затопить нижнюю часть колеса. Он будет продолжать вращаться до тех пор, пока вода в колесной яме не поднимется достаточно высоко на колесе. Это делает метод особенно подходящим для потоков, которые испытывают значительные колебания потока, и снижает размер, сложность и, следовательно, стоимость хвостовой части.

Направление вращения колеса обратного выстрела такое же, как у колеса грудного выстрела, но в других отношениях оно очень похоже на колесо перестрела. Смотри ниже.

Гибрид [ править ]

Овершот и бэкшот [ править ]

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. Головная гонка представляет собой деревянную конструкцию, расположенную наверху, а ветвь слева подает воду к колесу. Вода выходит из-под колеса обратно в ручей.

Реверсивный [ править ]

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 [ править ]

Как и во всех машинах, в водоподъемных устройствах вращательное движение более эффективно, чем колебательное. ^[17] Что касается источника энергии, водяные колеса могут вращаться либо силой человека или животного, либо самим потоком воды. 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, наклоном и недокусом. Двумя основными функциями водяных колес исторически были 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 [ править ]

Греко-римский мир [ править ]

В древние греки изобрели водяное колесо и были вместе с римлянами , первым использовать его практически во всех формах и функции , описанные выше, в том числе и его применение для watermilling. ^[18] Технологический прорыв произошел в технически продвинутый и научно ориентированный эллинистический период между 3-м и 1-м веками до нашей эры. ^[19]

Водоподъемный

Водяное колесо с отсеками бывает двух основных форм: колесо с корпусом с отсеками ( лат. Tympanum ) и колесо с ободом с отсеками или обод с отдельными прикрепленными контейнерами. ^[17] Колеса могли вращать либо люди, наступающие на него снаружи, либо животные с помощью механизма сакии . ^[20] В то время как барабанная перепонка имела большую пропускную способность, она могла поднимать воду только до высоты, меньшей, чем ее собственный радиус, и требовала большого крутящего момента для вращения. ^[20] Эти конструктивные недостатки были преодолены колесом с отсеченным ободом, которое было менее тяжелой конструкцией с более высокой подъемной силой. ^[21]

Самое раннее литературное упоминание о водяном колесе с отсеками встречается в техническом трактате « Пневматика» (глава 61) греческого инженера Филона Византийского (ок. 280–220 до н. Э.). ^[22] В своей « Параскевастике» (91.43–44) Филон советует использовать такие колеса для заглубления осадных мин в качестве меры защиты от подрыва врага. ^[23] Комбинированные колеса, по-видимому, использовались для осушения сухих доков в Александрии во времена правления Птолемея IV (221–205 гг. До н. Э.). ^[23] Несколько греческих папирусов.в 3–2 веках до нашей эры упоминают об использовании этих колес, но не приводят дополнительных подробностей. ^[23] Отсутствие устройства на Древнем Ближнем Востоке до завоевания Александра может быть выведено из его явного отсутствия в богатой в остальном восточной иконографии практики орошения. ^{[24] [25] [26] [27] Однако, в} отличие от других водоподъемных устройств и насосов того периода, изобретение разделенного колеса не может быть связано с каким-либо конкретным эллинистическим инженером и, возможно, было сделано в конце 4 века до нашей эры. в сельской местности вдали от мегаполиса Александрии. ^[28]

Самое раннее изображение отсеченного колеса находится на гробнице в птолемеевском Египте, которая датируется II веком до нашей эры. На нем изображена пара запряженных в упряжь быков, ведущих колесо через шестерню из сакии , которая здесь также впервые засвидетельствована. ^[29] Греческая зубчатая система сакия уже показана полностью развитой до такой степени, что «современные египетские устройства практически идентичны». ^[29] Предполагается, что ученые Александрийского музея , в то время самого активного греческого исследовательского центра, могли быть вовлечены в его изобретение. ^[30] Эпизод из Александрийской войны.в 48 г. до н.э. повествует о том, как враги Цезаря использовали водяные колеса с зубчатыми колесами, чтобы выливать морскую воду с возвышенностей на позиции захваченных римлян. ^[31]

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. ^[28]

Римляне широко использовали водяные колеса в горнодобывающих проектах, а огромные водяные колеса римской эпохи находили в таких местах, как современная Испания . Это были гидравлические колеса с обратным овершотом, предназначенные для осушения глубоких подземных выработок. ^{[ необходима цитата ]} Несколько таких устройств описаны Витрувием , в том числе водяное колесо с обратным переворотом и винт Архимеда . Многие из них были обнаружены во время современной добычи на медных рудниках Рио-Тинто в Испании.Одна система состоит из 16 таких колес, установленных друг над другом, чтобы поднимать воду на расстояние около 80 футов от шахты. Часть такого колеса была найдена в Долаукоти , римском золотом руднике в Южном Уэльсе в 1930-х годах, когда рудник был ненадолго вновь открыт. Он был обнаружен на глубине около 160 футов под поверхностью, значит, он должен был быть частью последовательности, аналогичной той, что была обнаружена в Рио-Тинто. Недавно он был датирован углеродом.примерно до 90 г. н.э., а поскольку древесина, из которой она была сделана, намного старше, чем глубокая шахта, вполне вероятно, что глубокие выработки начали действовать примерно через 30-50 лет после этого. Из этих примеров дренажных колес, найденных в герметичных подземных галереях в удаленных друг от друга местах, становится ясно, что создание водяных колес было вполне в пределах их возможностей, а такие вертикальные водяные колеса обычно используются в промышленных целях.

Водяная мельница

Принимая во внимание косвенные свидетельства работы греческого техника Аполлония из Перге , британский историк технологий М. Дж. Т. Льюис датирует появление водяной мельницы с вертикальной осью началом 3 века до н.э., а водяной мельницы с горизонтальной осью - около 240 г. до н.э. с Византией и Александрией как назначенными местами изобретения. ^[32] По словам греческого географа Страбона (ок. 64 г. до н.э. - 24 г. н.э.), водяная мельница существовала где-то до 71 г. до н.э. во дворце понтийского царя Митридата VI Евпатора , но точное ее устройство не может быть почерпнуто из текста ( XII, 3, 30 С 556). ^[33]

Первое четкое описание водяной мельницы с приводом дает римский архитектор Витрувий в конце I века до н.э., который рассказывает о системе зубчатых колес из сакии, применяемой в водяной мельнице. ^[34] Отчет Витрувия особенно ценен тем, что он показывает, как возникла водяная мельница, а именно путем объединения отдельных греческих изобретений зубчатого колеса и водяного колеса в одну эффективную механическую систему для использования энергии воды. ^[35] Водяное колесо Витрувия описывается как погруженное своим нижним концом в водоток, так что его лопасти могли приводиться в движение скоростью текущей воды (X, 5.2). ^[36]

Примерно в то же время колесо с переворотом впервые появляется в стихотворении Антипатра Фессалоникийского , который восхваляет его как средство экономии труда (IX, 418.4–6). ^[37] Этот мотив также используется Лукрецием (ок. 99–55 до н. Э.), Который сравнивает вращение водяного колеса с движением звезд на небосводе (V 516). ^[38] Третий тип с горизонтальной осью, водяное колесо грудной клетки, попадает в археологические находки в контексте конца 2 века нашей эры в центральной Галлии . ^[39] Большинство раскопанных римских водяных мельниц были оснащены одним из этих колес, которые, хотя и были более сложными в изготовлении, были гораздо более эффективными, чем водяное колесо с вертикальной осью. ^[40]Во II веке нашей эры в комплексе водяных мельниц Барбегала серия из шестнадцати овершотных колес питалась от искусственного акведука, протоиндустриальной зерновой фабрики, которую называли «величайшей известной концентрацией механической энергии в древнем мире». ^[41]

В римской Северной Африке было найдено несколько установок примерно 300 г. н.э., где водяные колеса с вертикальной осью, снабженные угловыми лопастями, были установлены на дне заполненной водой круглой шахты. Вода из мельницы-гонщика, которая входила в яму по касательной, создавала водоворот, который заставлял полностью погруженное колесо действовать как настоящие водяные турбины , самые ранние из известных на сегодняшний день. ^[42]

Навигация

Помимо использования в фрезеровании и подъеме воды, древние инженеры применяли гребное водяное колесо для автоматов и в навигации. Витрувий (X 9.5–7) описывает лопаточные колеса с несколькими зубчатыми колесами, работающие в качестве судового одометра , самого раннего в своем роде. Первое упоминание о гребных колесах как средства передвижения происходит из военного трактата 4–5 веков De Rebus Bellicis (глава XVII), где анонимный римский автор описывает военный корабль с гребными колесами, запряженными быками. ^[43]

Раннесредневековая Европа [ править ]

Древние технологии водяного колеса не ослабевали и в раннесредневековый период, когда появление новых документальных жанров, таких как своды законов , монашеские хартии , а также агиография, сопровождалось резким увеличением количества упоминаний о водяных мельницах и колесах. ^[44]

Самый ранний вертикальный руль в приливной мельнице от 6-го века Killoteran около Waterford , Ирландия , ^[45] в то время как первая известная горизонтально-колесо такого типа мельницы от ирландского Литтл Айленд (с. 630). ^[46] Что касается использования в обычных норвежских или греческих мельницах, самые старые известные горизонтальные колеса были обнаружены в ирландском Балликиллине, датируясь ок. 636. ^[46]

Самым ранним водяным колесом, которое было выкопано при помощи приливной энергии, была мельница в монастыре Нендрум в Северной Ирландии, которая датируется 787 годом, хотя, возможно, более ранняя мельница датируется 619 годом. Приливные мельницы стали обычным явлением в эстуариях с хорошим диапазоном приливов как в Европе, так и в Америке в целом. используя подколесные диски.

В частности, в цистерцианских монастырях водяные колеса широко использовались для приведения в действие водяных мельниц многих видов. Ранним примером очень большого водяного колеса является до сих пор сохранившееся колесо в Real Monasterio de Nuestra Senora de Rueda начала 13 века , цистерцианском монастыре в регионе Арагон в Испании . Зерновые мельницы (для кукурузы), несомненно, были самыми распространенными, но были также лесопилки, сукновальные мельницы и мельницы для выполнения многих других трудоемких задач. Водяное колесо оставалось конкурентоспособным с паровым двигателем даже в период промышленной революции.. Примерно в 8-10 веках ряд ирригационных технологий были привезены в Испанию и, таким образом, внедрены в Европу. Одной из таких технологий является Noria, представляющая собой колесо с ковшами на периферии для подъема воды. Он похож на водяное колесо с недокусом, которое упоминается далее в этой статье. Это позволило крестьянам более эффективно использовать водяные мельницы. Согласно книге Томаса Глика « Орошение и общество в средневековой Валенсии» , нория, вероятно, возникла где-то в Персии . Он использовался на протяжении веков, прежде чем технология была принесена в Испанию арабами, которые переняли ее у римлян. Таким образом, распространение Нории на Пиренейском полуострове «соответствует зоне стабильного исламского поселения». ^[47]Эта технология имеет огромное влияние на жизнь крестьян. Строить Noria относительно дешево. Таким образом, это позволило крестьянам более эффективно обрабатывать землю в Европе. Вместе с испанцами технология распространилась в Новый Свет, в Мексику и Южную Америку после испанской экспансии.

Внутренняя инвентаризация английских заводов c. 1086 [ править ]

Собрание созывается Вильгельмом Нормандского , который обычно называют « Domesday » или обследованиями Doomsday, взяла инвентаризацию все потенциально налогооблагаемого имущество в Англии, который включал более шести тысяч станов распространения через три тысяч разных мест. ^[48]

Места [ править ]

Выбранный тип водяного колеса зависел от местоположения. Как правило, если бы были доступны только небольшие объемы воды и высокие водопады, слесарь предпочел бы использовать колесо с перерегулированием . На решение повлияло то, что ведра могли улавливать и использовать даже небольшой объем воды. ^[49] Для больших объемов воды с небольшими водопадами можно было бы использовать колесо с подрезкой, так как оно было более приспособлено к таким условиям и дешевле в строительстве. Пока этих запасов воды было много, вопрос об эффективности оставался неактуальным. К 18 веку, с повышенным спросом на электроэнергию в сочетании с ограниченными водными ресурсами, упор был сделан на схему повышения эффективности. ^[49]

Экономическое влияние [ править ]

К 11 веку в некоторых частях Европы эксплуатация воды была обычным явлением. ^[48] Считается, что водяное колесо активно сформировало и навсегда изменило мировоззрение жителей Запада. Европа начала переходить 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. ^[48]

Использование гидроэнергии позволило повысить продуктивность сельского хозяйства, излишки продовольствия и крупномасштабную урбанизацию, начиная с 11 века. Польза энергии воды мотивировала европейские эксперименты с другими источниками энергии, такими как ветряные и приливные мельницы. ^[50] Водяные колеса повлияли на строительство городов, в частности каналов. Методы, разработанные в этот ранний период, такие как затор ручьев и строительство каналов , поставили Европу на путь, ориентированный на гидравлику , например, технологии водоснабжения и орошения были объединены для изменения мощности подачи колеса. ^[51] Показывая, в какой степени технологические инновации отвечали растущим потребностямфеодальное государство .

Применение водяного колеса [ править ]

Водяная мельница использовалась для измельчения зерна, производства муки для хлеба, солода для пива или грубого помола для каши. ^[52] Молотковые дробилки использовали колесо для работы с молотками. Один типа был Фуллинг мельницы , которая была использована для ткани решений. Поездка молоток был также использован для изготовления кованого железа и для работы железа в полезные формы, деятельность , которая была иначе трудоемким. Водяное колесо также использовалось в производстве бумаги , при измельчении материала до состояния целлюлозы. В 13 веке водяные мельницы, используемые для молотка по всей Европе, повысили производительность производства ранней стали. Наряду с мастерством обращения с порохом, гидроэнергетика обеспечивала европейским странам военное лидерство во всем мире с 15 века.

Европа 17-го и 18-го веков [ править ]

Миллрайтс проводил различие между двумя силами, импульсом и весом, действовавшими в водяных колесах задолго до Европы 18-го века. Фицхерберт, писатель-земледелец 16-го века, писал: «Друйет колесо, как с силой воды, так и с силой [импульсом]». ^[53] Леонардо да Винчи также обсуждал гидроэнергетику, отмечая, что «удар [воды] - это не вес, а возбуждает силу веса, почти равную его собственной силе». ^[54] Однако даже понимание двух сил, веса и импульса, оставалось замешательством по поводу преимуществ и недостатков этих двух, и не было четкого понимания превосходной эффективности веса. ^[55]До 1750 года не было уверенности в том, какая сила преобладает, и широко понималось, что обе силы действуют друг с другом с равным вдохновением. ^[56] Водяное колесо вызвало вопросы о законах природы, в частности о законах силы . Работа Евангелисты Торричелли о водяных колесах использовала анализ работы Галилея о падающих телах, согласно которому скорость воды, вырывающейся из отверстия под ее головой, была точно эквивалентна скорости, которую приобрела капля воды, свободно падая с той же высоты. ^[57]

Индустриальная Европа [ править ]

Водное колесо было движущей силой самых ранних этапов индустриализации Британии. Гидравлические возвратно-поступательные устройства применялись в ударных молотах и ​​сильфонах доменных печей. Водная рама Ричарда Аркрайта приводилась в движение водяным колесом. ^[58]

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.

Самое большое рабочее водяное колесо в континентальной Британии имеет диаметр 15,4 м (51 фут) и было построено компанией De Winton из Кернарфона. Он расположен в пределах мастерских Dinorwic в Национальном музее сланца в Лланберис , Северный Уэльс .

Крупнейшее колесо рабочей воды в мире является Лакси колеса (также известная как Леди Изабелла ) в селе Лакси , остров Мэн . Это 72 фута 6 дюймов (22,10 м) в диаметре и 6 футов (1,83 м) в ширину и поддерживается Национальным наследием острова Мэн .

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 [ править ]

Гидравлические колеса использовались для приводов в действие лесопильных заводов, мельниц и для других целей во время развития Соединенных Штатов. Водяное колесо диаметром 40 футов (12 м) в Маккой, штат Колорадо , построенное в 1922 году, является сохранившимся из многих, которое поднимало воду для орошения из реки Колорадо .

Двумя ранними улучшениями были колеса подвески и обод. Колеса подвески сконструированы так же, как колесо велосипеда, обод поддерживается под натяжением ступицы - это привело к получению более легких колес, чем в прежней конструкции, где тяжелые спицы находились под давлением. Зубчатая передача заключалась в добавлении зубчатого колеса к ободу или бандажу колеса. Короткая шестерня зацеплялась с ободом и передавала мощность в мельницу с помощью независимого линейного вала. Это сняло вращательное напряжение с оси, которая, таким образом, могла быть легче, а также обеспечило большую гибкость в расположении силовой передачи. Вращение вала было увеличено по сравнению с вращением колеса, что привело к меньшим потерям мощности. Пример этого дизайна, изобретенного Томасом Хьюисом и усовершенствованного Уильямом Фэйрберном.можно увидеть на отреставрированном колесе 1849 года на складе Портлендского бассейна . ^[59]

В некотором роде были рыболовные колеса, используемые на американском Северо-Западе и на Аляске, которые подняли лосось из потока рек.

Китай [ править ]

Китайские водяные колеса почти наверняка имеют отдельное происхождение, поскольку раньше всегда были горизонтальные водяные колеса. По крайней мере, к I веку нашей эры китайцы из династии Восточная Хань использовали водяные колеса для измельчения зерна в мельницах и для приведения в действие поршневых сильфонов при ковке железной руды в чугун .

В тексте, известном как Синь Лунь, написанном Хуан Таном около 20 года нашей эры (во время узурпации Ван Манга ), говорится, что легендарный мифологический король, известный как Фу Си, был ответственным за пестик и ступку, которые превратились в наклонную. - молоток, а затем отбойный молоток (см. отбойный молоток ). Хотя автор говорит о мифологическом Фу Си, отрывок из его сочинений дает намек на то, что водяное колесо широко использовалось в 1 веке нашей эры в Китае ( написание Уэйда-Джайлса ):

Фу Си изобрел пестик и ступку, которые так полезны, и позже он был хитроумно улучшен таким образом, что весь вес тела можно было использовать для наступления на отбойный молоток ( туи ), тем самым увеличивая эффективность десяти раз. Впоследствии сила животных - ослов, мулов, быков и лошадей - применялась с помощью машин, а также сила воды использовалась для избиения, так что польза от них увеличилась в сто раз. ^[60]

В год 31 н.э., инженер и префект из Наньяна , Д Ши (д. 38), применили комплексное использование колеса и машину воды для питания сильфона на доменной печи для создания чугуна . Ду Ши кратко упоминается в Книге поздней хань ( Хоу Хань Шу ) следующим образом (по правописанию Уэйд-Джайлса):

На седьмом году правления Цзянь-Ву (31 г. н.э.) Ту Ши был назначен префектом Наньян. Он был щедрым человеком, и его политика была мирной; он уничтожил злодеев и утвердил достоинство (своей должности). Он был хорош в планировании, любил простых людей и хотел сэкономить их труд. Он изобрел гидроцилиндр ( шуй пай ) для литья (железных) сельскохозяйственных орудий. У тех, кто плавил и лил, уже были сильфоны для разжигания угольных костров, и теперь им было сказано использовать поток воды ( чи-шуй ), чтобы управлять им ... Таким образом, люди получали большую пользу от небольшого труда. Они сочли "водяные (приводные) сильфоны" удобными и широко внедрили их. ^[61]

Водяные колеса в Китае нашли такое практическое применение, как это, а также необычное применение. Китайский изобретатель Чжан Хэна (78-139) был первым в истории , чтобы применить движущую силу во вращающемся астрономическом инструмент в армиллярной сфере , с использованием водяного колеса. ^[62] механик Ма июнь (с. 200-265) от Вого когда - то использовал колесо воды к мощности и работать с большим механическим кукольным театром для императора Мин Вого ( р. 226-239). ^[63]

Индия [ править ]

Ранняя история водяной мельницы в Индии неясна. Древние индийские тексты, относящиеся к IV веку до нашей эры, упоминают термин чаккаваттака ( вращающееся колесо), который в комментариях объясняется как арахатта-гхати-янта (машина с прикрепленными к ней горшками). На этом основании Джозеф Нидхэм предположил, что машина была норией . Терри С. Рейнольдс, однако, утверждает, что «термин, используемый в индийских текстах, неоднозначен и явно не указывает на устройство, работающее на воде». Торкильд Шилер утверждал, что «более вероятно, что эти проходы относятся к некоторому типу водоподъемного устройства с протектором или ручным приводом, а не к водоподъемному колесу с приводом от воды». ^[64]

Согласно греческой исторической традиции, Индия получила водяные мельницы от Римской империи в начале 4-го века нашей эры, когда некий Метродорос представил «водяные мельницы и бани, неизвестные им [брахманам] до тех пор». ^[65] Поливная вода для сельскохозяйственных культур обеспечивалась с помощью водоподъемных колес, некоторые из которых приводились в движение силой течения в реке, из которой поднималась вода. Этот вид водоподъемного устройства использовался в древней Индии , до, по словам Пейси, его использования в более поздней Римской империи или Китае ^[66], хотя первые литературные, археологические и живописные свидетельства водяного колеса появились в эллинистическом мире. . ^[18]

Около 1150 года астроном Бхаскара Ачарья наблюдал колеса, поднимающие воду, и представил, что такое колесо поднимает достаточно воды, чтобы пополнить поток, приводя его, по сути, в вечный двигатель . ^[67] Строительство гидротехнических сооружений и аспекты водной технологии в Индии описаны в арабских и персидских трудах. В средние века распространение индийских и персидских ирригационных технологий привело к появлению передовой ирригационной системы, которая способствовала экономическому росту, а также способствовала росту материальной культуры. ^[68]

Исламский мир [ править ]

Арабские инженеры переняли технологию воды у гидравлических обществ древнего Ближнего Востока; они использовали водяное колесо еще в 7 веке, при раскопках канала в районе Басры были обнаружены остатки водяного колеса, датируемые этим периодом. В Хаме в Сирии до сих пор сохранились некоторые из своих больших колес на реке Оронт , хотя они больше не используются. ^[69] Один из самых больших имел диаметр около 20 метров (66 футов), а его край был разделен на 120 отсеков. Еще одно колесо, которое все еще находится в эксплуатации, находится в Ла-Норе в Мурсии в Испании , и, хотя первоначальное колесо было заменено стальным, мавританскоеСистема во время Аль-Андалуса в остальном практически не изменилась. Некоторые средневековые исламские водяные колеса могли поднимать воду на высоту до 30 метров (100 футов). ^[70] Мухаммад ибн Закария аль-Рази «ы Китаб ал-Hawi в 10 - м веке описал Noria в Ираке , которые могли бы поднять целых 153000 литров в час (34000 имп галлонов / час), или 2550 литров в минуту (560 имп галлон / мин). Это сопоставимо с производительностью современных норий в Восточной Азии , которые могут поднимать до 288 000 литров в час (63 000 имп галлонов в час) или 4800 литров в минуту (1100 имп галлонов в минуту). ^[71]

Промышленное использование водяных мельниц в исламском мире восходит к 7 веку, в то время как водяные мельницы с горизонтальными и вертикальными колесами широко использовались к 9 веку. В исламском мире использовались различные промышленные водяные мельницы, в том числе мельницы , шелушители , лесопилки , судовые мельницы , штамповочные мельницы , сталелитейные заводы , сахарные заводы и приливные мельницы . К XI веку в каждой провинции исламского мира были действующие промышленные водяные мельницы, от Аль-Андалуса и Северной Африки до Ближнего Востока и Центральной Азии .^[72] Мусульманские и христианские инженеры также использовали коленчатые валы и водяные турбины , шестерни в водяных мельницах и водоподъемных машинах , а также плотины в качестве источника воды, используемой для обеспечения дополнительной энергии водяным мельницам и водоподъемным машинам. ^[73] Суконные и сталелитейные заводы, возможно, распространились от исламской Испании до христианской Испании в 12 веке. Промышленные водяные мельницы также использовались в крупных заводских комплексах, построенных в Аль-Андалусе между 11 и 13 веками. ^[74]

Инженеры исламского мира разработали несколько решений для достижения максимальной мощности водяного колеса. Одним из решений было смонтировать их пирсы из мостов , чтобы воспользоваться увеличением потока. Другим решением была судовая мельница, тип водяной мельницы, приводимой в движение водяными колесами, установленными на бортах кораблей, пришвартованных на полпути. Этот метод был применен вдоль Тигр и Евфрат рек в десятом веке Ираке , где большие shipmills из тика и железы может производить 10 тонн из муки из кукурузы каждый день для зернохранилищав Багдаде . ^[75] Механизм маховика , который используется для сглаживания передачи мощности от приводного устройства к ведомой машине, был изобретен Ибн Бассалом ( фл. 1038–1075) из Аль-Андалуса ; он первым применил маховик в сакии ( цепном насосе ) и нории. ^[76] Инженеры Аль-Джазари в 13 веке и Таки ад-Дин в 16 веке описали множество изобретательных водоподъемных машин в своих технологических трактатах. Они также использовали водяные колеса для питания различных устройств, в том числе различных водяных часов и автоматов..

Современные разработки [ править ]

Гидравлическое колесо [ править ]

Недавняя разработка колеса для грудного выстрела - это гидравлическое колесо, которое эффективно включает в себя системы автоматической регулировки. Aqualienne - один из примеров. Он вырабатывает от 37 до 200 кВт электроэнергии из потока воды объемом 20 м ³ (710 куб. Футов) с напором от 1 до 3,5 м (от 3 до 11 футов). ^[77] Он предназначен для производства электроэнергии на месте бывших водяных мельниц.

Эффективность [ править ]

Колеса с переворотом (и особенно с обратным выстрелом) являются наиболее эффективным типом; стальное колесо с обратным ударом может быть более эффективным (около 60%), чем все турбины, кроме самых современных и хорошо сконструированных . В некоторых ситуациях колесо с перерегулированием предпочтительнее турбины. ^[78]

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 [ править ]

Энергия, доступная колесу, состоит из двух компонентов:

• Кинетическая энергия - зависит от того, насколько быстро вода движется, когда попадает в колесо.
• Потенциальная энергия - зависит от изменения высоты воды между входом в колесо и выходом из него.

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.

Сила , как быстро поступает , что энергия , которая определяется скоростью потока.

Количества и единицы [ править ]

• ${\displaystyle \eta =}$ эффективность
• ${\displaystyle \rho =}$ Плотность из воды (1000 кг / м ³ )
• ${\displaystyle A=}$ площадь поперечного сечения канала (м ² )
• ${\displaystyle D=}$ диаметр колеса (м)
• ${\displaystyle P=}$ мощность (Вт)
• ${\displaystyle d=}$ расстояние (м)
• ${\displaystyle g=}$ сила тяжести (9,81 м / с ² = 9,81 Н / кг)
• ${\displaystyle h=}$ напор (м)
• ${\displaystyle h_{p}=}$ напор , перепад уровней воды (м)
• ${\displaystyle h_{v}=}$ скоростной напор (м)
• ${\displaystyle k=}$ поправочный коэффициент скорости. 0.9 для гладких каналов. ^[79]
• ${\displaystyle v=}$ скорость (м / с)
• ${\displaystyle {\dot {q}}=}$ объемный расход (м ³ / с)
• ${\displaystyle t=}$ время (с)

^{пунктирная запись}

Измерения [ править ]

Напор - это разница в высоте между водными поверхностями головной и хвостовой гонок. Скоростной напор рассчитывается по скорости воды в кольце напора в том же месте, откуда измеряется напор. Скорость (скорость) можно измерить методом пуховых палочек, рассчитав плавающий объект на определенном расстоянии. Вода у поверхности движется быстрее, чем вода ближе к дну и бокам, поэтому следует применять поправочный коэффициент, как в формуле ниже. ^[79]${\displaystyle h_{p}}$${\displaystyle h_{v}}$${\displaystyle v}$

Есть много способов измерить объемный расход . Два из самых простых:

• От площади поперечного сечения и скорости. Они должны быть измерены в одном и том же месте, но это может быть любое место в гонках головы или хвоста. Через него должно проходить столько же воды, сколько через колесо. ^[79]
• Иногда целесообразно измерять объемный расход с помощью метода ведра и секундомера. ^[80]

Формулы [ править ]

Количество	Формула
Мощность	${\displaystyle P=\eta \cdot \rho \cdot g\cdot h\cdot {\dot {q}}}$[81]
Эффективная голова	${\displaystyle h=h_{p}+h_{v}}$[82]
Напор скорости	${\displaystyle h_{v}={\frac {v^{2}}{2\cdot g}}}$[83] [82]
Объемный расход	${\displaystyle {\dot {q}}=A\cdot v}$[79]
Скорость воды (скорость)	${\displaystyle v=k\cdot {\frac {d}{t}}}$[79]

Эмпирические правила [ править ]

Грудь и перекус [ править ]

Количество	Примерная формула
Мощность (при КПД 70%)	${\displaystyle P=7000\cdot {\dot {q}}\cdot h}$
Оптимальная скорость вращения	${\displaystyle {\frac {21}{\sqrt {D}}}}$об / мин [84]

Традиционные колеса с недокусом [ править ]

Количество	Приблизительная формула [84]
Мощность (при КПД 20%)	${\displaystyle P=100\cdot A\cdot v^{3}}$
Оптимальная скорость вращения	${\displaystyle {\frac {9\cdot v}{D}}}$ об / мин

Реакционная турбина гидравлической части колеса [ править ]

Параллельная разработка - гидравлическое колесо / часть реактивной турбины, которая также включает перегородку в центре колеса, но использует лопасти, расположенные под углом к ​​потоку воды. WICON-Stem Pressure Machine (SPM) использует этот поток. ^[85] Расчетная эффективность 67%.

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%). ^[86]

Гидравлические колеса этого типа обладают высокой эффективностью при частичных нагрузках / переменных расходах и могут работать при очень низком напоре, <1 м (3 фута 3 дюйма). В сочетании с генераторами переменного тока с осевым потоком и постоянным магнитом с прямым приводом и силовой электроникой они предлагают жизнеспособную альтернативу для производства гидроэлектроэнергии с низким напором .

Заметки [ править ]

^ Пунктирные обозначения. Точка над количеством указывает, что это ставка. Другими словами, сколько раз в секунду или сколько в секунду. В этой статье q - это объем воды иобъем воды в секунду. q, как и количество воды, используется, чтобы не путать с v для скорости.${\displaystyle {\dot {q}}}$

См. Также [ править ]

• Гидроэлектроэнергия
• Водяная мельница
• Водяная турбина
• Колесо Пелтона

Для устройств для подъема воды для полива

• Noria
• Сакия

Устройства для подъема воды для осушения земель

• Черпающее колесо

Ссылки [ править ]

Библиография [ править ]

• Сото Гэри, Водяное колесо . т. 163. No. 4. (Январь, 1994), с. 197
• аль-Хассани, СТС, Вудкок, Э. и Сауд, Р. (2006) 1001 изобретение: мусульманское наследие в нашем мире , Манчестер: Фонд научных технологий и цивилизации, ISBN 0-9552426-0-6 
• Аллан. 18 апреля 2008 года. Подводное колесо. Получено с http://www.builditsolar.com/Projects/Hydro/UnderShot/WaterWheel.htm.
• Доннерс, К .; Waelkens, M .; Декерс, Дж. (2002), «Водяные мельницы в районе Сагалассоса: исчезающая древняя технология», Анатолийские исследования , Анатолийские исследования, Vol. 52, 52 ., Стр 1-17, DOI : 10,2307 / 3643076 , JSTOR  3643076
• Глик, Т.Ф. (1970) Орошение и общество в средневековой Валенсии , Кембридж, Массачусетс: Belknap Press of Harvard University Press, ISBN 0-674-46675-6 
• Грин, Кевин (2000), «Технологические инновации и экономический прогресс в Древнем мире: М. Финли пересмотрела», Экономическая история Обзор , 53 . (1), стр 29-59, DOI : 10.1111 / 1468-0289.00151
• Хилл Д.Р. (1991) «Машиностроение на Средневековом Ближнем Востоке», Scientific American , 264 (5: май), стр. 100–105.
• Лукас, АР (2005). «Промышленное фрезерование в древнем и средневековом мире: обзор свидетельств промышленной революции в средневековой Европе». Технологии и культура . 46 (1): 1–30. DOI : 10.1353 / tech.2005.0026 .
• Льюис, MJT (1997) Жернов и молот: истоки гидроэнергетики , University of Hull Press, ISBN 0-85958-657-X 
• Мортон, WS и Льюис, CM (2005) Китай: его история и культура , 4-е изд., Нью-Йорк: McGraw-Hill, ISBN 0-07-141279-4 
• Мерфи, Дональд (2005), Раскопки мельницы в Киллотеране, графство Уотерфорд как часть проекта объездной дороги N-25 Уотерфорд (PDF) , Estuarine / Alluvial Archeology в Ирландии. На пути к передовой практике, Университетский колледж Дублина и Национальное управление автомобильных дорог
• Нидхэм, Дж. (1965) Наука и цивилизация в Китае - Vol. 4: Физика и физическая технология - Часть 2: Машиностроение , Cambridge University Press, ISBN 0-521-05803-1 
• Nuernbergk, DM (2005) Wasserräder mit Kropfgerinne: Berechnungsgrundlagen und neue Erkenntnisse , Детмольд: Schäfer, ISBN 3-87696-121-1 
• Nuernbergk, DM (2007) Wasserräder mit Freihang: Entwurfs- und Berechnungsgrundlagen , Детмольд: Schäfer, ISBN 3-87696-122-X 
• Пейси, А. (1991) Технологии в мировой цивилизации: тысячелетняя история , 1-е изд. MIT Press, Кембридж, Массачусетс: MIT, ISBN 0-262-66072-5 
• Олесон, Джон Питер (1984), Греческие и римские механические водоподъемные устройства: история технологии , University of Toronto Press, ISBN 978-90-277-1693-4
• Quaranta Emanuele, Revelli Roberto (2015), «Рабочие характеристики, потери мощности и оценка механической мощности для водяного колеса для груди», Energy , Energy, Elsevier, 87 : 315–325, doi : 10.1016 / j.energy.2015.04.079
• Олесон, Джон Питер (2000), «Water-Lifting», в Wikander, Örjan (ed.), Handbook of Ancient Water Technology , Technology and Change in History, 2 , Leiden: Brill, pp. 217–302, ISBN 978-90-04-11123-3
• Рейнольдс, Т.С. (1983) Сильнее сотни мужчин: история вертикального водяного колеса , исследования Джонса Хопкинса по истории технологий: новая серия 7 , Балтимор: Johns Hopkins University Press, ISBN 0-8018-2554-7 
• Schioler, Thorkild (1973), римские и исламские водоподъемные колеса , Odense University Press, ISBN 978-87-7492-090-8
• Шеннон Р. 1997. Разработка водяного колеса. Получено с http://permaculturewest.org.au/ipc6/ch08/shannon/index.html .
• Сиддики, Иктидар Хусейн (1986). «Гидравлические сооружения и ирригационная система в Индии во времена до Великих Моголов». Журнал экономической и социальной истории Востока . 29 (1): 52–77. DOI : 10.1163 / 156852086X00036 .
• Сисон, л. (1965) Британские водяные мельницы , Лондон: Бэтсфорд, 176 с.
• Викандер, Орджан (1985), «Археологические свидетельства ранних водяных мельниц. Промежуточный отчет», История технологии , 10 , стр. 151–179.
• Wikander, Örjan (2000), «The Water-Mill», в Wikander, Örjan (ed.), Handbook of Ancient Water Technology , Technology and Change in History, 2 , Leiden: Brill, pp. 371–400, ISBN. 978-90-04-11123-3
• Уилсон, Эндрю (1995), "Сила воды в Северной Африке и развитие горизонтального водяного колеса", Журнал римской археологии , 8 , стр. 499–510.
• Уилсон, Эндрю (2002), «Машины, сила и древняя экономика», Журнал римских исследований , [Общество содействия римским исследованиям, Cambridge University Press], 92 , стр. 1–32, doi : 10.2307 / 3184857 , JSTOR  3184857

Внешние ссылки [ править ]

Найдите водяное колесо в Викисловаре, бесплатном словаре.

Викискладе есть медиафайлы по теме водяных колес .

• Словарь терминов водяного колеса
• Эссе / аудиоклип
• WaterHistory.org Несколько статей о водяных колесах
• Компьютерное моделирование подводного водяного колеса
• Персидское колесо в Индии, 1814–1815 гг., Картина с пояснительным текстом, на сайте Британской библиотеки .
• Компьютерное моделирование водяного колеса с промахом
• Руководство по конструкции водяного колеса: диссертация, представленная в сельскохозяйственном колледже штата Северная Каролина. и мех. Искусство Л. Т. Ярбро 1893 июнь