Винт Архимеда

Механизм подачи воды

Анимация, показывающая, как работает винт Архимеда, где красные шарики представляют воду.

Анимация, показывающая, как винты Архимеда могут генерировать энергию, если они приводятся в движение текущей жидкостью.

Винт Архимеда , также известный как винт Архимеда , гидродинамический винт , водяной винт или египетский винт , ^[1] является одной из самых ранних гидравлических машин. Использование винтов Архимеда в качестве водяных насосов (винтовой насос Архимеда (ASP) ^[2] или винтовой насос ^[1] ) насчитывает много столетий. В качестве машины , применяемой для подъема воды из низменного водоема в арыки , подъем воды осуществляется путем поворота винтовой поверхности внутри трубы. В современном мире винтовые насосы «Архимед» широко используются на очистных сооружениях и для осушения низменных регионов. Винтовые турбины Архимеда, работающие в обратном направлении, действуют как новая форма малых гидроэлектростанций, которую можно применять даже на участках с низким напором . Такие генераторы работают в широком диапазоне расходов (0,01–14,5 м ) и напоров (0,1–10 м), включая малые напоры и умеренные расходы, что не идеально для традиционных турбин и не занято высокопроизводительными технологиями. Винт Архимеда представляет собой реверсивную гидравлическую машину, и существует несколько примеров винтовых установок Архимеда, в которых винт может работать в разное время как насос или генератор, в зависимости от потребностей в электроэнергии и расхода водотока. ${\displaystyle m^{3}/s}$ ${\displaystyle m^{3}/s}$

Винт Архимеда назван в честь греческого математика Архимеда , который впервые описал его около 234 г. до н.э., хотя это устройство использовалось в Древнем Египте задолго до него. ^[3] Винтовой конвейер представляет собой аналогичное устройство, которое транспортирует сыпучие материалы, такие как порошки и зерна.

История

Водяной насос в Египте 1950-х годов, в котором используется винтовой механизм Архимеда.

Винтовой насос является старейшим насосом прямого вытеснения . ^[1] Первые упоминания о водяном винте или винтовом насосе относятся к эллинистическому Египту до III века до нашей эры. ^{[1] [4]} Египетский винт, используемый для подъема воды из Нила , состоял из трубок, намотанных на цилиндр; когда весь блок вращается, вода поднимается по спиральной трубе на большую высоту. Более поздняя конструкция винтового насоса из Египта имела спиральную канавку, вырезанную на внешней стороне цельного деревянного цилиндра, а затем цилиндр закрывался досками или листами металла, плотно закрывающими поверхности между канавками. ^[1]

Некоторые исследователи предположили, что это устройство использовалось для орошения Висячих садов Вавилона , одного из семи чудес древнего мира . Клинописная надпись ассирийского царя Сеннахирима (704–681 до н. э.) была интерпретирована Стефани Далли ^[5] как описание отливки водяных винтов из бронзы примерно 350 лет назад. Это согласуется с мнением классического автора Страбона , который описывает Висячие сады как орошаемые винтами. ^[6]

Позднее винтовой насос был завезен из Египта в Грецию. ^[1] Он был описан Архимедом , ^[7] по случаю его визита в Египет , около 234 г. до н.э. ^[8] Эта традиция может отражать лишь то, что этот аппарат был неизвестен грекам до эллинистических времен. ^[7] Архимед никогда не претендовал на авторство своего изобретения, но 200 лет спустя оно было приписано ему Диодором , который считал, что Архимед изобрел винтовой насос в Египте. ^[1] На изображениях греческих и римских водяных винтов показано, что они приводятся в действие за счет прикосновения человека к внешнему корпусу, чтобы превратить весь аппарат как единое целое, что потребует жесткого прикрепления корпуса к винту.

Немецкий инженер Конрад Кезер оснастил винт Архимеда кривошипно-шатунным механизмом в своем «Беллифортисе» (1405 г.). Этот механизм быстро заменил древнюю практику работы с трубкой наступанием. ^[9]

Дизайн

Винт Архимеда состоит из винта ( винтовой поверхности, окружающей центральный цилиндрический вал) внутри полой трубы. Винт обычно вращается с помощью ветряной мельницы, ручного труда, скота или современных средств, таких как двигатель. Когда вал вращается, нижний конец зачерпывает объем воды. Затем эта вода выталкивается вверх по трубке вращающимся геликоидом до тех пор, пока она не выльется из верхней части трубки.

Контактная поверхность между шнеком и трубой не обязательно должна быть абсолютно водонепроницаемой, если количество воды, зачерпываемой при каждом повороте, велико по сравнению с количеством воды, вытекающей из каждой секции шнека за один оборот. Если вода из одной секции попадет в следующую, более низкую, она будет перенесена вверх следующим сегментом шнека.

В некоторых конструкциях винт приварен к корпусу, и они оба вращаются вместе, вместо того, чтобы винт вращался внутри неподвижного корпуса. Винт можно было приклеить к корпусу смоляной смолой или другим клеем, либо винт и корпус можно было отлить как единое целое из бронзы.

Конструкция повседневного греческого и римского водяного винта, в отличие от тяжелого бронзового устройства Сеннахирима с его проблематичными приводными цепями, отличается мощной простотой. Двойная или тройная спираль строилась из деревянных полос (или иногда бронзовых листов) вокруг тяжелого деревянного шеста. Вокруг спиралей был построен цилиндр из длинных узких досок, прикрепленных к их периферии и гидроизолированных смолой. ^[6]

Исследования показывают, что объем потока, проходящего через винты Архимеда, зависит от глубины входного отверстия, диаметра и скорости вращения винта. Следовательно, для расчета винтов Архимеда можно использовать следующее аналитическое уравнение:

${\displaystyle D_{O}={\sqrt[{3}]{\frac {16\pi Q}{\sigma \omega (2\theta _{O}-sin2\theta _{O}-\delta ^{2}(2\theta _{i}-sin(2\theta _{i}))}}}}$

где находится и: ${\displaystyle D_{O}}$ ${\displaystyle (m)}$

${\displaystyle \omega }$: Скорость вращения винта Архимеда (рад/с)

${\displaystyle Q}$: Объемный расход ${\displaystyle (m^{3}/s)}$

Основываясь на общих стандартах, которые используют конструкторы винтов Архимеда, это аналитическое уравнение можно упростить следующим образом: ^[2]

${\displaystyle D_{O}\approx \eta Q^{3/7}}$

Значение η можно было просто определить с помощью графика или графика. ^[2] При определении других конструктивных параметров винтов Архимеда можно рассчитать пошаговым аналитическим методом. ${\displaystyle \eta }$ ${\displaystyle \Theta }$ ${\displaystyle D_{O}}$

Использование

Современный винт Архимеда, который заменил некоторые ветряные мельницы , используемые для осушения польдеров в Киндердейке в Нидерландах.

Винт Архимеда как форма искусства Тони Крэгга в Хертогенбосе, Нидерланды .

Шнек использовался преимущественно для транспортировки воды в ирригационные системы, а также для осушения шахт или других низменных территорий. Его использовали для осушения земель, находившихся под морем в Нидерландах и других местах при создании польдеров .

Винты Архимеда используются на очистных сооружениях, поскольку они хорошо справляются с различной скоростью потока и взвешенными твердыми частицами. Шнек в снегоочистителе или элеваторе по сути представляет собой винт Архимеда. В автобетоносмесителях внутри барабана используются шнеки Архимеда для смешивания или разгрузки материала.

Этот принцип также можно найти в эскалаторах, которые представляют собой винты Архимеда, предназначенные для безопасного подъема рыбы из прудов и транспортировки ее в другое место. Данная технология используется преимущественно на рыбоводных заводах, где желательно свести к минимуму физическую обработку рыбы.

Винт Архимеда использовался при успешной стабилизации Пизанской башни в 2001 году . Небольшое количество грунта, насыщенного грунтовыми водами, было удалено далеко под северной стороной башни, а вес самой башни исправил наклон. Винты Архимеда также используются в шоколадных фонтанах .

Винтовые турбины (ВСТ) — это новая форма генератора для малых гидроэлектростанций, которую можно применять даже на объектах с низким напором. Низкая скорость вращения АСТ снижает негативное воздействие на водную флору и фауну и рыбу.

Варианты

Винт Архимеда на комбайне

Винтовой конвейер представляет собой винт Архимеда, расположенный внутри трубки и вращаемый двигателем для доставки материала с одного конца конвейера на другой. Он особенно подходит для транспортировки гранулированных материалов, таких как пластиковые гранулы, используемые при литье под давлением, и зерновые культуры . Его также можно использовать для транспортировки жидкостей. В приложениях промышленного управления конвейер можно использовать в качестве роторного питателя или питателя с регулируемой скоростью для подачи измеренной скорости или количества материала в процесс.

Вариант винта Архимеда также можно найти в некоторых машинах для литья под давлением , машинах для литья под давлением и экструзии пластмасс, в которых используется винт с уменьшающимся шагом для сжатия и плавления материала. Он также используется в ротационно-винтовом воздушном компрессоре . В гораздо большем масштабе для уплотнения отходов используются винты Архимеда уменьшающегося шага .

Обратное действие

Если вода подается в верхнюю часть винта Архимеда, она заставит винт вращаться. Вращающийся вал затем можно использовать для привода электрического генератора. Такая установка имеет те же преимущества, что и использование шнекового насоса: возможность перекачивать очень грязную воду и широко варьирующуюся скорость потока при высокой эффективности. Settle Hydro и Torrs Hydro — две микрогидроэлектростанции с обратным винтом , действующие в Англии. Винт хорошо работает в качестве генератора при низких напорах , что обычно встречается в английских реках, включая Темзу , питающую Виндзорский замок . ^[10]

В 2017 году в Меридене, штат Коннектикут, открылась первая в США гидроэлектростанция с обратным винтом . ^{[11] [12]} Проект Мериден был построен и управляется компанией New England Hydropower с номинальной мощностью 193 кВт и коэффициентом использования мощности примерно 55% в течение 5-летнего периода эксплуатации.

Смотрите также

• Архимедова спираль
• Винтовая машина
• СС «Архимед» — первый пароход с гребным винтом .
• Винт (простая машина)
• Винтовая турбина
• Спиральный насос
• Тороидальный винт
• Витрувий

Примечания

1. Стюарт, Бобби Элтон; Терри А. Хауэлл (2003). Энциклопедия водного хозяйства. США: CRC Press. п. 759. ИСБН 0-8247-0948-9.
2. YoosefDoost, Араш; Любиц, Уильям Дэвид (декабрь 2021 г.). «Руководство по проектированию гидроэлектростанций с использованием одного или нескольких винтов Архимеда». Процессы . 9 (12): 2128. дои : 10.3390/pr9122128 .
3. Новая стандартная энциклопедия. Стандартная образовательная корпорация. 1978. с. А-257. ISBN 9780873921831. Проверено 30 апреля 2020 г. Винт Архимеда был разработан в Древнем Египте и впоследствии использовался Архимедом (287–212 до н.э.).
4. "Винт". Британская энциклопедия онлайн . Британская энциклопедия, 2011 г. Проверено 24 марта 2011 г.
5. Стефани Дэлли, Тайна висячего сада Вавилона: неуловимое чудо света , (2013), OUP ISBN 978-0-19-966226-5 
6. Дэлли, Стефани; Олесон, Джон Питер (2003). «Сеннахирим, Архимед и водяной винт: контекст изобретения в древнем мире». Технологии и культура . 44 (1): 1–26. дои : 10.1353/tech.2003.0011. S2CID  110119248.
7. Олесон 2000, стр. 242–251.
8. Хейвен, Кендалл Ф. (2006). Сто величайших научных изобретений всех времен. США: Безлимитные библиотеки. стр. 6–. ISBN 1-59158-264-4.
9. Уайт 1962, стр. 105, 111, 168.
10. Би-би-си. «Водяная турбина Виндзорского замка, установленная на реке Темзе» bbc.com , 20 сентября 2011 г. Дата обращения: 19 октября 2017 г.
11. ХЛАДКИ, ГРЕГОРИ Б. «Винт Архимеда используется для выработки электроэнергии на плотине Мериден». Курант.com . Проверено 1 августа 2017 г.
12. «Электростанция Мериден использует винтовую турбину Архимеда» . Проверено 1 августа 2017 г.

Источники

• П. Дж. Кантерт: «Руководство для архимедова винтового насоса», Hirthammer Verlag 2008, ISBN 978-3-88721-896-6 . 
• П. Дж. Кантерт: «Praxishandbuch Schneckenpumpe», Hirthammer Verlag 2008, ISBN 978-3-88721-202-5 . 
• П. Дж. Кантерт: «Praxishandbuch Schneckenpumpe» — 2-е издание, 2020 г., DWA, ISBN 978-3-88721-888-1 . 
• Олесон, Джон Питер (1984), греческие и римские механические водоподъемные устройства. История технологии , Дордрехт: Д. Рейдель, ISBN 90-277-1693-5
• Олесон, Джон Питер (2000), «Подъем воды», в Викандере, Орджане (ред.), Справочник по древним водным технологиям , технологиям и изменениям в истории, том. 2, Лейден, стр. 217–302 (242–251), ISBN. 90-04-11123-9{{citation}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
• Нюрнбергк Д. и Роррес К.: «Аналитическая модель притока воды с помощью винта Архимеда, используемого в гидроэнергетике», Журнал ASCE по гидротехнике, опубликовано: 23 июля 2012 г.
• Нюрнбергк ДМ: «Wasserkraftschnecken – Berechnung undOptimer Entwurf von Archimedischen Schnecken als Wasserkraftmaschine», Verlag Moritz Schäfer, Detmold, 1. Edition. 2012 г., 272 статьи, ISBN 978-3-87696-136-1. 
• Роррес К.: «Поворот винта: оптимальная конструкция винта Архимеда», Журнал гидротехники ASCE, том 126, номер 1, январь 2000 г., стр. 72–80.
• Нагель, Г.; Радлик, К.: Wasserförderschnecken – Planung, Bau und Betrieb von Wasserhebeanlagen; Удо Пфример Бухверлаг в дер Бауверлаг ГмбХ, Висбаден, Берлин (1988)
• Уайт, Линн младший (1962), Средневековые технологии и социальные изменения , Оксфорд: в Clarendon Press.

Внешние ссылки

• «Поворот винта: оптимальная конструкция винта Архимеда», Крис Роррес, доктор философии.
• «Архимедов винт» Шандора Кабая, Демонстрационный проект Вольфрама , 2007 г.
• «Примеры винтов Архимеда. Различные источники, 2021 г.