Водяное колесо — это машина для преобразования энергии текущей или падающей воды в полезные формы энергии, часто на водяной мельнице . Водяное колесо состоит из колеса (обычно изготовленного из дерева или металла) с несколькими лопастями или ведрами , расположенными на внешнем ободе, образующими движущуюся машину. Водяные колеса все еще использовались в коммерческих целях даже в 20 веке, но больше не используются повсеместно. Использование включало помол муки на мельницах , измельчение древесины в целлюлозу для изготовления бумаги , ковки кованого железа , механическую обработку, дробление руды и измельчение волокна для использования в производстве ткани .
Некоторые водяные колеса питаются водой из мельничного пруда, который образуется при перекрытии текущего ручья плотиной . Канал для воды, текущей к водяному колесу или от него, называется мельничным кругом . Гонка, доставляющая воду из мельничного пруда к водяному колесу, — это гонка вперед ; тот, который несет воду после того, как она покинула колесо, обычно называется отводящим каналом . [1]
Водяные колеса использовались для различных целей, от сельского хозяйства до металлургии в древних цивилизациях, охватывающих эллинистический греческий мир , Рим , Китай и Индию . Водяные колеса продолжали использоваться в постклассическую эпоху , например, в средние века Европы и золотой век ислама , а также и в других местах. В середине-конце 18 века научные исследования водяного колеса, проведенные Джоном Смитоном , привели к значительному повышению эффективности производства энергии, столь необходимой для промышленной революции . [2] [3] Водяные колеса начали вытесняться меньшими, менее дорогими и более эффективными турбинами , разработанными Бенуа Фурнейроном , начиная с его первой модели в 1827 году . [3] Турбины способны справляться с высокими напорами или подъемами , которые превосходят возможности водяных колес практичного размера.
Основная сложность водяных колес – их зависимость от текущей воды, что ограничивает их размещение. Современные плотины гидроэлектростанций можно рассматривать как потомков водяного колеса, поскольку они также используют движение воды вниз по склону.
Водяные колеса бывают двух основных конструкций: [4]
Последние можно разделить в зависимости от места попадания воды на колесо на обратные (питч-бэк [5] ), промах, грудь, недолет и потоковые колеса. [6] [7] [8] Термин «недолет» может относиться к любому колесу, в котором вода проходит под колесом [9] , но обычно это означает, что попадание воды на колесо низкое.
Водяные колеса с овершотом и обратным выстрелом обычно используются там, где доступная разница высот превышает пару метров. Колеса «Брасшот» больше подходят для больших потоков с умеренным напором . Undershot и потоковое колесо используют большие потоки с небольшим напором или без него.
Часто рядом с ним находится пруд-мельница , резервуар для хранения воды и, следовательно, энергии до тех пор, пока она не понадобится. Головки большего размера сохраняют больше гравитационной потенциальной энергии для того же количества воды, поэтому резервуары для колес с овершотом и обратным выстрелом обычно меньше, чем для колес с бюстгальтером.
Водяные колеса с овершотом и питчем подходят там, где есть небольшой ручей с перепадом высот более 2 метров (6,5 футов), часто в сочетании с небольшим водоемом. Колеса с грудью и недоносом можно использовать на реках или с большими водотоками с большими водоемами.
Горизонтальное колесо с вертикальной осью.
Горизонтальное колесо, обычно называемое колесом ванны , скандинавской мельницей или греческой мельницей , [10] [11] представляет собой примитивную и неэффективную форму современной турбины. Однако если он обеспечивает необходимую мощность, то эффективность имеет второстепенное значение. Обычно он монтируется внутри здания мельницы под рабочим полом. Струя воды направляется на лопасти водяного колеса, заставляя их вращаться. Это простая система, обычно без зубчатой передачи, так что вертикальная ось водяного колеса становится приводным шпинделем мельницы.
Рулевое колесо [6] [12] представляет собой вертикально установленное водяное колесо, которое вращается за счет воды в потоке воды, ударяясь о лопасти или лопасти в нижней части колеса. Этот тип водяного колеса является старейшим типом колеса с горизонтальной осью. [ нужна цитация ] Они также известны как колеса со свободной поверхностью , потому что вода не ограничена мельницами или колесными ямами. [ нужна цитата ]
Колеса Stream дешевле и проще в изготовлении и оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, чем колеса других типов. Они не представляют собой серьезного изменения реки. Их недостатком является низкий КПД, а это означает, что они генерируют меньшую мощность и могут использоваться только там, где скорость потока достаточна. По измерениям английского инженера-строителя Джона Смитона в 18 веке, типичное плоское колесо с недокатом использует около 20 процентов энергии потока воды, ударяющей о колесо . [13] Более современные колеса имеют более высокий КПД.
Колеса потока практически не получают преимуществ от напора, разницы в уровне воды.
Колеса потока, установленные на плавучих платформах, часто называют вальмовыми, а мельницу - корабельной . Иногда их устанавливали сразу после мостов , где ограничение потока опор моста увеличивало скорость течения. [ нужна цитата ]
Исторически они были очень неэффективны, но большие успехи были достигнуты в восемнадцатом веке. [14]
Подводное колесо — это вертикально установленное водяное колесо с горизонтальной осью, которое вращается за счет воды, поступающей из невысокой плотины, ударяющейся о колесо в нижней четверти. Большая часть прироста энергии происходит от движения воды и сравнительно небольшая от головы. По принципу действия и конструкции они аналогичны потоковым колесам.
Термин «перекус» иногда используется в связанных, но разных значениях:
Это самый старый тип вертикального водяного колеса.
Слово «грудь» используется по-разному. Некоторые авторы ограничивают этот термин колесами, в которые вода попадает примерно в положении 10 часов, другие - 9 часами, а третьи - для определенного диапазона высот. [17] В этой статье он используется для колес, в которых вход воды находится значительно выше нижней части и значительно ниже верхней части, обычно в средней половине.
Они характеризуются:
Используются как кинетическая (движение), так и потенциальная (рост и вес) энергия.
Небольшой зазор между колесом и каменной кладкой требует, чтобы колесо для грудной дроби имело хорошую решетку для мусора («экран» на британском английском языке), чтобы предотвратить застревание мусора между колесом и фартуком и потенциальное причинение серьезного ущерба.
Колеса для грудного выстрела менее эффективны, чем колеса для овершота и обратного выстрела, но они могут выдерживать большие скорости потока и, следовательно, большую мощность. Они предпочтительны для устойчивых потоков большого объема, например, на линии падения восточного побережья Северной Америки. Колеса для дробления груди являются наиболее распространенным типом в Соединенных Штатах Америки [ нужна ссылка ] и, как говорят, послужили движущей силой промышленной революции. [14]
Вертикально установленное водяное колесо, которое вращается за счет воды, поступающей в ведра сразу за верхней частью колеса, называется промахом. Этот термин иногда ошибочно применяется к колесам с обратным выстрелом, когда вода опускается за колесо.
В типичном овершотном колесе вода подается к колесу вверху и немного за ось. Вода собирается в ведрах на этой стороне колеса, что делает его тяжелее, чем другая, «пустая» сторона. Вес вращает колесо, и вода вытекает в нижний бьеф, когда колесо вращается настолько, что переворачивает ведра. Конструкция с перерегулированием очень эффективна, она может достигать 90% [18] и не требует быстрого потока.
Почти вся энергия получается за счет веса воды, опускаемой в отводящий канал, хотя небольшой вклад может внести кинетическая энергия воды, поступающей в колесо. Они подходят для головок большего размера, чем колеса другого типа, поэтому идеально подходят для холмистой местности. Однако даже самое большое водяное колесо, колесо Лэкси на острове Мэн , имеет высоту всего около 30 м (100 футов). Крупнейшие в мире головные турбины, гидроэлектростанция Бьедрон в Швейцарии , используют около 1869 м (6132 футов).
Для овершотных колес требуется большая головка по сравнению с другими типами колес, что обычно означает значительные инвестиции в строительство направляющей. Иногда последний подход воды к колесу осуществляется по желобу или водоводу , что может быть длительным.
Колесо обратного выстрела (также называемое питчбеком ) представляет собой разновидность колеса овершота, в которое вода подается непосредственно перед вершиной колеса. Во многих ситуациях его преимуществом является то, что нижняя часть колеса движется в том же направлении, что и вода в отводящем канале, что делает его более эффективным. Оно также работает лучше, чем колесо с овершотом, в условиях паводка, когда уровень воды может затопить нижнюю часть колеса. Он будет продолжать вращаться до тех пор, пока вода в яме колеса не поднимется достаточно высоко на колесо. Это делает этот метод особенно подходящим для потоков, поток которых испытывает значительные изменения, и снижает размер, сложность и, следовательно, стоимость отводящего канала.
Направление вращения колеса обратного выстрела такое же, как и у колеса выстрела, но в остальном оно очень похоже на колесо овершота. См. ниже.
Некоторые колеса имеют промах вверху и обратный выстрел внизу, что потенциально сочетает в себе лучшие характеристики обоих типов. На фотографии показан пример на заводе Finch Foundry в Девоне, Великобритания. Головная обойма представляет собой верхнюю деревянную конструкцию, а ветвь слева подает воду на колесо. Вода выходит из-под колеса обратно в ручей.
Особым типом колеса овершота/обратного выстрела является реверсивное водяное колесо. Он имеет 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 привода различных средств транспортировки руды. Изменяя направление колеса, бочки или корзины с рудой можно было поднимать или опускать по валу или наклонной плоскости. На оси колеса обычно располагался тросовый барабан или цепная корзина. Очень важно, чтобы колесо имело тормозное оборудование, позволяющее остановить колесо (так называемое тормозное колесо). Самый старый известный рисунок реверсивного водяного колеса был выполнен Георгиусом Агриколой и датируется 1556 годом.
Как и во всех машинах, в водоподъемных устройствах вращательное движение более эффективно, чем колебательное. [19] Что касается источника энергии, водяные колеса могут вращаться либо силой человека или животного, либо самим потоком воды. Водяные колеса бывают двух основных конструкций: с вертикальной или горизонтальной осью. Последний тип можно подразделить в зависимости от того, где вода попадает на лопасти колес, на колеса с перелетом, грудью и недолетом. Двумя основными функциями водяных колес исторически были подъем воды для ирригации и измельчение, особенно зерна. В случае мельниц с горизонтальной осью для передачи мощности требуется система передач, которая не требуется для мельниц с вертикальной осью.
Самое раннее водяное колесо, работающее как рычаг, было описано Чжуанцзы в конце периода Воюющих царств (476–221 гг. до н. э.). Там говорится, что водяное колесо изобрел Цзыгун, ученик Конфуция , в V веке до нашей эры. [20] По крайней мере, к I веку нашей эры китайцы династии Восточная Хань использовали водяные колеса для измельчения зерна на мельницах и для приведения в действие поршневых сильфонов при перековке железной руды в чугун . [21]
В тексте, известном как « Синь Лунь» , написанном Хуань Танем около 20 г. н. э. (во время узурпации Ван Манга ), говорится, что легендарный мифологический король, известный как Фу Си, был тем, кто создал пестик и ступку, которые превратились в наклонную ступку. -ударник, а затем устройство ударного молотка (см. молоток ). Хотя автор говорит о мифологическом Фу Си, отрывок из его сочинений намекает на то, что водяное колесо широко использовалось в I веке нашей эры в Китае ( орфография Уэйда-Джайлса ):
Фу Си изобрел столь полезные пестик и ступку, а позже их хитро усовершенствовали таким образом, что весь вес тела можно было использовать для наступания на наклонный молоток ( туй ), что увеличило эффективность в десять раз. раз. Впоследствии сила животных — ослов, мулов, волов и лошадей — была применена с помощью машин, а сила воды также использовалась для ударов, так что польза увеличилась во сто крат. [22]
В 31 году нашей эры инженер и префект Наньяна Ду Ши (ум. 38) применил комплексное использование водяного колеса и машин для приведения в действие сильфонов доменной печи для создания чугуна . Ду Ши кратко упоминается в «Книге Поздней Хань» ( Хоу Хань Шу ) следующим образом (в написании Уэйда-Джайлза):
На седьмом году правления Цзянь-У (31 г. н.э.) Ту Ши был назначен префектом Наньяна. Он был щедрым человеком, и его политика была мирной; он уничтожил злодеев и утвердил достоинство (своей должности). Хорошо умел планировать, он любил простых людей и хотел сэкономить их труд. Он изобрел гидроэнергетический возвратно-поступательный механизм ( шуйпхай ) для литья (железных) сельскохозяйственных орудий. Те, кто плавил и отливал, уже имели мехи, чтобы раздувать угольные костры, и теперь им было приказано использовать поток воды ( ци-шуй ) для управления ими... Таким образом, люди получали большую выгоду за небольшой труд. Они сочли «водяные сильфоны» удобными и широко внедрили их. [23]
Водяные колеса в Китае нашли как практическое, так и необычное применение. Китайский изобретатель Чжан Хэн (78–139) первым в истории применил движущую силу для вращения астрономического инструмента армиллярной сферы с помощью водяного колеса. [24] Инженер -механик Ма Цзюнь (ок. 200–265) из Цао Вэй однажды использовал водяное колесо для привода в действие и управления большим механическим кукольным театром императора Мин Вэй ( годы правления 226–239). [25]
Технологический прорыв произошел в технологически развитый эллинистический период между III и I веками до нашей эры. [26]
Водяное колесо с отсеками бывает двух основных форм: колесо с разделенным на отсеки корпусом ( лат. tympanum ) и колесо с разделенным на отсеки ободом или ободом с отдельными прикрепленными контейнерами. [19] Колеса могли вращаться либо людьми, наступавшими на них снаружи, либо животными с помощью механизма сакия . [27] Хотя барабанная перепонка имела большую пропускную способность, она могла поднимать воду только на высоту, меньшую, чем высота ее собственного радиуса, и для вращения требовался большой крутящий момент. [27] Эти конструктивные недостатки были преодолены с помощью колеса с разделенным ободом, которое представляло собой менее тяжелую конструкцию с более высокой подъемной силой. [28]
Самое раннее литературное упоминание о разделенном на отсеки колесе с водяным приводом встречается в техническом трактате « Пневматика» (гл. 61) греческого инженера Филона Византийского ( ок. 280 – ок. 220 до н. э. ). [29] В своей «Параскеуастике» (91.43–44) Филон советует использовать такие колеса для затопления осадных мин в качестве защитной меры против подрыва противника. [30] Колеса с отсеками, по-видимому, использовались для осушения сухих доков в Александрии во времена правления Птолемея IV (221–205 гг. до н. э.). [30] В нескольких греческих папирусах 3-2 веков до нашей эры упоминается использование этих колес, но не приводятся дополнительные подробности. [30] Отсутствие этого устройства на Древнем Ближнем Востоке до завоевания Александра можно вывести из его явного отсутствия в богатой восточной иконографии, посвященной ирригационной практике. [31] [ не удалось проверить ] [32] [33] [34] Однако, в отличие от других водоподъемных устройств и насосов того периода, изобретение разделенного на отдельные части колеса не может быть связано с каким-либо конкретным эллинистическим инженером и, возможно, было сделано в конец 4 века до нашей эры в сельской местности вдали от Александрии. [35]
Самое раннее изображение разделенного на отсеки колеса находится на росписи гробницы в Птолемеевском Египте , датируемой II веком до нашей эры. На нем изображена пара запряженных быков, приводящая в движение колесо с помощью шестерни сакия , что также засвидетельствовано здесь впервые. [36] Греческая система передач сакия уже показана полностью развитой до такой степени, что «современные египетские устройства практически идентичны». [36] Предполагается, что к его изобретению могли быть причастны ученые Александрийского музея , в то время самого активного греческого исследовательского центра. [37] Эпизод из Александрийской войны в 48 г. до н. э. рассказывает о том, как враги Цезаря использовали водяные колеса с приводом, чтобы выливать морскую воду с возвышенностей на позиции пойманных в ловушку римлян. [38]
Около 300 г. н. э. нория наконец появилась, когда деревянные отсеки были заменены недорогими керамическими горшками, которые были привязаны к внешней стороне колеса с открытой рамой. [35]
Римляне широко использовали водяные колеса в горнодобывающих проектах: огромные водяные колеса римской эпохи были найдены в таких местах, как современная Испания . Это были водяные колеса с обратным овершотом , предназначенные для осушения глубоких подземных шахт. [ нужна цитация ] Несколько таких устройств описаны Витрувием , в том числе водяное колесо с обратным промахом и винт Архимеда . Многие из них были найдены во время современной добычи меди на медных рудниках Рио-Тинто в Испании . Одна система включает в себя 16 таких колес, расположенных друг над другом так, чтобы поднимать воду примерно на 80 футов из отстойника шахты. Часть такого колеса была найдена в Долаукоти , римском золотом руднике на юге Уэльса , в 1930-х годах, когда рудник был ненадолго вновь открыт. Он был найден примерно в 160 футах ниже поверхности, поэтому, должно быть, был частью той же последовательности, что и обнаруженная в Рио-Тинто. Недавно углеродный анализ датировал его примерно 90 годом нашей эры, а поскольку древесина, из которой он был изготовлен, намного старше глубокой шахты, вполне вероятно, что глубокие выработки начали действовать примерно 30–50 лет спустя. Из этих примеров дренажных колес, найденных в герметичных подземных галереях в удаленных друг от друга местах, становится ясно, что строительство водяных колес вполне соответствовало их возможностям, и такие вертикальные водяные колеса обычно использовались в промышленных целях.
Принимая во внимание косвенные данные из работ греческого техника Аполлония Пергенского , британский историк техники М.Дж.Т. Льюис датирует появление водяной мельницы с вертикальной осью началом III века до нашей эры, а водяной мельницы с горизонтальной осью — примерно 240 годом до нашей эры, с Византией и Александрией как назначенными местами изобретения. [39] Греческий географ Страбон сообщает, что водяная мельница существовала где-то до 71 г. до н.э. во дворце понтийского царя Митридата VI Евпатора , но ее точную конструкцию невозможно почерпнуть из текст (XII, 3, 30 C 556). [40]
Первое четкое описание водяной мельницы с зубчатой передачей принадлежит римскому архитектору Витрувию конца I века до нашей эры, который рассказывает о системе зубчатых передач сакии, примененной к водяной мельнице. [41] 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. [42] Водяное колесо Витрувия описывается как погруженное нижним концом в водоток так, чтобы его лопасти могли приводиться в движение скоростью текущей воды (X, 5.2). [43]
Примерно в это же время овершотное колесо впервые появляется в поэме Антипатра Солунского , восхваляющего его как трудосберегающее приспособление (IX, 418.4–6). [44] Этот мотив также подхватил Лукреций (ок. 99–55 до н. э.), который уподобляет вращение водяного колеса движению звезд на небосводе (V 516). [45] Третий тип с горизонтальной осью, водяное колесо с грудным выстрелом, появляется в археологических свидетельствах конца 2-го века нашей эры в центральной Галлии . [46] Большинство раскопанных римских водяных мельниц были оснащены одним из этих колес, которые, хотя и были более сложными в конструкции, были гораздо более эффективными, чем водяное колесо с вертикальной осью. [47] Во 2-м веке нашей эры комплекс водяных мельниц Барбегала ряд из шестнадцати овершотных колес питался искусственным акведуком, протопромышленной зерновой фабрикой, которую называли «величайшей известной концентрацией механической энергии в древнем мире». [48]
В римской Северной Африке было обнаружено несколько сооружений примерно 300 г. н. э., где водяные колеса с вертикальной осью и наклонными лопастями были установлены на дне заполненного водой круглого вала. Вода из мельницы, которая по касательной попадала в яму, создавала закрученный столб воды, который заставлял полностью погруженное колесо действовать как настоящие водяные турбины , самые ранние из известных на сегодняшний день. [49]
Помимо использования при фрезеровании и подъеме воды, древние инженеры применяли лопастное водяное колесо для автоматов и в навигации. Витрувий (X 9,5–7) описывает многозубчатые гребные колеса, работающие как корабельный одометр , самые ранние в своем роде. Первое упоминание о гребных колесах как средстве передвижения встречается в военном трактате IV–V веков « De Rebus Bellicis» (глава XVII), где анонимный римский автор описывает военный корабль с гребными колесами, управляемый быками. [50]
Древняя технология водяного колеса не ослабевала и в период раннего средневековья, когда появление новых документальных жанров, таких как юридические кодексы , монастырские уставы , а также агиография , сопровождалось резким увеличением упоминаний о водяных мельницах и колесах. [51]
Самое раннее вертикальное колесо приливной мельницы датируется 6-м веком в Киллотерене недалеко от Уотерфорда , Ирландия , [52] тогда как первое известное горизонтальное колесо в мельнице такого типа находится на острове Малый Ирландский (около 630 г.). [53] Что касается использования в обычной норвежской или греческой мельнице, самые старые известные горизонтальные колеса были раскопаны в ирландском Балликиллине и датируются ок. 636. [53]
Самым ранним раскопанным водяным колесом, приводимым в движение приливной силой , была мельница монастыря Нендрум в Северной Ирландии , датируемая 787 годом, хотя, возможно, более ранняя мельница датируется 619 годом. Приливные мельницы стали обычным явлением в устьях рек с хорошим диапазоном приливов как в Европе, так и в Америке. с использованием недокатных колес.
Цистерцианские монастыри , в частности, широко использовали водяные колеса для привода в действие водяных мельниц многих видов. [21] Ранним примером очень большого водяного колеса является до сих пор сохранившееся колесо начала XIII века Real Monasterio de Nuestra Senora de Rueda , цистерцианского монастыря в регионе Арагон в Испании . Бесспорно, самыми распространенными были мельницы (для кукурузы), но существовали также лесопилки, валялки и мельницы для выполнения многих других трудоемких работ. Водяное колесо оставалось конкурентоспособным по сравнению с паровым двигателем даже во время промышленной революции . Примерно в VIII-X веках ряд ирригационных технологий были завезены в Испанию и, таким образом, представлены в Европе. Одной из таких технологий является Noria, которая по сути представляет собой колесо, оснащенное ковшами на периферийных устройствах для подъема воды. Оно похоже на недопущенное водяное колесо, упомянутое далее в этой статье. Это позволило крестьянам более эффективно приводить в действие водяные мельницы. Согласно книге Томаса Глика « Ирригация и общество в средневековой Валенсии» , Нория, вероятно, возникла откуда-то в Персии . Она использовалась на протяжении веков, прежде чем эта технология была завезена в Испанию арабами, которые переняли ее у римлян. Таким образом, распространение Нории на Пиренейском полуострове «соответствует территории стабильного исламского поселения». [54] Эта технология оказала глубокое влияние на жизнь крестьян. Нория относительно дешева в постройке. 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.
Собрание, созванное Вильгельмом Нормандским , обычно называемое « Судным днем » или обследованием Судного дня, провело инвентаризацию всей потенциально облагаемой налогом собственности в Англии, которая включала более шести тысяч мельниц, разбросанных по трем тысячам различных мест, [55] по сравнению с менее чем сто в предыдущем столетии. [21]
Выбор типа водяного колеса зависел от местоположения. Обычно, если бы были доступны только небольшие объемы воды и высокие водопады, слесарь предпочел бы использовать овершотное колесо . На это решение повлиял тот факт, что ведра могли улавливать и использовать даже небольшой объем воды. [56] Для больших объемов воды с небольшими водопадами можно было бы использовать недострельное колесо, поскольку оно было более приспособлено к таким условиям и дешевле в конструкции. Пока этих запасов воды было в изобилии, вопрос эффективности оставался неактуальным. К 18 веку, когда увеличился спрос на электроэнергию в сочетании с ограниченностью водных ресурсов, упор был сделан на схему эффективности. [56]
К 11 веку в Европе были части, где эксплуатация воды была обычным явлением. [55] Считается, что водяное колесо активно сформировало и навсегда изменило мировоззрение жителей Запада. Европа начала переход от человеческого и животного мускульного труда к механическому труду с появлением водяного колеса. Медеевист 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. [55]
Использование энергии воды позволило повысить производительность сельского хозяйства, излишки продовольствия и крупномасштабную урбанизацию, начиная с 11 века. Полезность гидроэнергетики побудила европейцев экспериментировать с другими источниками энергии, такими как ветряные и приливные мельницы. [57] Водяные колеса повлияли на строительство городов, в частности каналов. Технологии, разработанные в этот ранний период, такие как затор ручьев и строительство каналов , вывели Европу на путь, ориентированный на гидравлику , например, технологии водоснабжения и орошения были объединены для изменения мощности подачи колеса. [58] Иллюстрируя степень, в которой существовала высокая степень технологических инноваций, которые удовлетворяли растущие потребности феодального государства .
Водяная мельница использовалась для измельчения зерна, производства муки для хлеба, солода для пива или грубой муки для каши. [59] Молотковые мельницы использовали колесо для работы молотков. Одним из типов была валяльная мельница , которая использовалась для изготовления тканей. Отбойный молоток также использовался для изготовления кованого железа и придания ему полезных форм, что в противном случае было трудоемким. Водяное колесо также использовалось в производстве бумаги , перемалывая материал до состояния кашицы. В 13 веке водяные мельницы, использовавшиеся для ковки по всей Европе, повысили производительность раннего производства стали. Наряду с владением порохом, водная мощь обеспечивала европейским странам мировое военное лидерство с 15 века.
Миллрайты различали две силы, импульс и вес, действующие в водяных колесах задолго до Европы XVIII века. Фицгерберт, писатель-аграрник XVI века, писал: «Колесо сушит как под тяжестью воды, так и под действием силы [импульса]». [60] Леонардо да Винчи также обсуждал силу воды, отмечая, что «удар [воды] не имеет веса, но возбуждает силу веса, почти равную ее собственной силе». [61] Однако даже при осознании двух сил, веса и импульса, оставалась путаница в отношении преимуществ и недостатков этих двух сил, и не было четкого понимания превосходящей эффективности веса. [62] До 1750 года не было уверенности в том, какая сила преобладает, и было широко распространено мнение, что обе силы действовали с одинаковым вдохновением друг друга. [63] Водяное колесо вызвало вопросы о законах природы, особенно о законах силы . В работе Евангелисты Торричелли о водяных колесах использовался анализ работы Галилея о падающих телах, согласно которому скорость воды, вытекающей из отверстия под его головой , в точности эквивалентна скорости, которую приобретает капля воды, свободно падая с той же высоты. [64]
Водяное колесо было движущей силой самых ранних этапов индустриализации в Британии. В гидромолотах и сильфонах доменных печей использовались возвратно-поступательные устройства с водяным приводом. Водяная рама Ричарда Аркрайта приводилась в движение водяным колесом. [65]
Самым мощным водяным колесом, построенным в Соединенном Королевстве, было водяное колесо Quarry Bank Mill мощностью 100 л.с. недалеко от Манчестера. Имея высокую грудь, он был снят с эксплуатации в 1904 году и заменен несколькими турбинами. Сейчас он отреставрирован и представляет собой музей, открытый для публики.
Самое большое действующее водяное колесо на материковой Великобритании имеет диаметр 15,4 м (51 фут) и было построено компанией De Winton из Кернарфона. Он расположен в мастерских Динорвика Национального музея сланца в Лланберисе , Северный Уэльс .
Самое большое действующее водяное колесо в мире — Колесо Лакси (также известное как Леди Изабелла ) в деревне Лакси , остров Мэн . Его диаметр 72 фута 6 дюймов (22,10 м) и ширина 6 футов (1,83 м) поддерживается Национальным наследием острова Мэн .
Во время промышленной революции , в первой половине XIX века, инженеры начали разрабатывать более совершенные колеса. В 1823 году Жан-Виктор Понселе изобрел очень эффективную конструкцию колеса с перекатом , которая могла работать на очень низких головках, которая была коммерциализирована и стала популярной к концу 1830-х годов. Другие конструкции, такие как колесо Сагебиена , появились позже. В то же время Клод Бурден работал над совершенно другой машиной, которую он назвал турбиной , а его ученик Бенуа Фурнейрон спроектировал первую коммерческую машину в 1830-х годах.
Развитие водяных турбин привело к снижению популярности водяных колес. Основное преимущество турбин состоит в том, что их способность использовать головку намного превышает диаметр турбины, тогда как водяное колесо не может эффективно использовать головку, превышающую ее диаметр. Переход от водяных колес к современным турбинам занял около ста лет.
Водяные колеса использовались для привода в действие лесопилок, мельниц и для других целей во время развития Соединенных Штатов. Водяное колесо диаметром 40 футов (12 м) в Маккое, штат Колорадо , построенное в 1922 году, является сохранившимся из многих, которые поднимали воду для орошения из реки Колорадо .
Двумя ранними улучшениями были колеса с подвеской и зубчатая передача на ободе. Колеса с подвеской сконструированы так же, как колесо велосипеда, обод поддерживается под напряжением ступицы - это привело к созданию более легких колес большего размера, чем в предыдущей конструкции, где тяжелые спицы находились под сжатием. Ободная передача подразумевала добавление зубчатого колеса к ободу или кожуху колеса. Коротковая шестерня зацеплялась с ободной шестерней и передавала мощность на 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, впервые предложенного Томасом Хьюсом и усовершенствованного Уильямом Армстронгом Фэйрберном, можно увидеть на отреставрированном колесе 1849 года на складе Portland Basin Canal Warehouse . [66]
В некоторой степени родственными были рыбные колеса, используемые на северо-западе Америки и на Аляске, которые вылавливали лосося из потока рек.
.jpg/1280px-Garfield_water_wheel_(State_Library_of_Victoria_IE1864826).jpg)
В Австралии относительно сухой климат, тем не менее, там, где были доступны подходящие водные ресурсы, в Австралии в 19 веке были построены водяные колеса. Они использовались для питания лесопилок, мукомольных заводов и штамповочных батарей , используемых для дробления золотосодержащей руды. Яркими примерами водяных колес, используемых в операциях по добыче золота, были большое водяное колесо Гарфилда возле Чьютона — одно из по крайней мере семи водяных колес в окрестностях — и два водяных колеса у водопада Аделонг ; некоторые остатки существуют на обоих объектах. [67] [68] [69] [70] В горнодобывающем районе Валгаллы когда-то было как минимум два водяных колеса, одно из которых было доставлено на место из Порт-Альберта по ободу с использованием новой тележки, что заняло почти 90 дней. . [71] Водяное колесо в Джиндабайне , построенное в 1847 году, было первой машиной, использовавшейся для извлечения энергии — для мукомольного производства — из реки Сноуи . [72]
Компактные водяные колеса, известные как колеса Детриджа , использовались не в качестве источников энергии, а для измерения потоков воды на орошаемые земли. [73]
Водяные колеса широко использовались в Новой Зеландии. [74] Хорошо сохранившиеся остатки водяного колеса молодой австралийской шахты существуют недалеко от города-призрака Карриктаун , [75] а остатки водяного колеса мельницы Феникс находятся недалеко от Оамару . [76]
Ранняя история водяной мельницы в Индии неясна. В древних индийских текстах, датируемых IV веком до нашей эры, упоминается термин чаккаваттака (вращающееся колесо), который в комментариях объясняется как арахатта-гхати-янта (машина с прикрепленными к ней горшками-колесами). На этом основании Джозеф Нидэм предположил, что машина была норией . Терри С. Рейнольдс, однако, утверждает, что «термин, используемый в индийских текстах, неоднозначен и не указывает явно на устройство с водяным приводом». Торкильд Шиолер утверждал, что «более вероятно, что эти отрывки относятся к некоторому типу водоподъемного устройства с гусеничным или ручным управлением, а не к водоподъемному колесу с водяным приводом». [77]
Согласно греческой исторической традиции, Индия получила водяные мельницы от Римской империи в начале 4 века нашей эры, когда некий Метродорос ввел «водяные мельницы и бани, неизвестные среди них [брахманов] до тех пор». [78] Вода для орошения сельскохозяйственных культур обеспечивалась с помощью водоподъёмных колес, некоторые из которых приводились в движение силой течения в реке, из которой поднималась вода. Этот вид устройства для поднятия воды использовался в древней Индии , по мнению Пейси, до его использования в более поздней Римской империи или Китае, [79] хотя первые литературные, археологические и графические свидетельства водяного колеса появились в эллинистическом мире. . [80]
Около 1150 года астроном Бхаскара Ачарья наблюдал за колесами, поднимающими воду, и представил себе, что такое колесо поднимает достаточно воды, чтобы пополнить поток, приводя его в действие, по сути, как вечный двигатель. [81] 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. [82]
После распространения ислама инженеры исламского мира продолжили водные технологии древнего Ближнего Востока; о чем свидетельствуют раскопки канала в районе Басры с остатками водяного колеса, датируемого VII веком. В Хаме в Сирии до сих пор сохранились некоторые из своих больших колес на реке Оронт , хотя они больше не используются. [83] Один из крупнейших 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 Мурсии в Испании , Ла-Нора, и хотя оригинальное колесо было заменено стальным, в остальном мавританской система во время Аль-Андалуса практически не изменилась. Некоторые средневековые исламские водяные колеса с отсеками могли поднимать воду на высоту до 30 метров (100 футов). [84] В «Китаб аль-Хави » Мухаммада ибн Закарии ар-Рази в X веке описывается нория в Ираке, которая могла поднимать до 153 000 литров в час (34 000 имп галлонов в час) или 2550 литров в минуту (560 имп галлонов в час). гал/мин). Это сопоставимо с производительностью современных нориев 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). [85]
Промышленное использование водяных мельниц в исламском мире восходит к 7 веку, тогда 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 заводы , сталелитейные заводы , сахарные заводы и приливные мельницы . К 11 веку эти промышленные водяные мельницы работали в каждой провинции исламского мира, от Аль-Андалуса и Северной Африки до Ближнего Востока и Центральной Азии . [86] Мусульманские и христианские инженеры также использовали коленчатые валы и водяные турбины , шестерни водяных мельниц и водоподъёмных машин , а также плотины в качестве источника воды, используемой для подачи дополнительной энергии водяным мельницам и водоподъёмным машинам. [87] Валяльные и сталелитейные заводы, возможно, распространились из исламской Испании в христианскую Испанию в 12 веке. Промышленные водяные мельницы также использовались в крупных фабричных комплексах, построенных в Аль-Андалусе между 11 и 13 веками. [88]
Инженеры исламского мира разработали несколько решений для достижения максимальной производительности водяного колеса. Одним из решений было установить их на опорах мостов , чтобы воспользоваться увеличением потока. Другим решением была судоходная мельница — тип водяной мельницы , приводившейся в движение водяными колесами, установленными на бортах кораблей , пришвартованных посередине течения. Этот метод использовался вдоль рек Тигр и Евфрат в Ираке 10-го века , где большие судовые мельницы из тика и железа могли производить 10 тонн кукурузной муки каждый день для зернохранилища в Багдаде . [89] Механизм маховика , служащий для сглаживания подачи мощности от приводного устройства к ведомой машине, был изобретен Ибн Бассалом ( фл. 1038–1075) из Аль-Андалуса ; он первым применил маховик в сакия ( цепной насос ) и нория. [90] Инженеры Аль-Джазари в 13 веке и Таки ад-Дин в 16 веке описали множество изобретательных водоподъёмных машин в своих технологических трактатах. Они также использовали водяные колеса для питания различных устройств, в том числе различных водяных часов и автоматов .
Недавняя разработка колеса для грудного выстрела представляет собой гидравлическое колесо, которое эффективно включает в себя системы автоматического регулирования. Одним из примеров является Aqualienne. Он генерирует от 37 до 200 кВт электроэнергии из потока воды объемом 20 м 3 (710 куб. футов) и напором от 1 до 3,5 м (от 3 до 11 футов). [91] Он предназначен для производства электроэнергии на месте бывших водяных мельниц.
Колеса с овершотом (и особенно с обратным выстрелом) являются наиболее эффективным типом; стальное колесо с обратным выстрелом может быть более эффективным (около 60%), чем все турбины , кроме самых совершенных и хорошо сконструированных . В некоторых ситуациях колесо с промахом предпочтительнее турбины. [92]
Разработка гидротурбинных колес с повышенным КПД (>67%) открыла альтернативный путь установки водяных колес на существующие мельницы или реконструкцию заброшенных мельниц.
Энергия, доступная колесу, состоит из двух компонентов:
Кинетическая энергия может быть учтена путем преобразования ее в эквивалентный напор, скоростной напор, и прибавления ее к фактическому напору. Для стоячей воды скоростной напор равен нулю, а для медленно движущейся воды в хорошем приближении он пренебрежимо мал и им можно пренебречь. Скорость в хвостовой гонке не учитывается, поскольку для идеального колеса вода уходила бы с нулевой энергией, что требует нулевой скорости. Это невозможно, вода должна отходить от колеса, и это является неизбежной причиной неэффективности.
Мощность – это скорость доставки энергии , которая определяется скоростью потока. Было подсчитано, что древний римский керн с приводом от осла или рабов производил около половины лошадиной силы , горизонтальное водяное колесо - чуть более половины лошадиной силы, вертикальное водяное колесо с перекосом - около трех лошадиных сил, а средневековое водяное колесо Овершотное водяное колесо производило до сорока-шестидесяти лошадиных сил. [93]
пунктирное обозначение
Напор представляет собой разницу по высоте между поверхностями воды в головном и хвостовом каналах. Скоростной напор рассчитывается по скорости воды в напорной трубе в том же месте, где измеряется напор. Скорость (скорость) можно измерить методом пуховых палочек, определяя время движения плавающего объекта на измеренном расстоянии. Вода на поверхности движется быстрее, чем вода ближе ко дну и по бокам, поэтому следует применить поправочный коэффициент, как указано в формуле ниже. [94]
Существует множество способов измерения объемного расхода . Два самых простых:
Параллельной разработкой является гидравлическая реактивная турбина колеса/части, которая также включает в себя водослив в центре колеса, но использует лопасти, расположенные под углом к потоку воды. Машина давления штока WICON (SPM) использует этот поток. [100] Расчетная эффективность 67%.
Школа гражданского строительства и окружающей среды Саутгемптонского университета в Великобритании исследовала оба типа гидравлических колесных машин, оценила их гидравлический КПД и предложила улучшения, например, роторную машину с гидравлическим давлением. (Расчетный максимальный КПД 85%). [101]
Водяные 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 постоянными магнитами с прямым приводом и силовой электроникой они представляют собой жизнеспособную альтернативу для производства гидроэлектроэнергии с низким напором .
^ Пунктирные обозначения. Точка над количеством означает, что это ставка. Другими словами, сколько каждую секунду или сколько в секунду. В этой статье q — объем воды,объем воды в секунду. q, как и количество воды, используется во избежание путаницы с v, обозначающим скорость.
Неудивительно, что все водоподъемные устройства, основанные на разделенных колесах или цилиндрах, возникли в сложный, научно развитый эллинистический период...
Внезапное появление литературных и археологических свидетельств существования разделенного на отдельные части колеса в третьем веке до нашей эры резко контрастирует с полным отсутствием более ранних свидетельств, позволяющих предположить, что это устройство было изобретено незадолго до этого.
Ссылки на водяные колеса в древней Месопотамии , встречающиеся в справочниках и популярных источниках, по большей части основаны на ложном предположении, что аккадский эквивалент логограммы GIS.APIN был нартабу и обозначал инструмент для полива («инструмент для увлажнения воды»). ").
По итогам своих исследований Лессо пишет по вопросу о сакии следующее: «Я считаю маловероятным, чтобы какое-либо упоминание о сакии появилось в древних месопотамских источниках». По его мнению, нам следует обратить внимание на Александрию, «где кажется правдоподобным предположить, что сакия была изобретена».
Текст лицензирован штатом Новый Южный Уэльс (Департамент планирования и окружающей среды) по лицензии CC-BY 4.0.Это также период, когда водяные мельницы начали распространяться за пределы бывшей Империи. Согласно Седренусу (сборник Historiarum), некий Метродорос, отправившийся в Индию в ок. 325 г. н.э. «построили водяные мельницы и бани, неизвестные им [брахманам] до того времени».
