Архимедов винт

Механизм перекачки воды

Анимация, демонстрирующая работу винта Архимеда, где красные шарики символизируют воду.

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

Винт Архимеда , также известный как архимедов винт , гидродинамический винт , водяной винт или египетский винт , ^[1] является одной из самых ранних гидравлических машин, названной в честь греческого математика Архимеда , который впервые описал ее около 234 г. до н. э., хотя устройство использовалось еще в Древнем Египте . ^[2] Это обратимая гидравлическая машина, и существует несколько примеров установок с винтом Архимеда, где винт может работать в разное время как насос или генератор, в зависимости от потребности в электроэнергии и расхода воды.

Как машина, используемая для подъема воды из низкорасположенного водоема в оросительные канавы, вода поднимается путем поворота винтовой поверхности внутри трубы. В современном мире насосы с архимедовым винтом широко используются на очистных сооружениях и для осушения низинных регионов. Работая в обратном направлении, турбины с архимедовым винтом действуют как новая форма малой гидроэлектростанции, которая может применяться даже на участках с низким напором . Такие генераторы работают в широком диапазоне расходов (от 0,01 до 14,5 м ) и напоров (от 0,1 м до 10 м), включая низкие напоры и умеренные скорости потока, что не идеально для традиционных турбин и не занято высокопроизводительными технологиями. ${\displaystyle m^{3}/s}$ ${\displaystyle m^{3}/s}$

История

Водяной насос в Египте , 1950-е годы, в котором используется механизм Архимеда.

Самые ранние записи

Винтовой насос является старейшим насосом объемного вытеснения . ^[1] Первые записи о водяном винте или винтовом насосе относятся к эллинистическому Египту до 3-го века до н. э. ^{[1] [3]} Египетский винт, используемый для подъема воды из Нила , состоял из трубок, намотанных вокруг цилиндра; по мере вращения всего устройства вода поднимается внутри спиральной трубы на более высокую высоту. Более поздняя конструкция винтового насоса из Египта имела спиральную канавку, вырезанную на внешней стороне цельного деревянного цилиндра, а затем цилиндр был покрыт досками или листами металла, плотно закрывающими поверхности между канавками. ^[1]

Некоторые исследователи предположили, что это устройство использовалось для орошения Висячих садов Семирамиды , одного из Семи чудес Древнего мира . Клинописная надпись ассирийского царя Сеннахирима (704–681 до н. э.) была интерпретирована Стефани Далли ^[4] как описание литья водяных винтов в бронзе примерно 350 лет назад. Это согласуется с греческим историком Страбоном , который описывает Висячие сады как орошаемые винтами. ^[5]

роль Архимеда

Винтовой насос был позже завезен из эллинистического Египта в Грецию. ^[1] Он был описан Архимедом , ^[6] по случаю его визита в Египет , около 234 г. до н. э. ^[7] Эта традиция может отражать только то, что аппарат был неизвестен грекам до эллинистических времен. ^[6] Афиней из Навкратиса цитирует некоего Мошиона в описании того, как Гиерон II из Сиракуз заказал проект Syracusia , роскошного корабля, который должен был стать демонстрацией морской мощи . ^[8] Говорят, что это был самый большой корабль, построенный в классической античности , и был спущен на воду Архимедом, который спроектировал устройство с вращающейся лопастью в форме винта внутри цилиндра для удаления любой потенциальной утечки воды через корпус. ^[9] Винт Архимеда вращался вручную и также мог использоваться для перекачки воды из низкорасположенного водоема в оросительные каналы. ^{[10] [11]}

Архимед никогда не заявлял о своей причастности к изобретению, но 200 лет спустя Диодор приписал его ему , считая, что Архимед изобрел винтовой насос в Египте. ^[1] Изображения греческих и римских водяных винтов показывают, что они приводятся в действие человеком, наступающим на внешний корпус, чтобы вращать весь аппарат как единое целое, для чего потребовалось бы, чтобы корпус был жестко прикреплен к винту.

Развитие и современное использование

Немецкий инженер Конрад Кизер оснастил винт Архимеда кривошипным механизмом в своем Bellifortis (1405). Этот механизм быстро заменил древнюю практику обработки трубы резьбой. ^[12] Первым в мире морским пароходом, приводимым в движение гребным винтом, был SS Archimedes , который был спущен на воду в 1839 году и назван в честь Архимеда и его работы над винтом. ^[13] Развитие морского транспорта произошло в течение следующих 180 лет с разработки двухлопастного судна Fawcett, Preston and Company и патентов Sharrow Marine для решения проблемы вращательного движения и управления потоком на судах с помощью петлевых винтов. Выработка электроэнергии с помощью гидроэнергетических насосов, таких как проект Meriden, эксплуатируемый New England Hydropower, также использует винт Архимеда для направления воды в верхнюю часть, а не в нижнюю часть винта, что заставляет его вращаться. ^{[14] [15]}

Современные винты Архимеда, которые заменили некоторые ветряные мельницы, использовавшиеся для осушения польдеров в Киндердейке в Нидерландах.

Архимедов винт как форма искусства Тони Крэгга в Хертогенбосе , Нидерланды

Архимедовы винты используются в очистных сооружениях, поскольку они хорошо справляются с различными скоростями потока и взвешенными твердыми частицами. ^[16] Винтовые турбины (ВТ) представляют собой новую форму генератора для малых гидроэлектростанций, которые могут применяться даже на участках с низким напором. Низкая скорость вращения ВТ снижает негативное воздействие на водную флору и фауну и рыбу. Эта технология используется в основном на рыбоводных заводах для безопасного подъема рыбы из прудов и транспортировки ее в другое место. Архимедов винт использовался при успешной стабилизации Пизанской башни в 2001 году . Небольшие количества подпочвы , насыщенной грунтовыми водами, были удалены намного ниже северной стороны башни, а вес самой башни исправил наклон.

Другие изобретения, использующие винты Архимеда, включают шнековый конвейер в снегоочистителе , зерновой элеватор , бетономешалку и шоколадный фонтан .

Дизайн

Винт Архимеда состоит из винта ( винтовой поверхности, окружающей центральный цилиндрический вал) внутри полой трубы. Винт обычно вращается ветряной мельницей, ручным трудом, скотом или современными средствами, такими как двигатель. Когда вал вращается, нижний конец зачерпывает объем воды. Затем эта вода проталкивается вверх по трубе вращающимся геликоидом, пока не выльется из верхней части трубы.

Поверхность контакта между винтом и трубой не обязательно должна быть идеально водонепроницаемой, пока количество воды, зачерпываемой с каждым оборотом, велико по сравнению с количеством воды, вытекающей из каждой секции винта за один оборот. Если вода из одной секции просачивается в следующую, более низкую, она будет перенесена вверх следующим сегментом винта.

В некоторых конструкциях винт сплавлен с корпусом, и они оба вращаются вместе, вместо того, чтобы винт вращался внутри неподвижного корпуса. Винт может быть герметизирован к корпусу смолой или другим клеем, или винт и корпус могут быть отлиты вместе как единое целое из бронзы.

Конструкция обычного греческого и римского водяного винта, в отличие от тяжелого бронзового устройства Сеннахирима с его проблемными приводными цепями, отличается мощной простотой. Двойная или тройная спираль была построена из деревянных полос (или иногда бронзовых листов) вокруг тяжелого деревянного столба. Цилиндр был построен вокруг спиралей с использованием длинных узких досок, прикрепленных к их периферии и водонепроницаемых смолой. ^[5]

Исследования показывают, что объем потока, проходящего через винты Архимеда, является функцией глубины входа, диаметра и скорости вращения винта. Поэтому для проектирования 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 в и: ${\displaystyle D_{O}}$ ${\displaystyle (m)}$

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

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

На основе общих стандартов, используемых конструкторами винтов Архимеда, это аналитическое уравнение можно упростить следующим образом: ^[17]

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

Значение η можно просто определить с помощью графика или диаграммы. ^[17] Определив , можно рассчитать другие конструктивные параметры винтов Архимеда с помощью пошагового аналитического метода. ${\displaystyle \eta }$ ${\displaystyle \Theta }$ ${\displaystyle D_{O}}$

Варианты

Архимедов винт на комбайне

Винтовой конвейер — это похожее устройство, которое транспортирует сыпучие материалы, такие как порошки и зерновые . Он находится внутри трубы и вращается двигателем для доставки материала с одного конца конвейера на другой и особенно подходит для транспортировки гранулированных материалов, таких как пластиковые гранулы, используемые в литье под давлением. Он также может использоваться для транспортировки жидкостей. В промышленных системах управления конвейер может использоваться как вращающийся питатель или питатель с переменной скоростью для подачи измеренной скорости или количества материала в процесс.

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

Обратное действие

Если вода подается в верхнюю часть винта Архимеда, она заставит винт вращаться. Вращающийся вал затем может использоваться для привода электрогенератора. Такая установка имеет те же преимущества, что и использование винта для перекачивания: способность обрабатывать очень грязную воду и сильно меняющиеся скорости потока с высокой эффективностью. Settle Hydro и Torrs Hydro — это две микрогидросхемы с обратным винтом , работающие в Англии. Винт хорошо работает как генератор при низких напорах , что обычно встречается в английских реках, включая Темзу , питающую Виндзорский замок . ^[18]

Смотрите также

• Архимедова спираль
• Винтовое транспортное средство
• Винт (простой механизм)
• Спиральный насос
• Тороидальный пропеллер
• Витрувий

Примечания

1. Стюарт, Бобби Элтон; Терри А. Хауэлл (2003). Энциклопедия науки о воде. США: CRC Press. стр. 759. ISBN 0-8247-0948-9.
2. Новая стандартная энциклопедия. Standard Educational Corp. 1978. стр. A-257. ISBN 9780873921831. Получено 30 апреля 2020 г. . Винт Архимеда был разработан в Древнем Египте и впоследствии использовался Архимедом (287–212 гг. до н. э.)
3. "Винт". Encyclopaedia Britannica online . The Encyclopaedia Britannica Co. 2011. Получено 24.03.2011 .
4. Стефани Далли, Тайна висячего сада Семирамиды: неуловимое чудо света , найденное (2013), OUP ISBN 978-0-19-966226-5 
5. Dalley, Stephanie; Oleson, John Peter (2003). «Сеннахериб, Архимед и водяной винт: контекст изобретения в Древнем мире». Технология и культура . 44 (1): 1–26. doi :10.1353/tech.2003.0011. S2CID  110119248.
6. Олесон 2000, стр. 242–251.
7. Хейвен, Кендалл Ф. (2006). Сто величайших научных изобретений всех времен. США: Libraries Unlimited. стр. 6–. ISBN 1-59158-264-4.
8. Кассон, Лайонел (1971). Корабли и мореплавание в Древнем мире . Princeton University Press. ISBN 978-0-691-03536-9.
9. "Athenaeus, The Deipnosophists, BOOK V., chapter 40". www.perseus.tufts.edu . Архивировано из оригинала 15 марта 2023 г. . Получено 7 марта 2023 г. .
10. Dalley, Stephanie ; Oleson, John Peter . "Sennacherib, Archimedes, and the Water Screw: The Context of Invention in the Ancient World". Technology and Culture Volume 44, Number 1, January 2003 (PDF). Архивировано из оригинала 16 июля 2015 . Получено 23 июля 2007 .
11. Роррес, Крис. «Винт Архимеда – Оптимальное проектирование». Институт математических наук Куранта. Архивировано из оригинала 22 июля 2012 г. Получено 23 июля 2007 г.
12. Уайт 1962, стр. 105, 111, 168.
13. "SS Archimedes". wrecksite.eu. Архивировано из оригинала 2 октября 2011 года . Получено 22 января 2011 года .
14. HLADKY, GREGORY B. «Архимедов винт используется для генерации электроэнергии на плотине Мериден». courant.com . Получено 01.08.2017 .
15. "Электростанция Meriden использует винтовую турбину Архимеда" . Получено 01.08.2017 .
16. Бен Финио (11 июля 2019 г.). «Поднимите воду с помощью винта Архимеда». Scientific American.
17. YoosefDoost, Arash; Lubitz, William David (декабрь 2021 г.). «Руководство по проектированию гидроэлектростанций с использованием одного или нескольких винтов Архимеда». Процессы . 9 (12): 2128. doi : 10.3390/pr9122128 .
18. BBC. «Водяная турбина Виндзорского замка установлена ​​на реке Темзе» bbc.com , 20 сентября 2011 г. Получено: 19 октября 2017 г.

Источники

• П. Дж. Кантерт: «Руководство по архимедову винтовому насосу», 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: D. Reidel, ISBN 90-277-1693-5
• Олесон, Джон Питер (2000), «Подъем воды», в Викандере, Орджане (ред.), Справочник по древним водным технологиям , Технологии и изменения в истории, т. 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 к винту Архимеда, используемому в гидроэнергетике», журнал ASCE Journal of Hydraulic Engineering, 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 ASCE по гидравлическому машиностроению, 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), Средневековая технология и социальные изменения , Оксфорд: В издательстве Clarendon Press

Внешние ссылки

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