Водяное колесо — это машина для преобразования энергии текущей или падающей воды в полезные формы мощности, часто в водяной мельнице . Водяное колесо состоит из колеса (обычно изготовленного из дерева или металла) с несколькими лопастями или ковшами , расположенными на внешнем ободе, образующими движущуюся машину. Водяные колеса все еще использовались в коммерческих целях вплоть до 20 века, но сегодня они уже не используются повсеместно. Их использовали для помола муки на мельницах , измельчения древесины в пульпу 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, когда текущий поток перегорожен плотиной . Канал для воды, текущей к водяному колесу или от него, называется мельничным желобом . Канал, подающий воду из мельничного пруда к водяному колесу, называется верхним желобом ; тот, по которому вода после того, как она покинула колесо, обычно называется нижним желобом . [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 средневековой Европе и исламском Золотом веке , а также в других местах. В середине-конце 18 века научное исследование водяного колеса Джоном Смитоном привело к значительному повышению эффективности, обеспечивая столь необходимую энергию 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 выдерживать высокие напоры или высоты , которые превышают возможности водяных колес практических размеров.
Основная сложность водяных колес заключается в их зависимости от текущей воды, что ограничивает их размещение. Современные гидроэлектростанции можно рассматривать как потомков водяного колеса, поскольку они также используют движение воды под уклон.
Водяные колеса бывают двух основных конструкций: [4]
Последние можно подразделить в зависимости от того, где вода попадает в колесо, на колеса с обратным ударом (pitch-back [5] ), с верхним ударом, с грудным ударом, с нижним ударом и с ручьём. [6] [7] [8] Термин «недоход» может относиться к любому колесу, где вода проходит под колесом [9], но обычно он подразумевает, что вход воды находится низко на колесе.
Водяные колеса с верхним и нижним выбросом обычно используются там, где разница высот составляет более пары метров. Колеса с нижним выбросом больше подходят для больших потоков с умеренным напором . Колеса с нижним выбросом и ручьевым выбросом используют большие потоки при небольшом напоре или без него.
Часто имеется связанный с мельницей пруд , резервуар для хранения воды и, следовательно, энергии, пока она не понадобится. Большие головки хранят больше гравитационной потенциальной энергии для того же количества воды, поэтому резервуары для колес с верхним и обратным ударом, как правило, меньше, чем для колес с грудным ударом.
Колеса с верхним и нижним наклоном подходят для небольших ручьев с перепадом высот более 2 метров (6,5 футов), часто в сочетании с небольшим водохранилищем. Колеса с нижним наклоном и нижним наклоном можно использовать на реках или потоках с большим объемом и большими водохранилищами.
Горизонтальное колесо с вертикальной осью.
Обычно называемое колесом ванны , норвежской мельницей или греческой мельницей , [10] [11] горизонтальное колесо является примитивной и неэффективной формой современной турбины. Однако, если оно обеспечивает требуемую мощность, то эффективность имеет второстепенное значение. Обычно оно устанавливается 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.
Колесо ручья [6] [12] — это вертикально установленное водяное колесо, которое вращается водой в водотоке, ударяя по лопастям или лопаткам в нижней части колеса. Этот тип водяного колеса является старейшим типом колеса с горизонтальной осью. [ необходима цитата ] Их также называют колесами со свободной поверхностью, поскольку вода не ограничена мельничными канавками или ямами для колес. [ необходима цитата ]
Колеса ручья дешевле и проще в изготовлении, и они оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, чем другие типы колес. Они не представляют собой существенного изменения реки. Их недостатками является их низкая эффективность, что означает, что они генерируют меньше энергии и могут использоваться только там, где скорость потока достаточна. Типичное колесо с плоским бортом с нижним спуском использует около 20 процентов энергии потока воды, бьющего в колесо, как было измерено английским инженером-строителем Джоном Смитоном в 18 веке. [13] Более современные колеса имеют более высокую эффективность.
Колеса ручья получают мало или совсем не получают преимуществ от напора, разницы в уровне воды.
Колеса ручья, установленные на плавучих платформах, часто называют колесами бедра, а мельницу — судовой мельницей . Иногда их устанавливали сразу же ниже по течению от мостов , где ограничение потока опорами моста увеличивало скорость течения. [ необходима цитата ]
Исторически они были очень неэффективны, но в восемнадцатом веке были достигнуты значительные успехи. [14]
Колесо с нижним спуском — это вертикально установленное водяное колесо с горизонтальной осью, которое вращается водой из низкого водослива, ударяющего колесо в нижней четверти. Большая часть энергии поступает от движения воды и сравнительно небольшая — от напора. По принципу действия и конструкции они похожи на струйные колеса.
Термин «недокус» иногда используется в родственных, но разных значениях:
Это самый старый тип вертикального водяного колеса.
Слово breastshot используется в разных значениях. Некоторые авторы ограничивают термин колесами, где вода поступает примерно в 10-часовом положении, другие — в 9-часовом положении, а третьи — в диапазоне высот. [17] В этой статье он используется для колес, где вода поступает значительно выше дна и значительно ниже верха, как правило, в средней половине.
Для них характерны:
Используется как кинетическая (движение), так и потенциальная (рост и вес) энергия.
Небольшой зазор между колесом и кладкой требует, чтобы у дробильного круга была хорошая мусорная решетка («экран» в британском английском), чтобы предотвратить застревание мусора между колесом и фартуком и потенциальное нанесение серьезного ущерба.
Колеса Breastshot менее эффективны, чем колеса Overshot и Backshot, но они могут выдерживать высокие скорости потока и, следовательно, большую мощность. Они предпочтительны для устойчивых, больших объемов потока, таких как на Fall Line североамериканского восточного побережья. Колеса Breastshot являются наиболее распространенным типом в Соединенных Штатах Америки [ требуется ссылка ] и, как говорят, привели в действие промышленную революцию. [14]
Вертикально установленное водяное колесо, вращаемое водой, поступающей в ведра сразу за верхней частью колеса, называется overshot. Иногда этот термин ошибочно применяют к колесам backshot, где вода опускается за колесо.
Типичное колесо с верхним выступом имеет канал для воды, направляемый к колесу сверху и немного за осью. Вода собирается в ковшах с этой стороны колеса, делая его тяжелее, чем другая «пустая» сторона. Вес вращает колесо, и вода вытекает в нижний бьеф, когда колесо вращается достаточно, чтобы перевернуть ведра. Конструкция с верхним выступом очень эффективна, она может достигать 90% [18] и не требует быстрого потока.
Почти вся энергия получается за счет веса воды, спускаемой в нижний бьеф, хотя небольшой вклад может вносить кинетическая энергия воды, поступающей в колесо. Они подходят для больших напоров, чем другие типы колес, поэтому они идеально подходят для холмистых стран. Однако даже самое большое водяное колесо, колесо Лакси на острове Мэн , использует напор только около 30 м (100 футов). Самые большие в мире напорные турбины, гидроэлектростанция Бьедрона в Швейцарии , используют около 1869 м (6132 фута).
Колеса с верхним выбросом требуют большего напора по сравнению с другими типами колес, что обычно означает значительные инвестиции в строительство подводящего канала. Иногда окончательный подход воды к колесу осуществляется по желобу или напорному трубопроводу , что может быть длинным.
Колесо обратного выброса (также называемое питчбэком ) — это разновидность колеса с верхним выбросом, в которое 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 нижнем водоводе, что делает его более эффективным. Оно также работает лучше, чем колесо с верхним выбросом, в условиях паводка, когда уровень воды может затопить нижнюю часть колеса. Оно будет продолжать вращаться до тех пор, пока вода в углублении колеса не поднимется достаточно высоко на колесе. Это делает метод особенно подходящим для потоков, которые испытывают значительные изменения в расходе, и уменьшает размер, сложность и, следовательно, стоимость нижнего водовода.
Направление вращения колеса обратного выстрела такое же, как и у колеса грудного выстрела, но в остальном оно очень похоже на колесо овершота. См. ниже.
Некоторые колеса имеют верхний и нижний выступы, что потенциально сочетает в себе лучшие черты обоих типов. На фотографии показан пример на литейном заводе Finch в Девоне, Великобритания. Верхний выступ — это верхняя деревянная конструкция, а ветвь слева подает воду на колесо. Вода выходит из-под колеса обратно в ручей.
Особым типом колеса с верхним/нижним выбросом является реверсивное водяное колесо. Оно имеет два набора лопастей или ковшей, вращающихся в противоположных направлениях, так что оно 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 колеса, бочки или корзины с рудой можно было поднимать или опускать вниз по шахте или наклонной плоскости. На оси колеса обычно находился кабельный барабан или цепная корзина. Важно, чтобы колесо имело тормозное оборудование, чтобы иметь возможность остановить колесо (известное как тормозное колесо). Самый старый известный рисунок реверсивного водяного колеса был сделан Георгиусом Агриколой и датируется 1556 годом.
Как и во всех механизмах, вращательное движение более эффективно в водоподъемных устройствах, чем колебательное движение. [19] С точки зрения источника энергии, водяные колеса могут вращаться либо силой человека или животного, либо самим потоком воды. Водяные колеса бывают двух основных конструкций, оснащенные вертикальной или горизонтальной осью. Последний тип можно подразделить, в зависимости от того, где вода попадает на лопасти колеса, на колеса с верхним, нижним и нижним ударом. Двумя основными функциями водяных колес исторически были подъем воды для орошения и помол, особенно зерна. В случае мельниц с горизонтальной осью для передачи мощности требуется система шестерен, которая не нужна мельницам с вертикальной осью.
Самое раннее водяное колесо, работающее как рычаг, было описано Чжуанцзы в конце периода Воюющих царств (476-221 до н.э.). В нем говорится, что водяное колесо было изобретено Цзыгуном, учеником Конфуция в 5 веке до н.э. [20] По крайней мере к 1 веку н.э. китайцы династии Восточная Хань использовали водяные колеса для измельчения зерна на мельницах и для приведения в действие поршневых мехов при ковке железной руды в чугун . [21]
В тексте, известном как Синь Лунь, написанном Хуань Танем около 20 г. н. э. (во время узурпации Ван Мана ), говорится, что легендарный мифологический царь, известный как Фу Си, был тем, кто отвечал за пестик и ступку, которые эволюционировали в наклонный молот, а затем в устройство с откидным молотом (см. откидной молот ). Хотя автор говорит о мифологическом Фу Си, отрывок из его сочинения дает намек на то, что водяное колесо было широко распространено в 1-м веке н. э. в Китае ( орфография Уэйда-Джайлса ):
Фу Си изобрел пестик и ступку, которые так полезны, и позже они были искусно усовершенствованы таким образом, что весь вес тела мог использоваться для наступания на наклонный молот ( туй ), таким образом увеличивая эффективность в десять раз. Впоследствии сила животных — ослов, мулов, быков и лошадей — была применена с помощью машин, а также сила воды использовалась для дробления, так что польза увеличилась в сто раз. [22]
В 31 году нашей эры инженер и префект Наньяна Ду Ши (ум. 38) применил сложное использование водяного колеса и машин для приведения в действие мехов доменной печи для создания чугуна . Ду Ши кратко упоминается в Книге Поздней Хань ( Хоу Хань Шу ) следующим образом ( в орфографии Уэйда-Джайлса):
В седьмой год правления Цзянь-У (31 г. н. э.) Ту Ши был назначен префектом Наньяна. Он был щедрым человеком, и его политика была мирной; он уничтожал злодеев и установил достоинство (своей должности). Хороший планировщик, он любил простых людей и хотел сэкономить их труд. Он изобрел возвратно-поступательный механизм с водяной силой ( шуй пхай ) для литья (железных) сельскохозяйственных орудий. Те, кто плавил и лил, уже имели толкающие мехи, чтобы раздувать свои угольные огни, и теперь им было поручено использовать напор воды ( чи шуй ) для его работы... Таким образом, люди получили большую выгоду за небольшой труд. Они нашли «водяные (приводимые в действие) мехи» удобными и широко использовали их. [23]
Водяные колеса в Китае нашли практическое применение, как это, так и необычное применение. Китайский изобретатель Чжан Хэн (78–139) был первым в истории, кто применил движущую силу для вращения астрономического инструмента армиллярной сферы , используя водяное колесо. [24] Инженер -механик Ма Цзюнь (ок. 200–265) из Цао Вэй однажды использовал водяное колесо для питания и управления большим механическим кукольным театром для императора Мин из Вэй ( р. 226–239). [25]
Технологический прорыв произошел в технологически развитом эллинистическом периоде между 3 и 1 веками до н. э. [26] В поэме Антипатра Фессалоникийского восхвалялось водяное колесо за освобождение женщин от изнурительного труда помола и шлифования. [27] [28]
Разделенное водяное колесо существует в двух основных формах: 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, наступающими на его внешнюю часть, либо животными с помощью шестерни sakia . [29] Хотя тимпан имел большую пропускную способность, он мог поднимать воду только на высоту, меньшую, чем высота его собственного радиуса, и требовал большого крутящего момента для вращения. [29] Эти конструктивные недостатки были преодолены колесом с разделенным на отсеки ободом, которое было менее тяжелой конструкцией с более высокой подъемной силой. [30]
Самое раннее литературное упоминание о водяном колесе с отсеками встречается в техническом трактате «Пневматика» (гл. 61) греческого инженера Филона Византийского ( ок. 280 – ок. 220 до н. э. ). [31] В своей «Параскевастике» (91.43−44) Филон советует использовать такие колеса для затопления осадных мин в качестве защитной меры от вражеских подкопов. [32] Колеса с отсеками, по-видимому, были средством выбора для осушения сухих доков в Александрии во времена правления Птолемея IV (221−205 до н. э.). [32] Несколько греческих папирусов 3–2 вв. до н. э. упоминают использование этих колес, но не приводят дополнительных подробностей. [32] Отсутствие этого устройства на Древнем Ближнем Востоке до завоевания Александром можно вывести из его явного отсутствия в богатой восточной иконографии ирригационных практик. [33] [ проверка не удалась ] [34] [35] [36] Однако, в отличие от других водоподъемных устройств и насосов того периода, изобретение секционного колеса не может быть отнесено к какому-либо конкретному эллинистическому инженеру и, возможно, было сделано в конце IV века до н.э. в сельской местности вдали от метрополии Александрии. [37]
Самое раннее изображение колеса с отсеками находится на гробнице в Птолемеевском Египте , которая датируется II веком до н. э. На ней изображена пара запряженных волов, приводящих колесо в движение с помощью зубчатой передачи сакия , которая здесь также впервые засвидетельствована. [38] Греческая система зубчатой передачи сакия уже показана полностью разработанной до такой степени, что «современные египетские устройства практически идентичны». [38] Предполагается, что ученые Александрийского музея , в то время самого активного греческого исследовательского центра, могли быть вовлечены в ее изобретение. [39] Эпизод из Александрийской войны 48 г. до н. э. рассказывает о том, как враги Цезаря использовали зубчатые водяные колеса, чтобы выливать морскую воду с возвышенных мест на позиции захваченных римлян. [40]
Около 300 г. н.э. нория была наконец введена в употребление, когда деревянные отсеки были заменены недорогими керамическими горшками, которые были привязаны к внешней стороне открытого колеса. [37]
Римляне широко использовали водяные колеса в горнодобывающих проектах, и огромные водяные колеса римской эпохи были найдены в таких местах, как современная Испания . Это были обратные водяные колеса с верхним выбросом, предназначенные для осушения глубоких подземных шахт. [ требуется ссылка ] Несколько таких устройств описаны Витрувием , включая обратное водяное колесо с верхним выбросом и архимедов винт . Многие из них были найдены во время современной добычи на медных рудниках в Рио-Тинто в Испании , одна система включала 16 таких колес, установленных друг над другом так, чтобы поднимать воду примерно на 80 футов из отстойника шахты. Часть такого колеса была найдена в Долаукоти , римском золотом руднике в Южном Уэльсе в 1930-х годах, когда рудник был ненадолго открыт. Он был найден примерно в 160 футах под поверхностью, поэтому, должно быть, был частью аналогичной последовательности, обнаруженной в Рио-Тинто. Недавно его датировали углеродным методом примерно 90 г. н. э., и поскольку древесина, из которой он был сделан, намного старше глубокой шахты, вполне вероятно, что глубокие разработки были введены в эксплуатацию, возможно, 30–50 лет спустя. Из этих примеров дренажных колес, найденных в запечатанных подземных галереях в далеко отстоящих друг от друга местах, ясно, что строительство водяных колес было вполне в пределах их возможностей, и такие вертикальные водяные колеса обычно использовались в промышленных целях.
Принимая во внимание косвенные доказательства из работы греческого техника Аполлония из Перги , британский историк технологий М. Дж. Т. Льюис датирует появление вертикальной водяной мельницы началом 3-го века до н. э., а горизонтальной водяной мельницы — примерно 240 годом до н. э., при этом местами изобретения считаются Византия и Александрия . [41] Греческий географ Страбон ( ок. 64 г. до н. э. — ок. 24 г. н. э .) 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 текста (XII, 3, 30 г. н. э. 556). [42]
Первое четкое описание зубчатой водяной мельницы было дано римским архитектором Витрувием, жившим в конце I в. до н. э. и рассказывавшим о системе зубчатых передач сакия, применяемой к водяной мельнице. [43] Рассказ Витрувия особенно ценен тем, что он показывает, как появилась водяная мельница, а именно путем объединения отдельных греческих изобретений зубчатой передачи и водяного колеса в одну эффективную механическую систему для использования энергии воды. [44] Водяное колесо Витрувия описывается как погруженное нижним концом в водоток, так что его лопасти могли приводиться в движение скоростью текущей воды (X, 5.2). [45]
Примерно в то же время колесо с верхним вращением впервые появляется в поэме Антипатра Фессалоникийского , который восхваляет его как устройство, экономящее труд (IX, 418.4–6). [46] Этот мотив также подхватывает Лукреций (ок. 99–55 до н. э.), который сравнивает вращение водяного колеса с движением звезд на небосводе (V 516). [47] Третий тип с горизонтальной осью, грудное водяное колесо, появляется в археологических свидетельствах в контексте конца II века н. э. в центральной Галлии . [48] Большинство раскопанных римских водяных мельниц были оснащены одним из таких колес, которые, хотя и были более сложными в изготовлении, были намного более эффективными, чем водяное колесо с вертикальной осью. [49] Во II веке нашей эры комплекс водяных мельниц Барбегаль, состоящий из шестнадцати колес с верхним выбросом, питался искусственным акведуком, протоиндустриальной зерновой фабрикой, которую называли «величайшей известной концентрацией механической энергии в древнем мире». [50]
В римской Северной Африке было обнаружено несколько установок, датируемых примерно 300 годом нашей эры, где вертикальные осевые водяные колеса, оснащенные наклонными лопастями, устанавливались на дне заполненной водой круглой шахты. Вода из мельничного желоба, которая поступала в яму по касательной, создавала закрученный водяной столб, который заставлял полностью погруженное колесо действовать как настоящие водяные турбины , самые ранние из известных на сегодняшний день. [51]
Помимо использования в фрезеровании и подъеме воды, древние инженеры применяли лопастное водяное колесо для автоматов и в навигации. Витрувий (X 9.5–7) описывает многозубчатые лопастные колеса, работающие как корабельный одометр , самые ранние в своем роде. Первое упоминание о лопастных колесах как средстве движения встречается в военном трактате IV–V веков De Rebus Bellicis (глава XVII), где анонимный римский автор описывает военный корабль с гребным колесом, приводимый в движение волами. [52]
Древняя технология водяного колеса продолжала развиваться в раннем средневековье, когда появление новых документальных жанров, таких как своды законов , монастырские уставы , а также агиография, сопровождалось резким увеличением количества упоминаний водяных мельниц и колес. [53]
Самое раннее вертикальное колесо в приливной мельнице было найдено в Киллотеране VI века около Уотерфорда , Ирландия , [54], тогда как первое известное горизонтальное колесо в мельнице такого типа было найдено на ирландском острове Литл-Айленд (ок. 630 г.). [55] Что касается использования в обычной норвежской или греческой мельнице, то самые старые известные горизонтальные колеса были найдены при раскопках в ирландском Балликиллине и датируются примерно 636 г. [55]
Самым ранним из найденных при раскопках водяных колес, приводимых в движение приливной энергией, была мельница монастыря Нендрум в Северной Ирландии, которая датируется 787 годом, хотя возможная более ранняя мельница датируется 619 годом. Приливные мельницы стали распространены в устьях рек с хорошим приливным диапазоном как в Европе, так и в Америке, обычно с использованием нижних колес.
Цистерцианские монастыри , в частности, широко использовали водяные колеса для питания водяных мельниц многих видов. [21] Ранним примером очень большого водяного колеса является все еще сохранившееся колесо в начале XIII века Real Monasterio de Nuestra Senora de Rueda , цистерцианском монастыре в регионе Арагон в Испании . Мукомольные мельницы (для зерна), несомненно, были наиболее распространены, но были также лесопилки, валяльни и мельницы для выполнения многих других трудоемких задач. Водяное колесо оставалось конкурентоспособным с паровым двигателем вплоть до промышленной революции . Примерно с VIII по X век в Испанию был завезен ряд ирригационных технологий, которые, таким образом, были представлены в Европе. Одной из таких технологий является нория, которая по сути представляет собой колесо, оснащенное ковшами на периферии для подъема воды. Оно похоже на нижнее водяное колесо, упомянутое далее в этой статье. Оно позволяло крестьянам более эффективно приводить в действие водяные мельницы. Согласно книге Томаса Глика « Ирригация и общество в средневековой Валенсии» , нория, вероятно, возникла где-то в Персии . Она использовалась на протяжении столетий до того, как эта технология была завезена в Испанию арабами, которые переняли ее у римлян. Таким образом, распространение нории на Пиренейском полуострове «соответствует области устойчивого исламского поселения». [56] Эта технология оказывает глубокое влияние на жизнь крестьян. Нория относительно дешева в строительстве. Таким образом, она позволила крестьянам более эффективно обрабатывать землю в Европе. Вместе с испанцами эта технология распространилась в Новый Свет в Мексику и Южную Америку после испанской экспансии.
Собрание, созванное Вильгельмом Нормандским , обычно называемое « Судным днем » или «Обзором Судного дня», провело инвентаризацию всей потенциально облагаемой налогом собственности в Англии, которая включала более шести тысяч мельниц, расположенных в трех тысячах различных мест [57] , по сравнению с менее чем сотней в предыдущем столетии. [21]
Тип выбранного водяного колеса зависел от местоположения. Обычно, если были доступны только небольшие объемы воды и высокие водопады, слесарь выбирал колесо с верхним выбросом . Решение было принято под влиянием того факта, что ведра могли улавливать и использовать даже небольшой объем воды. [58] Для больших объемов воды с небольшими водопадами использовалось колесо с нижним выбросом, поскольку оно было более приспособлено к таким условиям и дешевле в строительстве. Пока эти запасы воды были в изобилии, вопрос эффективности оставался неактуальным. К XVIII веку, с возросшим спросом на электроэнергию в сочетании с ограниченным количеством водных ресурсов, акцент был сделан на схеме эффективности. [58]
К XI веку в Европе были части, где эксплуатация воды была обычным явлением. [57] Считается, что водяное колесо активно формировало и навсегда изменило мировоззрение жителей Запада. Европа начала переходить от труда мускулов человека и животных к механическому труду с появлением водяного колеса. Медиевист Линн Уайт-младший утверждал, что распространение неодушевленных источников энергии было красноречивым свидетельством появления на Западе нового отношения к власти, работе, природе и, прежде всего, к технологиям. [57]
Использование гидроэнергии позволило повысить производительность сельского хозяйства, излишки продовольствия и масштабную урбанизацию, начавшуюся в 11 веке. Полезность гидроэнергии мотивировала европейские эксперименты с другими источниками энергии, такими как ветряные и приливные мельницы. [59] Водяные колеса повлияли на строительство городов, а точнее каналов. Методы, которые развивались в этот ранний период, такие как затор потока и строительство каналов , вывели Европу на гидравлически ориентированный путь, например, технология водоснабжения и орошения была объединена для изменения мощности подачи колеса. [60] Иллюстрируя, в какой степени существовала большая степень технологических инноваций, которые отвечали растущим потребностям феодального государства .
Водяная мельница использовалась для помола зерна, производства муки для хлеба, солода для пива или грубой муки для каши. [61] Молотковые мельницы использовали колесо для управления молотами. Одним из типов была сукновальная мельница , которая использовалась для изготовления тканей. Молоток также использовался для изготовления кованого железа и для обработки железа в полезные формы, деятельность, которая в противном случае была трудоемкой. Водяное колесо также использовалось в производстве бумаги , измельчая материал до состояния пульпы. В 13 веке водяные мельницы, используемые для ковки по всей Европе, повысили производительность раннего сталелитейного производства. Наряду с освоением пороха, гидроэнергия обеспечила европейским странам мировое военное лидерство с 15 века.
Мастера-мельничники различали две силы, импульс и вес, работающие в водяных колесах задолго до Европы 18 века. Фицерберт, сельскохозяйственный писатель 16 века, писал: «приводит колесо в движение как весом воды, так и силой [импульса]». [62] Леонардо да Винчи также обсуждал силу воды, отмечая, что «удар [воды] не является весом, но возбуждает силу веса, почти равную его собственной силе». [63] Однако даже при осознании двух сил, веса и импульса, оставалась путаница относительно преимуществ и недостатков этих двух, и не было четкого понимания превосходной эффективности веса. [64] До 1750 года было неясно, какая сила доминирует, и широко понималось, что обе силы действуют с равным вдохновением друг друга. [65] Водяное колесо вызвало вопросы о законах природы, в частности о законах силы . В своей работе о водяных колесах Эванджелиста Торричелли использовал анализ работы Галилея о падающих телах, согласно которому скорость воды, вытекающей из отверстия под ее головой, была в точности эквивалентна скорости, которую капля воды приобрела при свободном падении с той же высоты. [66]
Водяное колесо было движущей силой ранних стадий индустриализации в Британии. Водяные возвратно-поступательные устройства использовались в отбойных молотках и мехах доменной печи. Водяная рама Ричарда Аркрайта приводилась в действие водяным колесом. [67]
Самым мощным водяным колесом, построенным в Соединенном Королевстве, было водяное колесо Quarry Bank Mill мощностью 100 л. с. около Манчестера. Высокое грудное колесо было снято с производства в 1904 году и заменено несколькими турбинами. Сейчас оно отреставрировано и является музеем, открытым для публики.
Самое большое рабочее водяное колесо в материковой части Британии имеет диаметр 15,4 м (51 фут) и было построено компанией De Winton из Карнарвона. Оно расположено в мастерских Динорвик Национального музея сланца в Лланберисе , Северный Уэльс .
Самое большое рабочее водяное колесо в мире — колесо Лакси (также известное как Леди Изабелла ) в деревне Лакси , остров Мэн . Оно имеет диаметр 72 фута 6 дюймов (22,10 м) и ширину 6 футов (1,83 м) и поддерживается Manx National Heritage .
Во время промышленной революции , в первой половине 19 века, инженеры начали проектировать более совершенные колеса. В 1823 году Жан-Виктор Понселе изобрел очень эффективную конструкцию колеса с нижним подъёмом , которая могла работать на очень низких напорах, которая была коммерциализирована и стала популярной к концу 1830-х годов. Другие конструкции, такие как колесо Сагебьена , последовали позже. В то же время Клод Бурден работал над радикально иной 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. Главное преимущество турбин заключается в том, что их способность использовать напор намного больше диаметра турбины, тогда как водяное колесо не может эффективно использовать напор больше своего диаметра. Переход от водяных колес к современным турбинам занял около ста лет.
Водяные колеса использовались для питания лесопилок, мельниц и 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 .
Два ранних усовершенствования — это колеса с подвеской и ободная передача. Колеса с подвеской сконструированы так же, как велосипедное колесо, обод поддерживается под натяжением ступицы — это привело к созданию более крупных и легких колес, чем в предыдущей конструкции, где тяжелые спицы находились под сжатием. Ободная передача подразумевала добавление зубчатого колеса к ободу или кожуху колеса. Короткая шестерня зацепляла ободную шестерню и передавала мощность в мельницу с помощью независимого линейного вала. Это устраняло вращательное напряжение с оси, которая, таким образом, могла быть легче, а также обеспечивало большую гибкость в расположении силовой передачи. Вращение вала было передаточным по отношению к вращению колеса, что приводило к меньшим потерям мощности. Пример этой конструкции, впервые разработанной Томасом Хьюзом и усовершенствованной Уильямом Армстронгом Фэрберном, можно увидеть на отреставрированном колесе 1849 года в Portland Basin Canal Warehouse . [68]
Некоторое сходство имели рыболовные колеса, использовавшиеся на северо-западе Америки и на Аляске, которые вытаскивали лосося из 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 19-го века были построены водяные колеса. Они использовались для питания лесопилок, мукомольных мельниц и штамповочных батарей, используемых для дробления золотосодержащей руды. Известными примерами водяных колес, используемых в операциях по извлечению золота, были большое водяное колесо Гарфилда около Чьютона — одно из по крайней мере семи водяных колес в окрестностях — и два водяных колеса в Аделонг-Фолс ; некоторые остатки существуют на обоих участках. [69] [70] [71] [72] В районе добычи в Валгалле когда-то было по крайней мере два водяных колеса, одно из которых катилось к месту из Порт-Альберта на своем ободе с помощью новой конструкции тележки, что занимало почти 90 дней. [73] Водяное колесо в Джиндабайне , построенное в 1847 году, было первой машиной, используемой для извлечения энергии — для помола муки — из реки Сноуи . [74]
Компактные водяные колеса, известные как колеса Детриджа , использовались не как источники энергии, а для измерения расхода воды на орошаемые земли. [75]
Водяные колеса широко использовались в Новой Зеландии. [76] Хорошо сохранившиеся остатки водяного колеса шахты Young Australian находятся недалеко от города-призрака Карриктаун , [77] а остатки водяного колеса мельницы Phoenix находятся недалеко от Оамару . [78]
Ранняя история водяной мельницы в Индии неясна. Древние индийские тексты, датируемые 4 веком до н. э., ссылаются на термин cakkavattaka (вращающееся колесо), который комментарии объясняют как arahatta-ghati-yanta (машина с прикрепленными колесными горшками). На этом основании Джозеф Нидхэм предположил, что машина была норией . Терри С. Рейнольдс, однако, утверждает, что «термин, используемый в индийских текстах, неоднозначен и не указывает четко на устройство, работающее на воде». Торкильд Шиолер утверждал, что «более вероятно, что эти отрывки относятся к некоторому типу устройства для подъема воды с ручным или ступенчатым приводом, а не к колесу для подъема воды, работающему на воде». [79]
Согласно греческой исторической традиции, Индия получила водяные мельницы от Римской империи в начале 4-го века н.э., когда некий Метродорос ввел «водяные мельницы и бани, неизвестные среди них [брахманов] до тех пор». [80] Вода для орошения 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 , предшествуя, по словам Пейси, его использованию в более поздней Римской империи или Китае, [81] хотя первые литературные, археологические и изобразительные свидетельства о водяном колесе появились в эллинистическом мире. [82]
Около 1150 года астроном Бхаскара Ачарья наблюдал за водоподъемными колесами и представил себе такое колесо, поднимающее достаточно воды, чтобы пополнить поток, приводя его в движение, по сути, как вечный двигатель. [83] Строительство водопроводных сооружений и аспекты водных технологий в Индии описаны в арабских и персидских работах. В средние века распространение индийских и персидских ирригационных технологий привело к появлению передовой ирригационной системы, которая обеспечила экономический рост, а также способствовала росту материальной культуры. [84]
После распространения ислама инженеры исламского мира продолжили водные технологии древнего Ближнего Востока; как это видно из раскопок канала в районе Басры с остатками водяного колеса, датируемого 7-м веком. Хама в Сирии до сих пор сохраняет некоторые из своих больших колес на реке Оронт , хотя они больше не используются. [85] Одно из самых больших имело диаметр около 20 метров (66 футов), а его обод был разделен на 120 отсеков. Другое колесо, которое все еще находится в эксплуатации, находится в Мурсии в Испании , Ла Нора, и хотя оригинальное колесо было заменено стальным, мавританская система во время аль-Андалуса в остальном практически не изменилась. Некоторые средневековые исламские разделенные на отсеки водяные колеса могли поднимать воду на высоту до 30 метров (100 футов). [86] В «Китаб аль-Хави » Мухаммада ибн Закарии ар-Рази в 10 веке описывалась нория в Ираке, которая могла поднимать до 153 000 литров в час (34 000 имп гал/ч) или 2550 литров в минуту (560 имп гал/мин). Это сопоставимо с производительностью современных норий в Восточной Азии , которые могут поднимать до 288 000 литров в час (63 000 имп гал/ч) или 4800 литров в минуту (1100 имп гал/мин). [87]
Промышленное использование водяных мельниц в исламском мире датируется 7 веком, в то время как горизонтальные и вертикальные колесные водяные мельницы были широко распространены к 9 веку. В исламском мире использовались различные промышленные водяные мельницы, включая мельницы для муки , шелушилки , лесопилки , судовые мельницы, штамповочные мельницы , сталелитейные заводы , сахарные заводы и приливные мельницы . К 11 веку в каждой провинции исламского мира работали эти промышленные водяные мельницы, от Аль-Андалуса и Северной Африки до Ближнего Востока и Центральной Азии . [88] 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, используемого для обеспечения дополнительной мощности водяных мельниц и водоподъемных машин. [89] Валяльни 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 XI и XIII веками. [90]
Инженеры исламского мира разработали несколько решений для достижения максимальной производительности водяного колеса. Одним из решений было установить их на опорах мостов , чтобы воспользоваться увеличенным потоком. Другим решением была судовая мельница, тип водяной мельницы, приводимой в действие водяными колесами, установленными по бокам кораблей, пришвартованных на середине течения. Эта техника использовалась вдоль рек Тигр и Евфрат в Ираке X века , где большие судовые мельницы, сделанные из тика и железа , могли производить 10 тонн муки из зерна каждый день для зернохранилища в Багдаде . [91] Механизм маховика , который используется для сглаживания подачи мощности от приводного устройства к ведомой машине, был изобретен Ибн Бассалем ( фл. 1038–1075) из Аль-Андалуса ; он был пионером использования маховика в сакия ( цепной насос ) и нория. [92] Инженеры Аль-Джазари в XIII веке и Таки ад-Дин в XVI веке описали в своих технологических трактатах множество изобретательных водоподъемных машин. Они также использовали водяные колеса для питания различных устройств, включая различные водяные часы и автоматы .
Недавняя разработка колеса breastshot — это гидравлическое колесо, которое эффективно включает в себя системы автоматического регулирования. Aqualienne — один из примеров. Оно вырабатывает от 37 кВт 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). [93] Оно предназначено для производства электроэнергии на месте бывших водяных мельниц.
Колеса с верхним (и особенно обратным) выбросом являются наиболее эффективным типом; стальное колесо с обратным выбросом может быть более эффективным (около 60%), чем все, кроме самых передовых и хорошо сконструированных турбин . В некоторых ситуациях колесо с верхним выбросом предпочтительнее турбины. [94]
Разработка колес гидравлических турбин с их повышенной эффективностью (>67%) открыла альтернативный путь для установки водяных колес на существующих мельницах или реконструкции заброшенных мельниц.
Энергия, доступная колесу, состоит из двух компонентов:
Кинетическую энергию можно учесть, преобразовав ее в эквивалентный напор, скоростной напор, и прибавив его к фактическому напору. Для стоячей воды скоростной напор равен нулю, и в хорошем приближении он пренебрежимо мал для медленно движущейся воды, и его можно игнорировать. Скорость в хвостовой части не учитывается, потому что для идеального колеса вода ушла бы с нулевой энергией, что требует нулевой скорости. Это невозможно, вода должна отходить от колеса и представляет собой неизбежную причину неэффективности.
Мощность — это то, как быстро эта энергия доставляется, что определяется скоростью потока. Было подсчитано, что древняя римская ручная мельница , приводимая в движение ослом или рабом , производила около половины лошадиной силы , горизонтальное водяное колесо создавало немного больше половины лошадиной силы, вертикальное водяное колесо с нижним подъёмом производило около трёх лошадиных сил, а средневековое верхнее водяное колесо производило до сорока-шестидесяти лошадиных сил. [95]
точечная нотация
Напорный столб — это разница в высоте между водными поверхностями верхнего и нижнего потоков. Скоростной столб рассчитывается по скорости воды в верхнем потоке в том же месте, откуда измеряется напорный столб. Скорость (скорость) можно измерить методом «пуховых палочек», засекая время, затрачиваемое плавающим объектом на измеренное расстояние. Вода на поверхности движется быстрее, чем вода ближе ко дну и бокам, поэтому следует применять поправочный коэффициент, как в формуле ниже. [96]
Существует много способов измерения объемного расхода . Два самых простых из них:
Параллельное развитие представляет собой гидравлическую турбину колеса/частичной реакции, 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. [102] Расчетная эффективность 67%.
Факультет гражданского строительства и охраны окружающей среды Университета Саутгемптона в Великобритании исследовал оба типа гидравлических колесных машин, оценил их гидравлическую эффективность и предложил усовершенствования, например, роторную гидравлическую машину давления. (Расчетная максимальная эффективность 85%). [103]
Этот тип водяных колес имеет высокую эффективность при частичных нагрузках/переменных потоках и может работать при очень низких напорах, < 1 м (3 фута 3 дюйма). В сочетании с прямым приводом генераторов переменного тока с постоянным магнитом и осевым потоком и силовой электроникой они предлагают жизнеспособную альтернативу для низконапорной гидроэлектростанции .
^ Точечная нотация. Точка над количеством указывает на то, что это скорость. Другими словами, сколько каждую секунду или сколько в секунду. В этой статье q — это объем воды, а— объем воды в секунду. q, как в количестве воды, используется, чтобы избежать путаницы с v для скорости.
Неудивительно, что все водоподъемные устройства, использующие разделенные колеса или цилиндры, возникли в сложный, научно продвинутый эллинистический период, ...
Внезапное появление литературных и археологических свидетельств существования секционного колеса в третьем веке до нашей эры резко контрастирует с полным отсутствием более ранних свидетельств, что позволяет предположить, что это устройство было изобретено незадолго до этого.
Упоминания о водяных колесах в древней Месопотамии , встречающиеся в справочниках и популярных источниках, по большей части основаны на ложном предположении, что аккадским эквивалентом логограммы GIS.APIN было nartabu , обозначавшее инструмент для полива («инструмент для увлажнения»).
В результате своих исследований Лессо пишет следующее по вопросу о сакия: «Я считаю маловероятным, что в древних месопотамских источниках появится какое-либо упоминание о сакия». По его мнению, нам следует обратить внимание на Александрию, «где кажется правдоподобным предположение, 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 пределами бывшей империи. Согласно Кедрению (Historiarum compendium), некий Метродорос, отправившийся в Индию в 325 г. н. э., «построил водяные мельницы и бани, неизвестные среди них [брахманов] до тех пор».
