Содержание
3.2. Водяные колеса и их эволюция
Для подъёма воды в оросительные каналы служили водяные колёса (первые простейшие гидравлические двигатели), использующие ее энергию. Первые водяные колеса начали применяться более чем за 3000 лет до н.э. в Египте, Китае, Индии и других странах (рис. 3.2). Сведения об их использовании приводятся в таких древних источниках, как «География» Страбона (63 г. до н.э. – 24 г. н.э.) в семнадцати книгах, «Десять книг об архитектуре» Витрувия (вторая половина I века до н.э.).
Витрувий так описывает водяное колесо:
«Вокруг вала устанавливается колесо, по своим размерам соответствующее высоте, на которую должна быть доставлена вода, вокруг него, по внешнему кругу, устанавливаются кубические ящики, которые делаются водонепроницаемыми при помощи смолы и воска. Когда колесо путём наступания приводится в движение, то наполняющиеся ящики поднимаются кверху и на обратном пути выливают своё содержимое в водохранилище».
Если течение реки достаточно сильное, то оно само может вращать колесо и усилия раба или животного можно заменить силой текущей воды.
У того же Витрувия читаем: «В реках также устанавливаются водоподъёмные колёса, подобные вышеописанным, с той только разницей, что к ним с наружной стороны приделываются лопасти, которые, будучи увлечены течением воды, своим движением заставляют вращаться колесо и, наполняя при этом ящики водой и поднимая их кверху, без работы толкания, путём использования течения воды, сами вращаясь, выполняют необходимую работу».
На рис. 3.3 показано старинное сирийское водоподъёмное колесо – нория.
Древние греки поняли, что вращающееся водяное колесо может не только поднимать
воду, но и совершать другую полезную работу, если его ось соединить с каким-нибудь механизмом. От этой догадки оставался лишь шаг до изобретения водяной мельницы. И этот шаг был сделан. В Древней Греции и Риме водяные колеса уже использовались для вращения мельничных жерновов.
В те времена простое устройство водяной мельницы представлялось настоящим чудом, сродни «самостоятельно» открывавшимся дверям храмов и «беспричинному» появлению огня на жертвенном очаге.
Но там эти действия, казалось, производили сами боги, а здесь, на водяной мельнице, самая простая и привычная земная работа – размол зерна – осуществлялась как бы сама собой, без монотонного и тяжелого труда рабынь, растирающих зерно между камнями (рис. 3.4).
Рис. 3.2. Китайское водочерпальное колесо
Рис. 3.3. Старинное сирийское водоподъёмное колесо – нория
Один из поэтов той эпохи – македонянин Антипатр Фессалоникский, живший в I столетии до н.э., – посвятил водяной мельнице оду:
Дайте рукам отдохнуть, мукомолки;
спокойно дремлите,
Хоть бы про близкий рассвет громко
петух голосил:
Нимфам пучины речной ваш труд
поручила Деметра; Как зарезвились они обод крутя колеса!
Видите? Ось завертелась, а оси
крученые спицы С рокотом движут глухим тяжесть
двух пар жерновов. Снова нам век наступил золотой:
без труда и усилий Начали снова вкушать дар мы
Деметры святой.
Рис. 3.4. Старинная водяная мельница
В древнем Риме уже во II в.
водяные мельницы были распространены почти повсеместно, все больше и больше работ выполнялось с их помощью. Водяные колеса использовались и для выжимания масел, и для размягчения яблок, из которых приготовляли любимый римлянами напиток – сидр, с их помощью заполнялся водой знаменитый римский водопровод. А когда во время осады Рима остготы разрушили водопровод и «вечный город» остался без воды, император Вилезарий устроил прямо на Тибре огромные плавучие водяные колеса, служившие для ее подачи в город.
Наиболее древняя конструкция водяного колеса приводилась в движение давлением текущей воды на лопатки (ковши) в нижней его части.
До сих пор эксплуатируется водохранилище комплексного использования Бенде Эмир (Иран), имеющее тысячелетнюю историю.
Водяные мельницы и колеса довольно быстро распространились по Европе. В Западной Европе строились небольшие водохранилища для устройства водяных колес. Так, во Франции сохранились остатки каскада из 16 водяных мельниц вблизи г. Арля, построенных в III–IV вв.
Широкое распространение водяные мельницы получили здесь в XI– XIV вв. В Англии водяная мельница появилась примерно в VIII в., а уже в 1086 году в Тренте и Северне были зарегистрированы 5624 мельницы.
Водяные колеса все время совершенствовались. Были придуманы довольно сложные устройства и передаточные механизмы, которые позволяли использовать силу воды не только для помола зерна, но и для производства самых различных работ. Водяные колеса вращают станки, приводят в движение кузнечные меха, помогают металлургам поднимать руду из шахт. Вот как в рукописи VIII в. описывается использование энергии небольшой реки:
«Сначала река наталкивается на мельницу…, потом ее зовут к себе сукновальни, находящи3 еся по соседству с мельницей… Опуская и под3 нимая тяжелые песты или – лучше сказать – молоты или деревянные ступы…, река осво3 бождает сукновалов от утомительной рабо3 ты… Быстрое течение реки приводит в движение большое количество водяных колес. Затем покрытая пеной река медленно дви3 жется далее… Здесь ее принимает общежитие братии, и она принимает деятельное учас3 тие в выработке того, что необходимо для обуви братии… Затем, мало3помалу распада3 ясь на множество рукавов, река суетливо кру3 жится, заглядывает в отдельные мастерские, тщательно отыскивая, где имеется надоб3 ность в ее службе: при варке, просеивании, вращении, растирании, орошении и мытье».
Водяные мельницы применялись и в Древней Руси. Об этом упоминается впервые в ХIII в. в ярлыке хана Менгу-Темира. В дарственную грамоту 1292 г. галицкого князя Льва Даниловича Спасскому монастырю включены водяные мельницы, а Дмитрий Донской в 1389 г. в духовном завещании назвал все принадлежавшие ему водяные мельницы. В 12 известных «Жалованных грамотах Черниговского князя Свидригайла» своим слугам в 1433–1444 г.г. также упоминаются водяные мельницы.
Эти мельницы весьма ценились и поэтому никогда не забывались в завещаниях. Так, в завещании князя Владимира Андреевича, написанном в 1440 году, говорится о водяных мельницах на реках Яузе и Неглинной. Как свидетельствуют летописи, на Неглинной реке в 1519 г. работали 3 водяные мельницы и одна толчея – устройство большого объема для толчения. (Как пишет В.Даль, «какова толчея, та3 ково и толокно»). Там же была выполнена и каменная плотина. Летопись сообщает: «Князь Великий Василий Иванович пруды копал и мельницу каменную доспел на Неглинке…».
На Руси в старину строителей водяных мельниц называли водяными людьми.
В 1528 г. была построена водяная мельница на большой реке Волхов. Как записано в Новгородской летописи, «… и ограду сдела, и колесо постави, и камень жерновый постави, и камень нача и вертетися, тако видети, кабы ему и молоти». В ХVI–XVII вв. водяные мельницы строят в большом количестве также в отдаленных районах Урала, Сибири.
Описывая поселения Украины конца XVI века, А.Я Ефименко в своей книге «История украинского народа» (1906) отмечает, например, Побужье как «территорию с огромными удобствами и выгодами для заселения. Вол3 нистая поверхность с чрезвычайно плодо3 родной почвой была орошаема массою текучей воды, образующей превосходные рыбные пруды и в то же время очень удобной для устройства мельниц». Жители украинских поселений занимались и земледелием, но в данный период это был лишь второстепенный, побочный промысел, что доказывает ограниченное количество мельниц (млынов), которые всегда регистрировали в качестве важной статьи доходов.
Вскоре ситуация резко меняется. Диакон Павел Алеппский, сопроводавший летом 1654 года антиохийского патриарха Макария в путешествии по Украине, в описании приходит в восторг от кипучей жизненности страны. В частности, писателя приводили в удивление и восторг множество домашней птицы и животных, особенно свиней, огромные и разнообразные посевы, сады и огороды, рыбные пруды и мельницы с толчеями. В ХVII в. водяные мельницы получили широкое распространение на территории Украины.
Мельницы (млыны) становятся атрибутикой украинского пейзажа (рис. 3.5).
Вспомним, к примеру, «Наймичку» Т.Г. Шевченко («Придбали хутір, став і млин,…»).
Для приведения в движение водяных колес использовалась также сила прилива. Приливные мельницы появились в ХI в. на побережье Адриатического моря, а также в Англии и Франции. Так, в Англии в устье р.Дебен до сих пор работает мельница, первое упоминание о которой имеется в записях Вудбриджского прихода в 1170 г.
К более поздним временам относится сохранившаяся жалованная грамота Ивана Грозного, в которой упоминается о приливных
мельницах, построенных Никитой Павловым на берегу Белого моря в Усть-Золотице, а также в других местах.
Именно в средние века основным энергетическим источником во всех видах производства становится энергия воды. Привычными стали машины, которые при помощи энергии воды точили металлы, ткали полотно, пилили доски и волочили проволоку.
Уже в конце XII в. в Нюрнберге были широко распространены шерстобойни, в которых металлические пальцы для трепания шерсти приводились в движение водяным колесом. К 1351 г. относится изобретение первого вододействующего стана для изготовления железной проволоки. В рукописи Виллара де Оннекура 1245 года описана первая лесопилка, приводимая водяным колесом.
На оловянных рудниках Саксонии переработка руд происходила в мокрых толчеях, или «цвиттер-мельницах», впервые построенных в 1507 году. В них руда измельчалась до состояния взвеси пестами – деревянными бревнами, обитыми железом.
Поначалу каждый толчейный пест приводился в движение отдельным водяным колесом, причем вода, стекавшая с верхнего колеса, падала на приводное колесо, расположенное ниже.
Позднее руду стали измельчать «пестами, которых в одном ряду иногда стоит более двадцати», о чем с восхищением сообщает Г.Агрикола в своей монографии «О горном деле и металлургии». Они приводились в движение одним-единственным водяным колесом, соединенным с трансмиссионным устройством. Эту роль выполнял стальной вал с жестко закрепленными дисковыми колесами, от которых приводные ремни шли к пестам. Песты равномерно поднимались и опускались один за другим.
На рудниках главной заботой была проблема водоотлива. В качестве движущей силы вода была незаменимым помощником рудокопа. Попадая в шахту, она становилась его лютым врагом, угрожала его жизни и мешала работать. Днем и ночью на мокрых, скользких шахтных лестницах по двое в ряд стояли водоносы, которые из рук в руки передавали друг другу кожаные ведра: пустые – вниз, полные – наверх. На водоотливе было занято до 200 человек в смену, а всего – 600. Из документов 1535 года видно, что водоотлив посредством кожаных ведер обходился в 14 тыс.
гульденов ежегодно. Как текущие эксплуатационные расходы – сумма по тем временам прямо-таки чудовищная.
Рис. 3.5. Водяная мельница в Украине (с картины 1900 г.)
Одним из первых приспособлений для откачки воды на рудниках была водоотливная машина с черпаками, установленная в 1535 г. на руднике Виндельман и работавшая от водяного колеса. Её называли «Хайнцем». «Хайнц» представлял собой трубопровод из просверленных еловых брёвен с пеньковым канатом или железной цепью внутри. Для соединения брёвен друг с другом в широкую комлевую часть одного ствола вставлялась верхушка следующего. На канате были укреплены кожаные черпачки. Концы соединялись в бесконечное «ожерелье», которое поднимало вверх рудничную воду.
В 1553 году людей на водоотливе полностью заменила «швацкая машина», на которую смотрели как на новое чудо света. Название машина получила от места ее установки – рудника Шваца в Тироле, австрийские Альпы. Она представляла собой гигантское водяное колесо с двумя рядами лопастей (рис.
3.6). Последние располагались друг против друга, отчего колесо вращалось как вперед, так и назад. Размещалось оно над шахтой, в выемке, вырубленной в породе. С вала колеса опускались в шахту две цепи, которые поднимали наверх деревянные бадьи с рудой и породой и огромные, емкостью по 1400 л, мешки-черпаки с водой, сшитые из двух бычьих шкур каждый. В 1610 году заработала вторая водоподъемная машина. В 1650 году в Шваце установили новую водоподъемную машину с водяным колесом, имевшим 11 м в поперечнике. К 1740 году ее производительность была доведена до 13 тысяч кубических метров в сутки.
В 1550 году в Аугсбурге существовала очень сложная система городского водоснабжения: водяные колеса подавали воду при помощи архимедовых винтов на городскую водокачку, откуда она по разветвленной системе трубопроводов попадала в дома. Водоснабжение Лондона в течение 250 лет осуществлялось приливной мельницей, сооруженной в 1583 году немецким инженером Питером Морисом.
Постепенно конструкция водяного колеса совершенствуется, и оно становится основным двигателем в мануфактурном производстве, превращаясь в гидравлический двигатель, преобразующий энергию воды в механическую энергию, например, вращающегося вала.
Рис. 3.6. Швацкая машина
Рис. 3.7. Переливное колесо, использовавшееся для привода механизмов
а
б
Рис. 3.8. Водяные колеса с корытообразными лопастями а – подливное; б – переливное
Рис. 3.9. Водяные колеса: а – нижнебойное; б – среднебойное; в – верхнебойное
Волне послушны, лопасти стучат Стоящего над берегом колосса, И медленно тяжелые колеса Вращаются, одно другому в лад.
Так пишет о водяной мельнице итальянский поэт середины ХVII в. Бартоломео Дотти.
Не только размеры колес увеличиваются, сами колеса принципиально изменяются (рис. 3.7, 3.8). Они уже не просто плавучие, использующие энергию течения реки. Строятся специальные плотины, увеличивающие напор воды; вода с помощью каналов подается на колесо таким образом, чтобы полнее использовать ее энергию. Например, в широко известном мельничном колесе, поставленном в Тулузе во второй половине XVI в., лопасти были размещены винтообразно, так что поток «действовал и весом, и ударом» (чтобы использовались и потенциальная, и кинетическая энергия движущейся воды).
В ХVII–XIX вв. в эпоху промышленной революции большое количество водохранилищ строится в промышленных районах Западной Европы, а также России для водоснабжения, водного транспорта, обеспечения растущих потребностей в механической энергии за счет использования водной энергии. Водяные колеса широко применяются во всех видах производства на заводах, рудниках, приводя в движение насосы, молоты, воздуходувные меха, вагонетки, рудоподъемники и другие механизмы, обеспечивают снабжение водой городов.
Различаются три типа водяных колес, располагаемых на горизонтальном валу: нижнебойные (подливные), среднебойные и верхнебойные (переливные или наливные) (рис. 3.9). Применяемые колеса были тихоходны (до 4–10 оборотов в минуту) и в основном малой (до 20 л.с.) мощности.
Рис. 3.10. Мутовчатая мельница
Постепенно осуществляется переход к более производительным верхнебойным колесам, начали применять металл для валов и других деталей, увеличивался диаметр колеса для повышения мощности гидравлического двигателя.
В России в ХVI в. получает широкое распространение более быстроходное горизонтальное колесо с вертикальным валом (прообраз активной гидравлической турбины) – «мутовчатая мельница» (рис. 3.10).
Во Франции Р. Салем совместно с А. де Вилем в 1682 г. создали крупнейшую гидросиловую установку из 13 колес, диаметр которых достигал 8 м. Колеса приводили в действие 235 насосов, поднимавших воду из р.Сены на высоту 163 м. Эту систему, снабжавшую водой фонтаны королевских парков в Версале и Марли, современники называли «чудо Марли».
В первой половине XVIII в. строятся уже огромные водяные колеса. В Шотландии в Гриноке на большой бумагопрядильне у устья р. Клайд работало железное водяное колесо диаметром более 21 м и шириной около 4 м. На острове
Мэн в Англии было построено колесо еще большего диаметра. К середине XVIII в. водяные колеса распространились повсюду (рис. 3.11).
Рис. 3.11. Водяное колесо XVII в.
В России в XVI в. на р. Лахоме в районе Вычегды действовала железоплавильня с плотиной и гидросиловой установкой для ковки железа.
В 1632 г. вблизи Тулы под руководством голландского мастера Виниуса был построен первый в России «чугуноплавительный и железоделательный» завод, машины которого приводились в действие от водяного колеса (рис. 3.12).
Рис. 3.12. Водяное колесо XVII в. с нижним подводом воды, приводящее в действие кузнечный молот и меха
Рис. 3.13. Схема действия гидросилового комплекса XVIII в. К.Д. Фролова: 1 – плотина; 2 – водозабор; 3 – водоподвод; 4 – водяные колеса; 5 – пилорама; 6 – рудоподъемник Екатерининской шахты; 7 – рудоподъемник Воскресенской шахты; 8 – главный ствол Екатерининской шахты; 9 – главный ствол Воскресенской шахты; 10 – цепной механизм рудоподъемника; 11 – штанги приводов насосов; 12 – насосы; 13 – Александровский штрек
В 1763–1765 гг. был построен каскад установок с водяными колесами на р. Кораблихе, а в 1783–1789 гг. на Змеиногорском руднике на Алтае изобретателем К.Д. Фроловым (1726–1800) был введен в действие комплекс из трех водоподъемных установок, в том числе с верхнебойным водяным колесом диаметром 17 м.
Плотина высотой 18 м, которая подняла воды р. Кораблихи, до сих пор выполняет свои
функции. Змеиногорский комплекс гидротехнических сооружений (рис. 3.13) поражает своими масштабами. Даже сейчас можно наблюдать исполинские искусственно созданные залы, в которых когда-то вращались колоссальные по размерам водяные колеса.
Эта установка была одной из самых совершенных для того времени. Как писал А.И. Порошин, руководивший алтайскими рудниками, К.Д. Фролов проявил «знак своей ревности и любопытства», приведя все механизмы «в совершенное действие водяной силой». В конце XVIII в. в России насчитывалось около 3 тысяч заводских гидросиловых установок, некоторые из них поражают своей рациональностью и мощностью.
В Эстонии гидросиловая установка Кренгольской мануфактуры на р. Нарове суммарной мощностью 6 МВт была в 1890 г. крупнейшей в мире.
В период XVII–XVIII вв. все возрастающую потребность развивающейся промышленности в энергии могло обеспечить только водяное колесо.
Водяные двигатели становились все более мощными и более совершенными, их КПД достигал 60–70%. Однако не все производства можно было разместить у реки, при эксплуатации водяных колес возникали трудности, связанные с изменчивостью стока реки в течение года. Тихоходные водяные колеса требовали достаточно сложных передаточных механизмов для увеличения скорости вращения станков.
Изобретение парового двигателя и его триумфальное шествие с конца XVIII в. существенно снизило использование водяных колес в производстве XIX в. Возрождение водяного колеса на новой основе в виде гидравлической турбины произошло в XX в., когда наступила эпоха электроэнергетики и водяную мельницу заменила ГЭС.
Водяные колёса в Древнем мире
18603
0
( Голосов: 1 )
Воду можно использовать как источник энергии с помощью различных приспособлений, но наиболее распространённым является устройство, представляющее собой колесо с лопастями или черпаками.
Такое колесо можно устанавливать горизонтально или вертикально.
В эпоху Древнего мира использовали и горизонтальные, и вертикальные водяные колеса, но ни те, ни другие не получили широкого распространения. Например, в книге «De architectura» (I в. до н. э.) римский архитектор Марк Витрувий Поллио дал описание водяного (подливного) колеса как редко используемого технического устройства. Вообще в древних документах упоминания об использовании энергии воды приводятся очень редко. В это время инженеры использовали вращательное движение водяного колеса в двух целях – для помола зерна и в качестве черпаковых подъёмников воды – норий. Арабское «наора» (араб. ريعاونلا ), от которого затем произошло испанское нориа (noria), собственно и означает «подливное водяное колесо».
В качестве водоподъёмных устройств водяные колёса получили широкое распространение в первую очередь на Ближнем Востоке в эллинистическую эпоху, к которой относится самое раннее упоминание о них в техническом трактате «Pneumatica» греческого «инженера» Филона Византийского (около 280–220 гг.
до н. э.). Речь в трактате идёт о механизме осушения доков Александрии. Римляне применяли колёса для откачки воды из шахт. Например, в испанских медных рудниках Рио Тинто вода откачивалась с горизонта –24 м системой из 16 норий.
Дренажная система рудников Рио Тинто
В нориях передаточные механизмы не применялись. В первых водяных мельницах шестерни также не использовались: небольшое горизонтальное колесо с лопастями укреплялось на нижнем конце вертикального вала, а верхний конец вала соединялся непосредственно с жерновом. В последствии в мукомольных мельницах использовалась ортогональная передача.
Шестерни, установленные на оси колеса, позволяли передать вращательное движение из вертикальной плоскости в горизонтальную и сообщить вращение жерновам. Использование коленчатого вала и шатуна для организации возвратно-поступательного движения впервые было применено римлянами на лесопилке в малоазиатском г. Иераполисе (территория современной Турции).
Водяные колёса могут вращаться либо в горизонтальной плоскости на вертикальной оси, либо в вертикальной плоскости на горизонтальной оси.
Горизонтально вращающиеся колёса – предшественники гидравлических турбин – часто называли скандинавскими мельницами. Постройка мельниц такого типа обходилась недорого, но они были маломощными (менее 1 л. с.), а коэффициент их полезного действия (КПД) составлял всего 5–15 %, поэтому скандинавские мельницы не получили широкого распространения и применялись только для помола зерна.
Водяные колеса различных конструкций: а – горизонтальное; б – подливное; в – верхнебойное
Ранние вертикальные колёса были подливного типа, они приводились в движение потоком воды снизу. Достоинство подливных колёс – простота изготовления и установки. Подливные колёса имели на ободе плоские закругленные лопасти и могли работать почти в любых обильных потоках с умеренной скоростью воды, но наиболее эффективны они были в узких протоках. Эти вертикальные колёса были в 3–5 раз мощнее горизонтальных, а их КПД достигал 30 %.
Водяная мукомольная мельница с горизонтальным колесом. I в.
В конструкции верхнебойных колёс вода падала сверху в черпаки, приделанные к ободу колеса.
В этом случае колесо приводилось в движение не столько за счет удара воды, сколько под действием силы тяжести. Внизу вода выливалась из черпаков, они поднимались вверх, вновь наполнялись водой, и процесс повторялся. Строительство верхнебойных колёс обходилось дороже, чем подливных или горизонтального типа, поскольку для них требовался большой напор воды, для создания которого необходимо было сооружать плотины, запруды и поднимать уровень русла водного канала. В наиболее благоприятных условиях – на мелководье при высоте падения воды от 3 до 12 м – вертикальные колеса имели коэффициент полезного действия 50–70 %, а их мощность в зависимости от условий работы составляла от 2 до 40 л. с.
ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ
Водяное колесо — Национальный исторический парк Хоупвелл-Фернейс (Служба национальных парков США)
Водяное колесо Hopewell диаметром 22 фута собирает воду из Френч-Крик, чтобы привести в действие взрывные машины. NPS Фото/Кутнер Производство чугуна в печи Хоупвелл требовало продувки воздухом, чтобы поднять температуру печи выше 2800° по Фаренгейту. Водяное колесо подавало этот воздушный поток, нагнетая пару поршней внутри двух продувочных ванн. Сжатый воздух из дутьевых ванн подавался в приемную коробку между ваннами, а затем по длинной трубе поступал в печь через фурму, коническую насадку которой прикрепляли к концу трубы.
История водяных колес Идея использовать колесо для управления силой воды и ее практического применения восходит как минимум к первому веку до нашей эры.
Водяное колесо Хоупвелла Колесо само вращается, когда вода попадает в полости колеса, называемые ведрами, с одной стороны колеса, что делает эту сторону тяжелее другой. Затем гравитация воздействует на более тяжелую сторону колеса, заставляя его вращаться.
Фотография водяного колеса, построенного в 1879 году. NPS Фото История водяного колеса Хоупвелла 1830: Водяное колесо было заменено на колесо местного производства, которое сломалось в течение одного года. 900:14 18:34: Колесо снова заменили на привезенное из Гибернии. Проблемы с водяными колесами Самая очевидная проблема с водяным колесом заключается в том, что оно работает на воде. Это ограничивает его использование в местах, где есть достаточно проточной воды или поблизости есть вода, которую можно направить для вращения колеса. Погода также является важным фактором успешной работы водяного колеса. Если бывает засуха, колесо перестает работать. С другой стороны, если идет слишком много дождя, избыточная вода, называемая обратной водой, вызывает слишком сильное трение колеса, что, опять же, препятствует его вращению. Потенциальные экстремальные температуры зимой могут привести к повреждению, если вода замерзнет и колесо остановится. Другие проблемы возникают из-за того, что колесо сделано из дерева и работает в воде. Даже когда на колесо не воздействуют экстремальные погодные условия, общий износ колеса вызывает проблемы. Вода повреждает древесину, особенно ковши, из-за чего их приходится заменять каждые несколько лет, чтобы колесо работало должным образом. |
когда римский инженер записал концепцию. Однако нет никаких доказательств того, что теория, описанная этим инженером, действительно применялась на практике. Столетия спустя, в 1300-х годах, есть свидетельства того, что большинство европейских монастырей были оборудованы водяными колесами.
Вращение колеса может создать 5-15 лошадиных сил, которые затем можно использовать для запуска оборудования в печи.
Последнее обновление: 19 августа 2020 г.
Водяное колесо | инжиниринг | Британика
водяное колесо
Просмотреть все материалы
- Связанные темы:
- Норвежская мельница
горизонтальное водяное колесо
вертикальное водяное колесо
водяное колесо
водяное колесо
См. все соответствующие материалы →
водяное колесо , механическое устройство для отбора энергии текущей или падающей воды с помощью набора лопастей, установленных вокруг колеса. Сила движущейся воды воздействует на лопасти, и последующее вращение колеса передается на механизмы через вал колеса. Водяное колесо было, пожалуй, самым ранним источником механической энергии, заменившим энергию людей и животных, и оно впервые использовалось для таких задач, как подъем воды, валяние ткани и измельчение зерна.
Далее следует краткое описание водяных колес. Для полного описания см. преобразование энергии: водяные колеса.
Викторина Britannica
Энергия и ископаемое топливо
Изучите, как ряд шестерен в водяном колесе преобразует энергию потока в мельничный жернов
Просмотреть все видео для этой статьи
Комбинация водяного колеса и трансмиссии, часто включающая зубчатую передачу, в средние века обычно обозначалась как мельница.
Из трех различных типов водяных мельниц самая простая и, вероятно, самая ранняя представляла собой вертикальное колесо с лопастями, на которые действовала сила потока. Затем было горизонтальное колесо, используемое для привода жернова через вертикальный вал, прикрепленный непосредственно к колесу. Третьей была зубчатая мельница, приводимая в движение вертикальным водяным колесом с горизонтальным валом. Это требовало больше знаний и инженерных навыков, чем первые два, но обладало гораздо большим потенциалом. Вертикальные водяные колеса различались также по месту контакта воды с колесом: во-первых, недоливное колесо; во-вторых, грудное колесо; и в-третьих, колесо овершота. Эти водяные колеса обычно использовали энергию движущихся ручьев, но в 11 веке появились и приливные мельницы.
Каждый тип мельницы имел свои преимущества и недостатки. Относительно мало известно об их развитии до Средневековья, но некоторые их характеристики предполагают порядок появления в контексте сложности строительства и возможностей использования.
Простое вертикальное колесо требовало небольшой дополнительной конструкции, но сила и скорость отбора мощности зависели от характеристик потока и диаметра колеса. Поскольку изменение направления мощности не требовалось, это колесо оказалось наиболее полезным для подъема воды, используя, например, ряд горшков, приводимых в действие цепным приводом.
Горизонтально-колесная мельница (иногда называемая скандинавской или греческой мельницей) также требовала небольшой вспомогательной конструкции, но подходила для измельчения, поскольку верхний жернов крепился к вертикальному валу. Однако мельницу можно было использовать только там, где поток тока подходил для измельчения.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подписаться
Вертикально-колесная мельница с редуктором была более универсальной. Конструкция была относительно простой, если колесо было с перекатом, потому что лопасти колеса можно было просто окунуть в поток, будь то река, прилив или искусственная мельница.
Монтажник мог выбрать передаточное отношение, чтобы согласовать использование мощности со скоростью потока, а колесо можно было установить в арке моста или на барже, стоящей на якоре посреди течения. Витрувий описал первое вертикальное колесо с редуктором, для которого у нас есть хорошие доказательства. Эта мельница также имеет большое значение, потому что это было первое применение зубчатой передачи, в котором использовалась сила, отличная от мускульной. Эта мельница имела колесо с перекатом и, в отличие от колес с недокусом, не использовала вес падающей воды.
Мельницы с зубчатыми грудными и овершотными колесами требовали дополнительных вспомогательных конструкций, но они позволяли наиболее широко использовать имеющуюся силу воды. Основная проблема строительства заключалась в том, чтобы найти мельницу, где падение воды соответствовало бы желаемому диаметру колеса. Можно использовать либо длинную мельницу вверх по течению, либо плотину.
Мало что известно о деталях развития зубчатых мельниц между временами Витрувия и XII веком.