Водяне колесо

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Наливне водяне колесо
Наливне назаднє водяне колесо (задньобійне)
Потокове водяне колесо
Середньобійне водяне колесо
Горизонтальне (мутовчасте) водяне колесо

Водяне́ ко́лесо — це механічний пристрій, який перетворює енергію потоку води або енергію піднятої води (гідроенергія) в обертовий рух, що може використовуватись як рушій в інших механізмах (наприклад, водяний млин, водяна лісопильня). Зворотне перетворення застосовувалося в гребних колесах на перших пароплавах.

Водяне колесо — це велике дерев'яне або металеве колесо з лопатями або ковшами на зовнішній поверхні обода. Лопаті (ковші) утворюють рушійну поверхню. Найчастіше колесо монтується вертикально на горизонтальній осі, але так зване норвезьке колесо встановлюється горизонтально на вертикальній осі. Вертикальні колеса можуть передавати енергію механізмам через вісь із шестернею і, зазвичай, приводні ремені. Горизонтальні колеса здебільшого використовуються для безпосереднього привода механізмів.

Історія[ред.ред. код]

Водяні колеса з'явились у стародавні часи і були у використанні навіть в XX столітті. Нині водяні колеса не мають практичного застосування. Головний недолік водяних коліс полягає у їхній залежності від наявності й кількості води, що обмежує можливість їх застосування та розміщення. Для забезпечення водяного колеса водою часто будувались греблі, створювались водосховища і ставки.

Наукові досягнення дали змогу значно збільшити ефективність водяного колеса в другій половині XVIII століття. Серед удосконалень можна відзначити підвіс колеса та встановлення зубчатої шестірні на ободі або кожусі водяного колеса. Підвіс колеса почав виконуватись таким способом, який можна бачити на сучасному велосипедному колесі — обід постійно напружений від втулки. Це дає змогу робити колеса більшими й легшими порівняно з попередньою конструкцією, де важкі й масивні спиці утримують усе навантаження. Менша шестірня, що зчеплена з шестірнею на ободі водяного колеса, передає потужність до механізмів, використовуючи власний вал. Це зняло з осі водяного колеса обертальні навантаження, що дало змогу робити її легшою, а також додало гнучкості в можливостях розташування силової передачі. Кількість обертів на валу збільшується, що призводить до менших втрат енергії. Приклад такого колеса можна бачити на реставрованому колесі 1849 року в Канальному пакгаузі на Портлендському ставі при Дьюкінфілд-Джанкшн[en].

У доіндустріальний період водяне колесо було основним постачальником енергії. Після того як у 1827 році Бенуа Фурнерон[fr] розробив водяну турбіну, водяні колеса поступово почали витіснятись. Турбіни менші за розміром, дешевші, більш ефективні, а головне — здатні працювати з перепадами води, які перевищують практичні розміри водяних коліс. Повне заміщення водяних коліс турбінами відбувалось понад 100 років.

Верхньобійне (і особливо задньобійне) водяні колеса є найбільш ефективним типом; задньобійне сталеве колесо може бути більш ефективним (до 60 %), ніж перші побудовані турбіни.

Застосування[ред.ред. код]

Типи[ред.ред. код]

Розрізняють три основні види водяного колеса для перетворення гідроенергії в енергію обертового руху:

  • наливне (верхньобійне), де вода подається зверху по жолобу. ККД — до 85 %. Розрізняють наливні колеса з прямим і назаднім ходом.
  • підливне (нижньобійне) водяне колесо, де вода подається до нижньої частини. Окремий підтип — потокове колесо. ККД — до 35 %.
  • середньобійне, де вода подається на середину висоти. ККД — до 75 %.

Мутовчасте колесо[ред.ред. код]

Горизонтальне, мутовчасте чи «норвезьке» колесо, «норвезький млинок» (англ. Norse mill) — водяне колесо, яке закріплене на вертикальному валу. Являє собою найпростішою, архаїчною формою сучасної водяної турбіни. Перша згадка про водяні колеса належить до бл. 400 року до н. е., про колесо з горизонтальною віссю — до бл. 200 р. до н. е., отже, мутовчасті колеса є найдавнішим типом водяних коліс.

Потокове колесо[ред.ред. код]

Потокове колесо (англ. stream wheel) занурене нижньою частиною у воду. ККД такого колеса до XVIII ст. становив близько 20 %, пізніше його вдалося довести до 50-60 %.

Нижньобійне колесо[ред.ред. код]

Середньобійне колесо[ред.ред. код]

Верхньобійне колесо[ред.ред. код]

Задньобійне колесо[ред.ред. код]

Мішані типи[ред.ред. код]

Існують колеса, що сполучають ознаки вищеперелічених типів. Наприклад, верхньобійне колесо може отримувати додаткову енергію від потоку води під ним, подібно потоковому колесу.

Колеса з реверсивним рухом

Особливий тип мішаних коліс — колеса з реверсивним рухом. Таке колесо два ряди лопатей чи черпаків, спрямованих в протилежні напрямки, таким чином, що воно може обертатися в різні боки: залежно від напрямку подаваного потоку води. Колись такі колеса використовували в гірництві в підіймальних пристроях. Змінюючи напрямок обертання колеса, підіймали чи опускали бадді з рудою в шахтах чи на схилах. На валу кріпився канатний чи ланцюговий барабан (нім. Kettenkorb). Характерно, що колесо було споряджене гальмовим пристроєм, щоб забезпечити можливість швидкої зупинки механізму. Найраніший відомий малюнок реверсивного колеса належить Георгію Агріколі і датується 1556 р.

Характеристика[ред.ред. код]

Горизонтальне, мутовчасте чи норвезьке колесо
  • Горизонтальне колесо з вертикальним валом
  • Потік води вдаряє по лопатях, встановлених на валу
  • Рушійні поверхні — лопаті
  • Вода — малий обсяг, значна висота падіння
  • ККД — низький
Схема мутовчастого колеса
Потокове колесо. Прикладом цього типу є пароплавні гребні колеса.
  • Вертикальне колесо з горизонтальним валом
  • Нижня частина колеса занурена в проточну воду
  • Рушійні поверхні — лопаті — плоскі до XVIII ст., пізніше вигнуті
  • Вода — дуже великий обсяг, відсутність висоти падіння
  • ККД — близько 20 % до XVIII ст., пізніше 50-60 %
Схема потокового колеса
Нижньобійне чи підливне
  • Вертикальне колесо з горизонтальним валом
  • Вода вдаряє зверху вниз по нижній чверті колеса
  • Рушійні поверхні — лопаті — плоскі до XVIII ст., пізніше вигнуті
  • Вода — великий обсяг, мала висота падіння
  • ККД — близько 20 % до XVIII ст., пізніше 50-60 %
Схема нижньобійного колеса
Середньобійне
  • Вертикальне колесо з горизонтальним валом
  • Вода вдаряє по колесу приблизно посередині, зазвичай між 1/4 і 3/4 висоти.
  • Рушійні поверхні — черпаки — їхня форма покликана забезпечити плавне надходження води.
  • Вода — значний обсяг, середня висота падіння
  • ККД — 50-60 %
Схема середньобійного колеса
Задньобійне
  • Вертикальне колесо з горизонтальним валом
  • Вода б'є поблизу верху колеса перед валом, таким чином, що воно обертається в напрямку, зворотному течії
  • Рушійні поверхні — черпаки
  • Вода — малий обсяг, значна висота падіння
  • ККД — 80-90 %
Схема задньобійного колеса
Верхньобійне чи наливне
  • Вертикальне колесо з горизонтальним валом
  • Вода б'є поблизу верху колеса за валом, таким чином, що воно обертається в напрямку течії
  • Рушійні поверхні — черпаки
  • Вода — малий обсяг, значна висота падіння
  • ККД — 80-90 %
Схема верхньобійного колеса

Потужність[ред.ред. код]

Відео роботи підливного колеса
Відео роботи мутовчастого колеса

Потужність нижньобійного колеса або колеса просто зануреного в річку залежить від кінетичної енергії потоку. Приблизна потужність, яку можна одержати з такого колеса, може бути обчислена за формулою: Потужність (Ват) = 500 x A x V3 x С

A = Площа занурених лопатей (квадратні метри)

V = Швидкість потоку (метрів за секунду)

C = Коефіцієнт корисної дії (близько 20 %)

Швидкість обертання колеса = 9 x V/D об/хв

D = діаметр в метрах

Для середньо- або верхньобійного колеса вага води, що протікає через колесо, множиться на висоту між верхнім та нижнім рівнями води: Потужність (Ват) = 9,8 x Q x H x C

Q = масова витрата води (кілограм за секунду)

H = висота падіння між верхнім та нижнім рівнями води (метрів).

C = Коефіцієнт корисної дії

Оптимальна швидкість обертання середньо- або верхньобійного колеса становить приблизно: Швидкість обертання колеса = 21/ √D

D = діаметр колеса в метрах

Норія[ред.ред. код]

Водяне колесо часто використовується як рушій в підіймальних пристроях — норіях та чигирях.

Див. також[ред.ред. код]

Посилання[ред.ред. код]