Колесо для зрошення

Наши партнеры ArtmMisto

Питання В. Кудряшова, Оренбурзька область.

Водопідйомне колесо для зрошення - чудова тема для статті на вашому сайті! За яких перепадах рівнів води можна використовувати таке колесо? Які його продуктивність і конструкція?

Мал. 1. Чигир простий

Трішки історії
Водопідйомне колесо - одне з найдавніших винаходів людства. Воно створено в процесі боротьби за виживання. Для свого часу це був, безумовно, шедевр людської думки. Протягом багатьох століть водопідіймальні колеса вірою і правдою служили людям у багатьох районах землі з посушливим кліматом. У Китаї, наприклад, близько 60% посівної площі зрошується штучно. Єгипет, Індія, країни Середньої Азії та Близького Сходу - все це райони землі з зрошуваних землеробством. Водопідйомне колесо - винахід аж ніяк не російське. Адже не дарма ж найпростіший з відомих механізмів для підйому води, що складається з колеса з горизонтальним валом і цевочной кутовий передачі, називається Чигирем (слово перське). Чигир працював »за допомогою коня, верблюда або іншого домашньої тварини, що ходить по колу і крутного цевочное колесо кутової передачі з вертикальним валом (рис. 1). Розглянемо пристрій простого Чигиря. Черпаки (дерев'яні або навіть керамічні) укріплені на колесі таким чином, що при обертанні колеса черпають воду з каналу, арика або ставка, піднімають її на висоту діаметра колеса і переливають в горловину іншого водоводу, по якому вона подається самопливом на зрошувану ділянку. Більш складним пристроєм є ланцюгової (або канатний) Чигир, що складається з встановленого високо над землею барабана, через який перекинута ланцюг (або канат) з черпаками (рис. 2). Як видно з малюнка, привід в принципі такий же, як і у першого пристрою, але ланцюгової Чигир здатний піднімати воду на значно більшу висоту і є більш досконалим гідротехнічною спорудою. І тим не менше - це вже історія.

Мал. 2. Чигир ланцюгової: 1 - лоток для води; 2 - дерев'яне колесо; 3 - горизонтальний вал; 4 - цевочного передача; 5 - вертикальний вал; 6 - ярмо; 7 - ланцюг; 8 - відро

Навряд чи кого-небудь тепер всерйоз зацікавить подібне громіздке тихохідне пристрій з приводом за допомогою домашніх тварин. У Росії вони і раніше-то поширення не отримали. В європейських же країнах в середні століття водопідіймальні колеса застосовувалися для водопостачання замків, які зазвичай розташовувалися на піднесених місцях. Колодязі тут доводилося копати дуже глибокі і складні. Зазвичай справа не обмежувалася спорудою вертикального стовбура, а доводилося проходити і горизонтальні штольні до найближчої водойми (річки або озера) і робити прихований водозабір. Коштів на це не жаліли і залучали до таких робіт, мабуть, кращих фахівців (доля їх після закінчення будівництва секретної системи водопостачання часто виявлялася трагічною), які і забезпечили подальший прогрес у створенні водопідйомною техніки.

В одному замку-музеї і зараз можна побачити, наприклад, водопідйомний колесо величезних розмірів, зазначеного в розділі рух тваринами (кіньми і волами). Ці тварини рухалися всередині колеса ( «Більче колесо»), створюючи таким чином крутний момент, необхідний для підйому ковшів з водою, укріплених на ланцюгу або канаті (рис. 3). Бічні стінки коліс робилися гратчастими. Колесо забезпечувалося храповим пристроєм, що дозволяв обертатися колесу тільки в одну сторону. У колесі передбачалися стопорящее пристосування і ворота для тварин.

Мал. 3. Кріпосне водопідйомний колесо: 1 - храпове пристрій; 2 - колесо; 3 - ковші; 4 - ланцюг; 5 - лоток для води; 6 - колодязь

Мал. 4. Типи водяних коліс: а - ніжнебойное; б - среднебойное; в - верхнебойное; Н - напір води

Які бувають водяні колеса
Для жителів нашої країни, мабуть, більший інтерес представляють пристрої, що використовують як джерело енергії водний потік або перепад води, тобто пристрої, що включають в себе водяне колесо - цей найдавніший механічний двигун. Водяне колесо складається з обода з лопатками або ковшами, з'єднаного спицями з горизонтальним валом, від якого крутний момент за допомогою зубчастих, ремінних або канатних передач повідомляється робочим машинам - жорнам млини, молоту та повітродувних бурдюки кузні, насосу та верстата фабрики. З розвитком мануфактур водяні колеса стали енергетичною базою основних в ті часи галузей виробництва (текстильної, дерево- та металообробної та ін.). Використання коліс для приводу повітродувних міхів, наприклад, зумовило розвиток доменного виробництва. І тільки поява більш універсального двигуна - парової машини - дозволило поступово відмовитися від водяних коліс.

Залежно від способу підведення води розрізняють ніжнебойние (або подлівние), среднебойние і верхнебойние (або наливні) водяні колеса (рис. 4). Вал водяного колеса обертається звичайно зі швидкістю 1 ... 10 оборотів в хвилину, потужність не перевищує декількох десятків кВт, коефіцієнт корисної дії приблизно 0,3 (у ніжнебойного колеса) і 0,75 (у верхнебойного). До речі, водяне колесо легко перетворити одночасно в водопідйомний, забезпечивши його черпаками або з'єднавши вал колеса з валом барабана ланцюгового Чигиря. Вийде «насос», що не потребує в послугах домашніх тварин для приводу його в дію. Саме в такому поєднанні ніжнебойние водяні колеса застосовувалися в системах зрошення Єгипту, Ассирії, Китаю і Індії. В якості приводу для млинів вони служили в Західній Європі і в Росії в середні віки. І тільки в період розвитку мануфактур з'явилися середньо- і врехнебойние колеса, що мають більш високий ККД. Знаменно, що навіть тоді, коли перші машини стали встановлювати на суду, коли було винайдено гребне колесо з поворотними лопатями (лопатями), які, загрібаючи воду при обертанні колеса, поверталися, залишаючись майже перпендикулярними відносно напрямку руху судна (рис. 5), тим самим збільшуючи ефективність гребка, водяні колеса продовжували постійно вдосконалюватися, переймаючи все краще у своїх «молодших братів» - гребних коліс, і не бажали поступатися своїм місцем парову машину без боротьби.

Мал. 5. гребеня колесо пароплава з поворотними лопатями (лопатями): 1 - остов колеса; 2 - маточина колеса; 3 - маточина механізму повороту лопатей; 4 - лопать; 5 - важіль лопаті; 6 - тяга важеля; 7 - важіль повороту маточини механізму повороту лопатей

Зрозуміло, що гребне колесо - пристрій оборотне. Якщо його використовувати в якості ніжнебойного водяного колеса, наприклад, на водяному млині, воно буде працювати більш ефективно, ніж звичайне водяне ніжнебойное колесо з радіальними лопатями. На перший погляд, водяні колеса, зображені на рис. 4, вельми схожі один на одного. Насправді ж ніжнебойное колесо докорінно відрізняється від среднебойного і верхнебойного. Адже якщо два останніх колеса приводяться в дію переважно вагою води, затримується на лопатях колеса при падінні з рівня води перед дамбою до рівня води за греблею, то ніжебойное колесо приводиться в дію струменем витікає з-під греблі води, використовуючи її кінетичну енергію. Якщо перші два колеса можна (по аналогії з електродвигунами) назвати синхронними машинами, то третє - машина асинхронна. Воно здатне відбирати енергію від потоку тільки в тому випадку, якщо потік буде втрачати енергію при зустрічі з лопатою, а це трапляється тільки тоді, коли швидкість лопаті колеса більше нуля і менше швидкості потоку.
І щоб знати, як краще використовувати кінетичну енергію потоку, треба розібратися, яким чином слід направити потік на лопаті колеса і якої форми зробити самі лопаті.
Відомо, що Fдавл. - сила лобового опору тіла потоку - визначається за формулою:
Fдавл. = Cx x S x ρ x Vo2 / 2,
де Cx - безрозмірний коефіцієнт;
S - площа миделевого перетину;
ρ - щільність рідини;
Vo - швидкість потоку рідини.

Мал. 6. Взаємодія потоку рідини з твердими тілами: а - коефіцієнти лобового опору тіл різної форми; б - падіння струменя рідини на плоску площадку; в - падіння струменя рідини на тіло в вигляді жолобка з рассекающим ребром

Cx, званий коефіцієнтом лобового опору, має одне і те ж значення для всіх тіл однакової форми і однаково орієнтованих щодо потоку, тобто не залежить від розміру тел. На рис. 6, а наведені значення Cx для тіл різної форми, але з однаковими миделевого перетинами. (Миделевого перетин - найбільше за площею перетин тіла, утворене площиною, перпендикулярної до потоку. До площі миделевого перетину звичайно відносять діючу на тіло силу опору.) Зрозуміло, що сили лобового опору тіла потоку будуть пропорційні Cx. З даних, наведених на рис. 6, а, видно, що найбільшим значенням Cx (а отже, і Fдавл.) Характеризується диск.
Очевидно, що для водяного колеса, як і для гребного колеса пароплава, найбільш ефективними будуть плоскі лопаті (палиці), у яких Cx має максимальне значення - 1,32. Однак виявляється, що тут все не так і «очевидно». І щоб з'ясувати дійсний стан справ, спробуємо розібратися, як взаємодіє потік з лопатями колеса і як відбувається робота.
Умовою отримання найбільшої сили реакції будь-якого тіла (коли тіло нерухомо) на вплив струменя потоку є зміна напрямку руху струменя на протилежне. Так ось, з цих позицій оптимальною формою лопаті колеса буде лопатка у вигляді жолобка з рассекающим ребром (рис. 6, в), при падінні на яку струменя рідини сила реакції в два рази більше, ніж при впливі тієї ж струменя на плоску площадку (рис . 6, б). Правда, це все відноситься до нерухомих лопатей. А якщо лопать колеса рухається, то струмінь, що надходить на нього зі швидкістю V1, відхиляється від первинного напряму і стікає з лопаті вже зі швидкістю V2 <V1 (лопать рухається в одному напрямку зі струменем). Якщо в секунду про рухому лопать колеса вдаряється маса води m, то робота А, що здійснюється потоком за цей період, дорівнює кінетичної енергії, втраченої водою за ту ж секунду:
А = mx V12 / 2 - mx V22 / 2.

З цієї формули випливає, що робота, що здійснюються потоком води, залежить і від швидкості руху лопаті колеса. Тобто, коли лопата рухається зі швидкістю води, тиск на неї з боку води дорівнює нулю, в результаті робота дорівнює нулю. До речі, подібний нульовий результат буде і при впливі потоку на нерухому лопать. Адже хоча тут тиск на неї буде найбільшим, але оскільки лопать не рухається, то і робота не здійснюється. Словом, фахівці довели, що робота, вироблена потоком, буде найбільшою, коли лопата колеса рухається зі швидкістю, що відповідає 50% швидкості потоку.

Мал. 7. Колесо з боковим приводом струменя: 1 - колесо; 2 - сопло для підведення рідини до лопат колеса

Трохи про конфігурацію лопатей. Як видно з рис. 4, а, конструктивно неможливо забезпечити падіння струменя на лопать колеса перпендикулярно до її поверхні, оскільки лопаті екранують (закривають) один одного. Однак, як завжди, вихід знайшовся. Лопаті стали робити вигнутими (за формою, близькою до циліндричної поверхні), збільшили їх число, а струмінь води направили на лопаті збоку під гострим кутом (рис. 7). Це призвело до того, що вода, потрапляючи на лопаті з одного боку колеса, виходила з іншого боку колеса в напрямку, симетричному входу, тобто під гострим кутом, що забезпечило значно вищий рівень передачі кінетичної енергії від струменя до колеса.
Як і де встановити колесо?
Спробуємо розібратися, де і як змонтувати водяне колесо і як краще з його допомогою підняти воду для поливу ділянки (або ділянок) з вологолюбними культурами. Головне, що необхідно для водяного колеса - це річка з пристойним витратою води і досить глибоким руслом, в якому можна спорудити греблю, щоб підняти рівень води перед дамбою і не затопити при цьому зрозумію. Згадаймо, що сучасні річки - це потоки води, які сформувалися дуже давно, після останнього заледеніння Землі, і встигли утворити річкові долини, постійно несучи розмитий грунт вниз за течією. При таненні снігів навесні річки розливаються іноді дуже широко, затоплюючи прилягає до русла рівне простір, яке називається заплавою. На схилах більшості річкових долин є поздовжні уступи-тераси, що виникають найчастіше в результаті періодичного «врізання» річки в дно. Ці тераси колись теж були заплавами і заливалися паводками, по ним теж «гуляла» річка, залишаючи після себе острова (тепер височини або пагорби) і стариці (тепер озера та болота). Основні елементи річкової долини показані на рис. 8. Звичайно, біля річки, на якій передбачається ставити водяне колесо, повинен бути «спокійний характер», щоб вона не перетворювалася після кожного дощу в бурхливий потік, що руйнує все на своєму шляху.

Мал. 8. Елементи долини річки

Мал. 9. Среднебойное водяне колесо в свайно-ряжевого греблі (вид спереду, саме колесо для спрощення малюнка не наведено): 1 - дерев'яний каркас греблі; 2 - водоскидні лоток; 3 - кривошип приводу насоса; 4 - контрфорси; 5 рукоятка затвора-шибера; 6 - канал подачі води на колесо

Водяне колесо встановлюється на греблі, спеціально для цього спорудженої в руслі річки. Греблі були відомі ще в глибоку давнину. Тоді їх влаштовували у вигляді невеликих, простих споруд з місцевих матеріалів (землі, каміння, дерева). З гребель невеликого розміру в Росії найбільшого поширення набули свайно-ряжевие греблі, що складаються з паль, що забиваються в дно річки, і багатостінних дерев'яного зрубу складної конструкції, сполученого з цими палями і засипаного грунтом. Такі греблі зручні для невеликих напорів води (від 2 до 8 м, іноді до 10 ... 15 м). Головний будівельний матеріал каркаса гребель - сосна, дерево найбільш стійке в умовах змінної вологості. Дерев'яні греблі досить прості, надійні і дешеві (ліси в Росії завжди було багато), а термін їх служби складає 15 ... 20 років, що зазвичай для подібних споруд цілком достатньо.
Дерево - матеріал, з яким на Русі завжди вміли поводитися. Воно дозволяє виконувати з міцно пов'язаних колод каркас греблі, а також багато її елементи (водозливи, лотки, канали, шлюзи, регульовані затвори, включаючи їх привід-воріт, і т.д.), забезпечуючи при цьому достатню міцність і стійкість конструкції.

На рис. 9 і 10 зображена гребля зі среднебойним водяним колесом, встановленим на контрфорсах (виступаючих з греблі стінах дерев'яного каркаса). Зруб греблі врізаний в берега русла річки і зафіксований палями. Канал для подачі води на колесо забезпечений затвором-шибером. (Шановні читачі! Рис. 9 і 10 вийшли дещо складними, тому канал для подачі води на колесо, та й саме колесо в одному випадку в малюнки не увійшли. Однак вищевказаний канал показаний на рис. 12.) Водоскид-лоток розташований вище рівня каналу , призначеного для подачі води на колесо. На внутрішніх сторонах контрфорсов влаштовані напрямні, які мають із суцільним ободом колеса мінімальні зазори, так що вода надходить в колесо і тисне своєю вагою на його лопаті, тим самим обертаючи колесо.

Мал. 10. Среднебойное водяне колесо в свайно-ряжевого греблі (вид збоку): 1 - водобросний лоток; 2 - канал подачі води на колесо; 3 - кривошип приводу насоса; 4 - контрфорс

Дно річки за греблею під водоскидів захищено від розливу камінням. Якщо витрата води в річці досить великий (і стійкий також), то лопаті колеса роблять плоскими, але, якщо ці витрати не перевищує кілька відер в хвилину (і на таких річках ставлять водопідіймальні установки), лопаті краще виконувати коритоподібними з бічними стінками, щоб вода з них не витікала. Для підйому води, звичайно, не забороняється піти і за старовинним шляху, застосовуючи «техніку», представлену на рис. 1 і 2. Але набагато простіше, дешевше і надійніше використовувати крутний момент на валу водяного колеса для приведення в дію насоса, наприклад, ручного поршневого. Для цього вал водяного колеса забезпечується кривошипом (див. Рис. 9 і 10). На контрфорсі на кронштейнах встановлюється ручний насос. Кривошип вала колеса з'єднується шатуном з ручкою насоса. Всмоктуючий патрубок насоса занурений в предплотіннихділянок простір водойми (воду беруть між поверхнею водойми і його дном, щоб уникнути засмічення труби плаваючим сміттям або донним шлаком). Напірний бак, куди надходить вода, забезпечується витратним і переливним трубопроводами (через останній надлишки води направляються назад в річку). Для зупинки колеса закривають затвор-шибер, після чого вся вода з водойми починає стікати за греблю через водоскид.

Мал. 11. Ніжнебойное водяне колесо: 1 - водобросний лоток; 2 - гребля; 3 - затвор-шибер; 4 - водяне колесо; 5 - насос; 6 - канал подачі води до колеса

На рис. 11 зображена веслування з ніжнебойнім водяним колесом з «ціліндрічнімі» лопатями-лопатками. Підведення води до лопаток бічній, тобто здійснюється за схемою, наведення на рис. 7. Розташування каналу для подачі води до колеса у такий греблі візначається рівнем лопатей в Нижній части колеса. Відведення відібраної води від колеса бажано здійснити по жолобу, розташованому нижче колеса, що підвищить ефективність використання кінетичної енергії струменя води. В іншому, включаючи специфіку використання поршневих насосів, гребля з ніжнебойним колесом не відрізняється від греблі зі среднебойним колесом.
Водяні колеса встановлюють не тільки на греблях. Відомі так звані руслових двигуни - водяні колеса, наявні безпосередньо в руслі річки (без гребель). Але таке можна здійснити, коли течія річки досить швидке. Зрозуміло, що подібні конструкції набагато простіше водяних коліс на греблях. Колесо в руслі кріплять: на опорах, забитих в дно річки; на поплавцях - жорстко скріплених на зразок катамарана човнах, які або причалені до берега, або утримуються на протязі на якорі; на рухомих або нерухомих кронштейнах, встановлених на березі. Варіантів безліч.

Мал. 12. Русловий водокачка: а - колесо в робочому положенні; б - колесо в піднятому стані; 1 - ніжнебойное водяне колесо; 2 - ферма; 3 - опора ферми; 4 - противага; 5 - якір-мертвяк; 6 - механізм приводу насоса; 7 - насос

Як приклад пропоную руслових водокачку з колесом, встановленим консольно на звареної з сталевого куточка фермі, яка, в свою чергу, тримається на опорі, змонтованої на березі. При цьому конструкція водокачки дозволяє повертатися фермі у вертикальній площині, забезпечуючи як установку водяного колеса в русло річки, так і її підйом вище рівня води в річці (рис. 12). На протилежному колесу кінці ферми передбачений вантаж, майже врівноважує кінець ферми з колесом, що дає можливість легко переводити досить важку конструкцію в те чи інше положення. Для фіксації ферми в піднятому положенні служить ланцюг і якір-мертвяк, влаштований під кінцем ферми. В якості основи водяного колеса на фермі підійде колесо і піввісь від будь-якого транспортного засобу, наприклад, від коляски мотоцикла.
У даній конструкції кривошип колеса добре б розташувати на зовнішній стороні колеса, але там насос кріпити нема на чому. Доведеться тут встановити насос між фермою і колесом, як показано на рис. 12. (Автор дав в даному матеріалі креслення приводу такого насоса, але, на жаль, до кінця в конструкції приводу ми розібратися не зуміли. Але після доопрацювання матеріалу ми схему цього оригінального приводу обов'язково опублікуємо. - Примітка редактора.)
можливості колеса
Щоб визначити розміри колеса, ємність лопатей-корит (більше число лопатей дозволить зменшити розміри колеса), необхідно виконати ряд не дуже складних арифметичних розрахунків. При розрахунках доведеться враховувати значення необхідного зусилля на ручці (або штоку) насоса, щоб визначити, коли саме має розвинути колесо для забезпечення руху поршня насоса при робочому ході. При цьому треба мати на увазі, що тихохідне колесо практично не має інерцію і не подолає опору споживача (насоса), якщо момент на останньому хоча б трохи перевищує момент на колесі, обумовлений тільки вагою води на його лопатях. Приймемо також до уваги той факт, що в нашому випадку підходять тільки поршневі «двотактні» насоси (з двома робочими напівперіодами за один оборот колеса) і «однотактний» (з одним робочим напівперіодом), у яких при роботі навантаження змінюється по синусоїдна закону. Дана особливість знижує ефективність дії водяного колеса, що особливо проявляється при установці «однотактного» насоса, що використовує обертовий момент водяного колеса тільки в одному напівперіоді обертання (при нагнітанні води).

На рис. 13 представлені схеми приводів «двухтактного» і «однотактного» насосів, а також циклограми «запитання» подібними насосами необхідного крутного моменту на колесі.
Момент, що обертає колеса Мк повинен бути трохи більше максимального значення моменту, потрібного для приводу насоса Мн. Ця вимога обов'язкова, інакше колесо не подолає опору насоса. У разі застосування «двухтактного» насоса навантаження, що приводить в дію насос за один оборот колеса (період Т), буде змінюватися відповідно до кривої 1 (див. Рис. 13, в). У випадку з «однотактних» насосом це навантаження поводиться відповідно до кривої 2 (у другому напівперіоді, коли відбувається всмоктування води в насос, що обертає момент колеса практично не витрачається і колесо обертається вхолосту).

А щоб «зекономити» на обертального моменту водяного колеса, що приводить в дію «однотактний» насос, спробуйте встановити на колесо вантаж G так, щоб при всмоктуванні насоса він піднімався з нижньої точки Б в верхню точку А (див. Рис. 13, б) , запасаючи енергію, а при робочому ході поршня насоса (при нагнітанні води в напірний бак) опускався з точки а вниз, віддаючи накопичену енергію, тобто допомагає колесу збільшити його крутний момент в цьому напівперіоді. Цей прийом дозволить встановити водяне колесо, розвиваюче менший крутний момент (Мк1 <Мк), оскільки навантаження «розтягується» на обидва напівперіоду (крива 3, наведена на рис. 13, в).
Висновок
В даній статті наведені загальні відомості про водопідйомних і водяних колесах, про різновиди їх конструкцій і принципах роботи, надано рекомендації щодо використання поршневих насосів з приводом від водяних коліс.
Стаття - це не типовий проект і не дозволяє, особливо в нашому випадку, запропонувати універсальну або конкретну конструкцію з конкретними розмірами. Самодельщиков надається самому додумати багато питань з урахуванням місцевих умов, а головне - має бути спорудити досить складна і трудомістка пристрій. Найкраще, якщо доля зведе разом кілька ентузіастів. У всякому разі спорудження водопідіймального пристрою - справа корисна, ефектне, здатне принести виконавцям велике задоволення плодами своєї праці.
Хочу порадити на закінчення роботу починати з розрахунків необхідних зусиль і виготовлення моделі майбутньої споруди. Від душі бажаю вам творчих успіхів!