Вращение – водяные колеса

Где и когда было изобретено первое водяное колесо достоверно не известно. Однако изобретение водяного колеса имело огромное значение для истории техники. Впервые человек получил в свое распоряжение надежный, универсальный и очень простой в своем изготовлении двигатель. В I веке до н. э. римлянин Витрувий в своем трактате «Десять книг об архитектуре» приводит описание конструкции так называемого «нижнебойного» водяного колеса. «Нижнебойное» или «подливное» водяное колесо приводится во вращение воздействием водяного потока на нижние лопасти.

Обыкновенное нижнебойное (подливное) водяное колесо:

1 – впускная стенка; 2 – колесо; 3 – лопатки

Эти колеса устраивались на реках, имеющие большую скорость течения, и при подаче воды под напором. В таком обыкновенном водяном колесе вода подавалась под колесо и действовала на его лопатки ударом. При такой работе колеса часть воды утекает между дном и краями лопаток, отчего часть энергии теряется. Кроме того, энергия затрачивалась и на удар воды о лопатки. Из-за таких потерь коэффициент полезного действия (КПД) этого колеса был не более 30 %. Распространенным типом нижнебойных водяных колес было «висячее» колесо, которое устанавливалось на свободном течении реки и погружалось в воду своими нижними лопатками.

Помимо нижнебойных колес вскоре стали использовать среднебойные и верхнебойные водяные колеса.

Среднебойные водяные колеса устроены так, что вода подается на них в середину колеса или несколько ниже (рис.).

Среднебойное колесо:

1 – перегородка; 2 – колесо; 3 – лопатки; 4 – кожух

Эти колеса использовались при больших расходах воды и при небольших напорах. Под колесом располагался кожух, препятствующий протечкам воды. Впуск воды на колеса устраивался перегородчатый, так что она подавалась на несколько лопаток. В колесе использовалась частично кинетическая, частично потенциальная энергия. КПД колеса составлял 50-60 %.

Верхнебойные водяные колеса (другое название – наливные) приводились во вращение потоком воды, падающим на верхние лопасти (рис.).

Верхнебойное (наливное) колесо:

1 – колесо; 2 – ящики (лопасти колеса); 3 – подводящий лоток

Вода подводилась к колесу в лотке, расположенном на некоторой высоте над верхними лопастями, поэтому в момент касания лопастей вода уже имела некоторую скорость. Лопасти верхнебойного колеса устраивались в виде ящиков без верха: деревянные лопасти имели форму ломаной линии, металлические – криволинейную форму с отверстием в нижней части для выхода воздуха при заполнении лопасти водой.

Верхнебойные колеса использовались при небольшом расходе воды, но при значительном напоре (до 10 м). КПД верхнебойного колеса составлял 75 %. Для получения бỏльшего крутящего момента диаметры водяных колес имели большие размеры – до 15–17 м.

Три основных вида водяных колес:

а – подливное; б – среднебойное; в – наливное

1 – вал; 2 – уровень воды в верхнем бьефе; 3 – уровень воды в нижнем бьефе

Кое-где на реках Днепр, Кура и др. до сих пор работают так называемые «байдачные» водяные колеса, то есть плавучие водяные двигатели в виде подливного колеса старинного типа, установленного на двух поплавках или байдарах (рис).

Лопатки нижней части колеса, погруженные в водяной поток между двумя поплавками, перемещаются силой течения и создают вращение колеса. Колесо укреплено на главном горизонтальном валу в подшипниках, размещенных на двух жестко соединенных друг с другом поплавках. При помощи зубчатой передачи вращение вала передается жерновам мельничного постава и другим станкам или машинам. Так устроены старинные поплавковые водяные мельницы, использующие живую силу свободного речного течения для размола зерна.

Свободнопоточные гидросиловые установки имеют своим основным преимуществом именно отсутствие надобности в плотине, водоподводящем устройстве и водоотводе.