Применение Архимедова винта

Введение

Архимедов винт, винт Архимеда — механизм, исторически использовавшийся для передачи воды из низколежащих водоёмов в оросительные каналы. Он был одним из нескольких изобретений и открытий, традиционно приписываемых Архимеду, жившему в III веке до н. э. Архимедов винт стал прообразом шнека.Подвижническая жизнь Архимеда, отданная служению науке, - живой пример настоящего творца. Результаты его научно-технического творчества и методы исследования во многих областях математики физики, астрономии обогатили кладезь, мудрости, откуда и теперь его последователи «черпают» новые идеи, развивая и используя их в своей научной, инженерной и педагогической практике.Архимедов винтОчень давно люди стали использовать еще одну машину для подачи воды: винт или улитку Архимеда (Archimedes, 287–212 до н. э.). Правда, винтовая линия и винтовая поверхность были известны до Архимеда, их открытие связывают с именем Архита Тарентского (Archytas of Tarentum, 428–365 до н. э.) – математика школы Пифагора. Известно также, что Архимед ездил в Египет, в Александрию и там знакомился с достижениями науки и техники эллинизма. По всей вероятности, Архимед усовершенствовал уже известную машину, но сделал это столь искусно, что именно он считается изобретателем водоподъемного винта. Действие водоподъемного винта основано на свойстве винтовой поверхности, которая противодействует силе тяжести. Винт устанавливается в деревянной трубе (обшивке) наклонно к плоскости горизонта под углом, меньшим угла наклона винтовой линии. При этом условии забранная порция воды будет перемещаться по винтовой поверхности снизу-вверх. Нетрудно заметить, что описанная улитка (кохлея) аналогична цепочке ведер. Сохранилась помпейская фреска, на которой изображен архимедов винт с приводом от человека, переступающего ногами по обшивке машины.На изготовление улитки уходит меньше, чем на изготовление водоподъемного колеса, дефицитного для стран Средиземноморья дерева. В северной Африке можно и сейчас найти действующую архимедову улитку. Только в 20-х годах нашего столетия демонтировали архимедов винт для откачки соляного раствора в Крыму. Архимедов винт диаметром 4,11 метра использовался на Чикагской магистрали еще в начале XX века, при частоте вращения 52 об/мин он подавал 1,73 кубических метров воды в секунду на высоту 10,6 метров.Рисунок 1. Винт АрхимедаОчень удобным оказался водоподъемный винт для откачки воды из рудников. Винты очень хорошо вписывались в наклонные выработки и могли практически полностью вывести всю воду на поверхность. Преимущества архимедова винта обеспечили ему широкое применение в течение многих столетий для различного применения. В частности, он применялся в первых водопроводах Европы: в немецком городе Аугсбурге, в польском городе Фромберге (здесь все работы проводились под руководством великого астронома Коперника). По конструкции они часто отличались от античных. Появились многоступенчатые винты, расположенные по вертикали с промежуточными резервуарами. Это позволило уменьшить размеры по длине, сделать установку более компактной, удешевить изготовление винта. Далее винт стали изготавливать из спиральной трубы, надетой на деревянный вал.Принцип работы архимедова винтаУстройство состоит из наклоненной под углом к горизонту полой трубы с винтом внутри. Она была изобретена Архимедом примерно в 250 году до н. э. либо в Греции ранее. Винт можно представить как наклонную плоскость, навёрнутую на цилиндр.Винт вращается обычно с помощью ветряного колеса, либо вручную. В то время, как поворачивается нижний конец трубы, он собирает некоторый объём воды. Это количество воды будет скользить вверх по спиральной трубе во время вращения вала, пока, наконец вода не выльется из вершины трубы, снабжая ирригационную систему.Контактная поверхность между винтом и трубой не обязана быть идеально водонепроницаемой, потому что относительно большое количество воды черпается за один поворот по отношению к угловой скорости винта. Кроме того, вода, просачивающаяся из верхней секции винта, попадает в предыдущую секцию и так далее, таким образом, в машине достигается динамическое равновесие, что препятствует уменьшению механической эффективности."Винт" не обязан поворачиваться внутри неподвижной оболочки, он может вращаться вместе с нею как одно целое. Винт, может быть герметично прикреплён с помощью смолы, или другого связующего к оболочке, либо отлит из бронзы, как одно целое с оболочкой, как, по предположению некоторых исследователей, были сделаны устройства, орошавшие висячие сады в Вавилоне. Изображения древнегреческих и древнеримских водяных винтов показывают, что винт двигался человеком, наступавшим на внешнюю оболочку, чтобы вращать весь аппарат как единое целое, что требовало, чтобы корпус был жестко скреплён с винтом.Архимедов винт рабочим органом которого являются укреплённые на валу несколько витков винтовой поверхности (архимедовой спирали) с наружным диаметром D = 0,3-2,0 м. Будучи погружён одним концом в водоисточник, винт, вращаемый живым или механическим двигателем (часто ветровым), захватывает воду из источника и продвигает её по винтовой поверхности вверх. Архимедов винт, по конструкции бывает закрытый и открытый. Закрытый винт плотно вставляется в цилиндр, который вращается с ним. Он устанавливается под углом около 25° к горизонту; при понижении уровня воды в источнике нижний конец винта м. б. опущен, и угол наклона увеличен до 45°. Открытый винт помещается в неподвижном открытом железном, бетонном или деревянном лотке, соприкасаясь с его дном; угол наклона не больше 30°. Архимедов винт поднимает: Q=μ×n×z×q м³воды в 1 мин. (здесь q – ёмкость 1 винтовой лопасти; μ – степень её наполнения водой; z – число ходов винта; n – число оборотов винта в 1 мин.). Длина винта L = 2H-1,2D, где Н – высота подъёма в м.Рисунок 2. Закрытый и открытый тип винтаОбычно подаётся от 36 до 2 460 л/сек, но в единичных мощных установках до 30 м 3/сек. Архимедов винт успешно подаёт и грязную воду. Он часто применяется при орошении (Египет) и осушении (БССР, Голландия). Малые ГЭС на основе архимедова винтаКоличество ежегодно сжигаемого в различных тепловых машинах химического топлива столь велико, что всё более возрастает проблема защиты природы от загрязнения её продуктами сгорания. Отрицательное влияние этих машин на окружающую среду связано с ростом потребления кислорода из атмосферы и концентрации углекислого газа, ведущей к парниковому эффекту, (к повышению температуры атмосферы Земли), загрязнением атмосферы азотными и серными соединениями, вредными для человека. При этом более половины загрязнений даёт транспорт, выбрасывая в атмосферу оксид углерода, соединения азота, свинец.Рисунок 3. Закон рычага – заключён в пропорции: Р • Вр = R • Br , Р и R – силы, Вр и Br – плечи сил.Рисунок 4. Сила Архимеда: F = ρgV, ρ – плотность жидкости, V –объём тела, g – ускорение свободного паденияНаука указывает на ускоряющее истощение запасов углеводородного сырья, ведущее к энергетич6еской катастрофе. Но сказанное выше настораживает: её может опередить катастрофа экологическая! Так как избежать ухудшения экологической ситуации, как рачительнее расходовать дары Природы?! Такова насущная проблема. Её решение учёные видят в выходе мировой энергетики на альтернативные, сначала гибридные, а затем и на чистые возобновляемые источники энергии. На прошедшей в начале июня 2016 года в Нью-Йоркском университете конференции «Архимед в XXI веке», где обсуждалось влияние идей ученого на математику и технику, в частности, была предложена конструкция электрогенератора на основе Архимедова винта (рис. 5). Многие столетия люди использовали его для подъёма воды в оросительные каналы из расположенных ниже водоемов, (с этой целью он до сих пор используется в Египте).Рисунок 5. Конструкция электрогенератора на основе Архимедова винтаВ результате этот винт оказался удачным приобретением для мини- гидроэлектростанций. Мощность таких источников энергии скромная (до 20 кВт), но достаточная для нужд небольших горных деревень. Плюсом малых ГЭС является не только их минимальное воздействие на окружающую среду: отсутствие плотин и затоплений выше над ними, но и тем, что рыбы могут без вреда проплывать через архимедов винт, тогда как лопатки плотин служат для них серьезным препятствием. Подобные генераторы уже действуют в Европе, например, в Англии, где созданы микро-ГЭС Torrs Hydro и Settle Hydro, а еще один генератор, построенный по заказу Елизаветы II, снабжает электроэнергией королевский Виндзорский замок.Механизм состоит из наклоненной под углом α к горизонту полой трубы с винтом внутри. Винт можно принять за наклонную плоскость, навёрнутую на цилиндр с углом подъёма β, который вращается обычно с помощью ветряного или водяного колёс, либо вручную. Поворачиваясь, винт нижним концом трубы собирает некоторый объём воды, который скользит вверх по спиральной трубе во время вращения вала, пока наконец вода не станет выливаться из верхнего конца трубы в оросительную систему. В самом простом случае винт устанавливается в водный поток и вращается течением воды. Труба с винтом обычно имела 4÷6 метров длиной и позволяла поднимать воду на 4÷4.5 метра, откуда α ≈ 40÷ 450 (рис. 5). При этом α > β.Общими недостатками существующих мини-ГЭС являются конструктивная сложность, внутренние энергетические потери (напора), влияющие на величину КПД, дороговизна изготовления и необходимость индивидуального проектирования.Подобные недостатки можно показать на примере мини-ГЭС [7], которая содержит цистерну 1, (рис. 6, указаны лишь некоторые конструктивные элементы) в которой размещены: внутренняя полость 2 в виде усечённого конуса, вертикальный вал 3 со ступенчато установленными на нём дисками 4 с лопастями 5, соединённый с приводом электрогенератора 6, на дне полости установлено с возможностью вращения колесо 7, представляющее собой корпус с отводящими трубами 11, смонтированными в форме свастики, и соединённый с валом 3 муфтой 14. В колесе 7 установлены регуляторы расхода воды 12 с возможностью изменения диаметра выходного отверстия, водоподводящий трубопровод 8.Рисунок 6: а – конструкция ГЭС, б − колесо с отводящими трубамиПо мнению авторов, недостатками этой станции являются сложность конструкции, насыщенность конструктивными элементами (наличие дисков с лопастями, колеса с отводными трубами в форме свастики) и, как следствие, определённые трудности её изготовления и сборки. К этому следует добавить энергетические потери на трение и вихреобразование (на входе во внутреннюю полость цистерны, в системе дисков с лопастями, на сужающейся по потоку конической поверхности внутренней полости, в коленах свастики выводящих труб). На поддержание вихрей в названных выше зонах теряется энергия потока: при его деформации происходит перемешивание частиц и обмен количеством движения между ними, что вызывает нагрев воды. Недостатки малых ГЭС, подобных рассмотренной выше, можно устранить, используя в качестве гидротурбины винт Архимеда (шнек) (рис.7).Рисунок 7. От шадуфа к винту АрхимедаДело в том, что пару десятилетий назад инженеры обнаружили, что этот винт можно использовать и при его обратном (реверсивном) вращении.Конструкция мини-ГЭС, использующей архимедов винт (предложена авторами), представлена на рис. 8.Рисунок 8. Мини-ГЭС содержит цистерну, состоящую из обечайки 9 с окнами (вырезами) 2, днище 3 и крышку 4; водоподводящие каналы 5, архимедов винт 6, трубу 7, внутреннюю полость 8, муфту 9, электрогенератор 10, кинематическую пару 11, отводящие каналы 12 и монтажные узлы 13.На рис. 9 изображена конструктивная схема мини-электростанции; на рис. 9.1 представлена схема дна внутренней полости с отводящими каналами (вид А); на рис. 9.2 показана схема кинематической пары; на рис. 9.3 дан вид окна цистерны; на рис.9.4 представлена зарешёченная крышка 4 цистерны. Станцию (цистерну) с помощью монтажных узлов 13 устанавливают на берегу горной реки, откуда вода подаётся через водоподводящие каналы 5 во внутреннюю полость 8 и падает на архимедов винт 6, приводя его вместе с трубой 7, муфтой 9 и приводным валом электрогенератора 10 во вращение относительно обечайки 1 цистерны под действием вращающего момента реактивных сил, формируемых по всей длине винта 6 взаимодействием водного потока с его рабочей поверхностью. Из внутренней полости 8 вода по её дну поступает в отводящие каналы 12 с регуляторами скорости истечения и, выходя из них, создаёт реактивный момент, дополняющий момент архимедова винта 6, для чего винт и отводящие каналы 12 соединены синхронно. Покидая внутреннюю полость 8, вода через окна 2 обечайки 1 цистерны выходит наружу. В кинематической паре 11 могут использоваться шаровая опора или конический подшипник, на которые опирается хвостовик архимедова винта 6, выходящего сквозь дно внутренней полости 8. Все приведенные выше энергетические потери отсутствуют в предлагаемой мини- ГЭС: за счёт использования архимедова винта, неподвижно соединённого с цилиндрической трубой, отсутствия искусственного завихрения потока на входе в полость и трения между водой и внутренней поверхностью полости, дисков с лопастями, колеса с отводящими водный поток трубами, в виде свастики, что привело к упрощению конструкции, изготовления и монтажа мини-ГЭС, и повышению КПД.Применение в электротехнике архимедова винта в настоящее время Многие столетия люди использовали Архимедов винт для орошения, чтобы поднимать воду в каналы из водоемов, расположенных ниже. Пару десятилетий назад инженеры обнаружили, что винт можно использовать и при обратном вращении.Если для подъема воды винт должна вращать внешняя сила, то в данном случае он устанавливается в водный поток и вращается течением воды. В результате Архимедов винт, оказался удачной конструкцией для мини-гидроэлектростанций на ручьях и небольших речках. Мощность таких источников энергии скромная, но достаточная для нужды небольшой деревни. Плюсом является минимальное воздействие на окружающую среду: не создается плотины и затопления выше нее, а рыбы могут без вреда проплывать через Архимедов винт, тогда как лопатки плотины служат им серьезным препятствием.Такие генераторы уже действуют в Европе, например, в Великобритании, где созданы микро-гидроэлектростанции Torrs Hydro и Settle Hydro, а еще один генератор, построенный по заказу Елизаветы II, снабжает электроэнергией Виндзорский замок.ЗаключениеИздавна архимедов винт применялся для подъёма воды в оросительные каналы. Кроме того, это устройство также использовалось для «кражи» земли у моря в Голландии и других местах при создании польдеров. Часть моря перекрывалась дамбой, и вода удалялась из огороженного участка, начиная процесс осушения земли для использования в земледелии. В зависимости от длины и диаметра винтов, более чем одна машина могли использоваться, чтобы успешно поднять ту же самую воду.Архимедовы винты использовались в установках по обработке сточных вод, потому что они успешно справляются с разными мощностями потока и с суспензиями.Тот же принцип можно увидеть в пескалаторах, которые являются архимедовыми винтами, предназначенными для безопасного подъёма рыбы из прудов и перевозки её в другое место. Эта технология в основном применяется на рыбоводных заводах (рыбопитомниках), где она предпочтительна для уменьшения грубого обращения с рыбой.

Список литературы

Филановский Г., «От архимедова винта…», научно-популярный журнал «Техника – молодёжи», август 1968, стр. 41Головей М. , "Водяная улитка" Архимеда, Научно-популярный физико-математический журнал "Квант«, №1, 1976, стр. 41 – 43Архимедов винт // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890. — Т. II. — С. 264.Кордемский Б.А. Великие жизни в математике. - М.: Просвещение, 1995Архимедов винт // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890. — Т. II. — С. 264.Сергей Викторович Житомирский. Архимед: Пособие для учащихся. - М.: Просвещение, 1981.Гибилиско С. А. Альтернативная энергетика без тайн / Стэн Гибилиско; [пер. с англ. А.В.Соловьёва]. М.: Эксмо, 210. – 368 с.Заявка на изобретение №2016148199 от 07.12.16 г. Мини-электростанция/Соколова М.В., Власов И.В., Мельников Г.А., Соколов В.С., Тиняков О.А.Патент РФ на изобретение № 2439364. Мини-электростанция. Каскулов М.Х. (RU), Каскулов А.М. (RU). 3/00, 13/00. Опубл. 10.01.2012.