Винт Архимеда

Анимация, показывающая, как работает винт Архимеда: красные шарики представляют воду.

Анимация, показывающая, как винты Архимеда могут генерировать энергию, если они приводятся в движение текущей жидкостью.

, Винт Архимеда также известный как винт Архимеда , гидродинамический винт , водяной винт или египетский винт . — одна из самых ранних гидравлических машин, названная в честь греческого математика Архимеда , который впервые описал ее около 234 г. до н.э., хотя это устройство использовалось еще в Древнем Египте . Это реверсивная гидравлическая машина, и существует несколько примеров винтовых установок Архимеда, в которых винт может работать в разное время как насос или генератор, в зависимости от потребностей в электроэнергии и расхода водотока.

В качестве машины, применяемой для подъема воды из низменного водоема в арыки , подъем воды осуществляется путем поворота винтовой поверхности внутри трубы. В современном мире винтовые насосы «Архимед» широко используются на очистных сооружениях и для осушения низменных регионов. , работающие в обратном направлении, Винтовые турбины Архимеда действуют как новая форма малых гидроэлектростанций, которую можно применять даже на участках с низким напором . Такие генераторы работают в широком диапазоне расходов (0,01 $m^{3}/s$ до 14,5 $m^{3}/s$) и напоры (от 0,1 м до 10 м), включая низкие напоры и умеренные скорости потока, что не идеально подходит для традиционных турбин и не используется высокопроизводительными технологиями.

История

Водяной насос в Египте 1950-х годов, в котором используется винтовой механизм Архимеда.

Самые ранние записи

Винтовой насос является старейшим насосом прямого вытеснения . Первые упоминания о водяном винте или винтовом насосе относятся к эллинистическому Египту до III века до нашей эры. Египетский винт, использовавшийся для подъема воды из Нила , состоял из трубок, намотанных на цилиндр; когда весь блок вращается, вода поднимается по спиральной трубе на большую высоту. Более поздняя конструкция винтового насоса из Египта имела спиральную канавку, вырезанную на внешней стороне цельного деревянного цилиндра, а затем цилиндр закрывался досками или листами металла, плотно закрывающими поверхности между канавками.

Некоторые исследователи предположили, что это устройство использовалось для орошения Висячих садов Вавилона , одного из семи чудес древнего мира . Клинописная надпись ассирийского царя Сеннахирима (704–681 до н.э.) была интерпретирована Стефани Далли. описать отливку водяных винтов из бронзы примерно 350 лет назад. Это согласуется с мнением греческого историка Страбона , который описывает Висячие сады как орошаемые винтами.

Роль Архимеда

Позднее винтовой насос был завезен из Египта в Грецию. Его описал Архимед . по случаю своего визита в Египет , около 234 г. до н. э. Эта традиция может отражать лишь то, что этот аппарат был неизвестен грекам до эллинистических времен. Афиней Навкратийский цитирует некоего Мошиона в описании того, как Гиерон II Сиракузский заказал проект « Сиракузии» , роскошного корабля, который должен был стать демонстрацией военно-морской мощи . Говорят, что это был самый большой корабль, построенный в классической античности , и его спустил на воду Архимед, который разработал устройство с вращающейся винтовой лопастью внутри цилиндра для удаления любой потенциальной утечки воды через корпус. Винт Архимеда вращался вручную, а также мог использоваться для перекачки воды из низменного водоема в оросительные каналы.

Архимед никогда не претендовал на авторство этого изобретения, но 200 лет спустя оно было приписано ему Диодором , который считал, что Архимед изобрел винтовой насос в Египте. Изображения греческих и римских водяных винтов показывают, что они приводятся в действие за счет прикосновения человека к внешнему корпусу, чтобы превратить весь аппарат как единое целое, для чего потребуется, чтобы корпус был жестко прикреплен к винту.

Развитие и современное использование

Немецкий инженер Конрад Кезер оснастил винт Архимеда кривошипно-шатунным механизмом в своем «Беллифортисе» (1405 г.). Этот механизм быстро заменил древнюю практику работы с трубкой наступанием. Первым в мире морским пароходом с винтовым гребным винтом был SS Archimedes , спущенный на воду в 1839 году и названный в честь Архимеда и его работы над винтом. Развитие морского транспорта произошло в течение следующих 180 лет благодаря конструкции двойных лопастей Fawcett, Preston and Company и патентам Sharrow Marine, касающимся вращательной тяги и управления потоком на лодочных судах с помощью петлевых гребных винтов. Производство электроэнергии с помощью гидроэнергетических насосов, таких как проект Мериден, реализуемый компанией New England Hydropower, также использует винт Архимеда для направления воды в верхнюю, а не нижнюю часть винта, что заставляет его вращаться.

Современный винт Архимеда, который заменил некоторые ветряные мельницы, используемые для осушения польдеров в Киндердейке в Нидерландах.

Винт Архимеда как форма искусства Тони Крэгга в Хертогенбосе , Нидерланды .

Винты Архимеда используются на очистных сооружениях, поскольку они хорошо справляются с различной скоростью потока и взвешенными твердыми частицами. Винтовые турбины (ВСТ) — это новая форма генератора для малых гидроэлектростанций, которую можно применять даже на объектах с низким напором. Низкая скорость вращения АСТ снижает негативное воздействие на водную флору и фауну и рыбу. Эта технология используется в основном на рыбоводных заводах для безопасного извлечения рыбы из прудов и транспортировки ее в другое место. Винт Архимеда использовался при успешной стабилизации Пизанской башни в 2001 году . Небольшое количество грунта, насыщенного грунтовыми водами, было удалено далеко под северной стороной башни, а вес самой башни исправил наклон.

Другие изобретения с использованием винтов Архимеда включают шнековый конвейер в снегоочистителе , элеваторе , бетоносмесителе и шоколадном фонтане .

Дизайн

Винт Архимеда состоит из винта ( винтовой поверхности, окружающей центральный цилиндрический вал) внутри полой трубы. Винт обычно вращается с помощью ветряной мельницы, ручного труда, скота или современных средств, таких как двигатель. Когда вал вращается, нижний конец зачерпывает объем воды. Затем эта вода выталкивается вверх по трубке вращающимся геликоидом до тех пор, пока она не выльется из верхней части трубки.

Контактная поверхность между шнеком и трубой не обязательно должна быть абсолютно водонепроницаемой, если количество воды, зачерпываемой при каждом повороте, велико по сравнению с количеством воды, вытекающей из каждой секции шнека за один оборот. Если вода из одной секции попадет в следующую, более низкую, она будет перенесена вверх следующим сегментом шнека.

В некоторых конструкциях винт приварен к корпусу, и они оба вращаются вместе, вместо того, чтобы винт вращался внутри неподвижного корпуса. Винт можно было прикрепить к корпусу смолой или другим клеем, либо винт и корпус можно было отлить как единое целое из бронзы.

Конструкция повседневного греческого и римского водяного винта, в отличие от тяжелого бронзового устройства Сеннахирима с его проблематичными приводными цепями, отличается мощной простотой. Двойная или тройная спираль строилась из деревянных полос (или иногда бронзовых листов) вокруг тяжелого деревянного шеста. Вокруг спиралей был построен цилиндр из длинных узких досок, прикрепленных к их периферии и гидроизолированных смолой.

Исследования показывают, что объем потока, проходящего через винты Архимеда, зависит от глубины входного отверстия, диаметра и скорости вращения винта. Следовательно, для расчета винтов Архимеда можно использовать следующее аналитическое уравнение:

$D_{O}={\sqrt[{3}]{\frac {16\pi Q}{\sigma \omega (2\theta _{O}-sin2\theta _{O}-\delta ^{2}(2\theta _{i}-sin(2\theta _{i}))}}}$

где $D_{O}$ находится в $(m)$ и:

$\omega$: Скорость вращения винта Архимеда (рад/с)

$Q$: Объемный расход $(m^{3}/s)$

Основываясь на общих стандартах, которые используют конструкторы винтов Архимеда, это аналитическое уравнение можно упростить как:

$D_{O}\approx \eta Q^{3/7}$

Значение η можно просто определить, используя $\eta$ график или $\Theta$ график. По определению $D_{O}$Остальные конструктивные параметры винтов Архимеда можно рассчитать пошаговым аналитическим методом.

Варианты

Основная статья: Винтовой конвейер

Винт Архимеда на комбайне

Винтовой конвейер представляет собой аналогичное устройство, которое транспортирует сыпучие материалы, такие как порошки и зерновые культуры . Он заключен в трубку и вращается двигателем для подачи материала с одного конца конвейера на другой и особенно подходит для транспортировки гранулированных материалов, таких как пластиковые гранулы, используемые при литье под давлением. Его также можно использовать для транспортировки жидкостей. В приложениях промышленного управления конвейер можно использовать в качестве роторного питателя или питателя с регулируемой скоростью для подачи измеренной скорости или количества материала в процесс.

Вариант винта Архимеда также можно найти в некоторых машинах для литья под давлением , машинах для литья под давлением и экструзии пластмасс, в которых используется винт с уменьшающимся шагом для сжатия и плавления материала. Он также используется в ротационно-винтовом воздушном компрессоре . используются винты Архимеда уменьшающегося шага В гораздо большем масштабе для уплотнения отходов .

Обратное действие

Основная статья: Винтовая турбина

Если вода подается в верхнюю часть винта Архимеда, она заставит винт вращаться. Вращающийся вал затем можно использовать для привода электрического генератора. Такая установка имеет те же преимущества, что и использование шнекового насоса: возможность перекачивать очень грязную воду и широко варьирующуюся скорость потока при высокой эффективности. Settle Hydro и Torrs Hydro — две микрогидроэлектростанции с обратным винтом , действующие в Англии. Винт хорошо работает в качестве генератора при низких напорах , что обычно встречается в английских реках, включая Темзу , питающую Виндзорский замок .

См. также

• Архимедова спираль
• Винтовая машина
• Винт (простая машина)
• Спиральный насос
• Тороидальный винт
• Витрувий

Источники

• П. Дж. Кантерт: «Руководство для архимедова винтового насоса», Hirthammer Verlag 2008, ISBN   978-3-88721-896-6 .
• П. Я. Кантерт: «Практический ручной винтовой насос», Hirthammer Verlag 2008, ISBN   978-3-88721-202-5 .
• П. Я. Кантерт: «Практичный ручной винтовой насос» - 2-е издание 2020 г., DWA, ISBN   978-3-88721-888-1 .
• Олесон, Джон Питер (1984), греческие и римские механические водоподъемные устройства. История технологии , Дордрехт: Д. Рейдель, ISBN  90-277-1693-5
• Олесон, Джон Питер (2000), «Подъем воды», в Викандере, Орджане (ред.), Справочник по древним водным технологиям , технологиям и изменениям в истории, том. 2, Лейден, стр. 217–302 (242–251), ISBN.  90-04-11123-9 {{citation}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
• Нюрнбергк Д. и Роррес К.: «Аналитическая модель притока воды с помощью винта Архимеда, используемого в гидроэнергетике», Журнал ASCE по гидротехнике, опубликовано: 23 июля 2012 г.
• Нюрнбергк Д.М.: «Гидроэлектрические винты - расчет и оптимальное проектирование архимедовых винтов как гидроэлектрических машин», Verlag Moritz Schäfer, Детмольд, 1-е издание. 2012, 272 статьи, ISBN   978-3-87696-136-1
• Роррес К.: «Поворот винта: оптимальная конструкция винта Архимеда», Журнал ASCE по гидротехнике, том 126, номер 1, январь 2000 г., стр. 72–80.
• Нагель, Г.; Радлик, К.: Винтовые конвейеры – проектирование, строительство и эксплуатация водоподъемных систем; Удо Пфример Бухверлаг в Bauverlag GmbH, Висбаден, Берлин (1988)
• Уайт, Линн младший (1962), Средневековые технологии и социальные изменения , Оксфорд: в Clarendon Press

Внешние ссылки

• «Поворот винта: оптимальная конструкция винта Архимеда» , Крис Роррес, доктор философии.
• «Архимедов винт» Шандора Кабая, Демонстрационный проект Вольфрама , 2007 г.
• «Примеры винтов Архимеда. Различные источники, 2021 г.