Чтение онлайн

Вначале оба клапана закрыты. Для запуска системы надо открыть выпускной клапан, опустив его вниз. Вода начинает через него течь с возрастающей постепенно скоростью. В некоторый момент времени перепад давления на клапане превысит его вес. Клапан быстро закроется, истечение жидкости прекратится и произойдет явление гидравлического удара, подробно исследованное Н. Е. Жуковским при изучении аварий на Мытищинском водопроводе. Механизм этого явления таков: при внезапном торможении достаточно длинного столба воды его кинетическая энергия преобразуется в потенциальную и давление в столбе воды резко повышается. Образовавшееся сжатие распространяется в направлении, противоположном первоначальному движению воды, со скоростью звука (свыше 1000 метров в секунду). Последствия смягчаются тем, что всякая труба не вполне жестка и может упруго растягиваться внутренним давлением. Тем не менее, в обычной водопроводной трубе вследствие гидравлического удара возможно повышение давления в 10–12 раз или в 150 раз больше атмосферного. Поэтому все водопроводные краны делают винтовыми, чтобы перекрывать струю воды постепенно.

Рис. 3.26. Гидравлический таран

Гидравлические тараны и сейчас применяются в сельской местности в системах орошения. Интересно отметим, что процесс, происходящий в этом устройстве, представляет полную аналогию (по крайней мере, в плане проведения расчетов) с процессами в генераторе с неоновой лампой.

Сердце – это насос, перекачивающий кровь. В спокойном состоянии оно перекачивает 5 литров крови в минуту, создавая в артерии давление свыше 100 миллиметров ртутного столба, что соответствует 1,5 метров водяного. Мощность сердца составляет приблизительно 2,5 ватта. Сердце в минуту сокращается от 60 до 100 раз. При нагрузках число сокращений увеличивается, а подача достигает 30 литров в минуту. В год оно сокращается около 40 миллионов раз, а за 75 лет жизни сердце перекачивает около 5 миллионов литров крови, делая 3 миллиарда сокращений. Ученые и инженеры уже много лет ведут работу по созданию искусственного сердца, но пока еще не создано насосов такой высокой эффективности и надежности.

Для перекачивания расплавленных металлов и других электропроводящих жидкостей в последние годы созданы различные разновидности магнитогидродинамических насосов. Энергообмен происходит при взаимодействии магнитного поля индуктора с полем электрического тока, индуктируемого в проходящей через насос жидкости. По принципу действия индукционный насос аналогичен асинхронному двигателю, в котором жидкий проводник является обмоткой ротора. Эти насосы применяют в ядерной технике и металлургии. При работе на трехфазном переменном токе они имеют коэффициент полезного действия от 20 до 50 процентов.

Другой разновидностью магнитогидродинамических насосов является кондукционный, который может работать как на постоянном, так и на переменном токе. Направление движения жидкости в канале в этом случае определяется правилом левой руки.

Для перемещения униполярно заряженных или поляризованных жидкостей и газов созданы электрогидродинамические насосы, осуществляющих преобразование энергии электрического поля в механическую энергию. Это – ионно-конвекционный насос.

Интересный насос был создан Л. А. Юткиным на основе открытого им электрогидравлического эффекта. Сущность этого эффекта состоит в том, что вокруг зоны специально сформированного импульсного электрического разряда внутри объема жидкости, находящейся в открытом или закрытом сосуде, возникают сверхвысокие гидравлические давления, которые могут совершать механическую работу по перемещению жидкости.

Первое описание водяного колеса принадлежит Витрувию (Vitruvius), архитектору и инженеру Древнего Мира, жившему во времена Юлия Цезаря (Julius Caesar) и императора Августа (Emperor Augustus). Однако многие ученые предполагают, что эту машину изобрели не римляне, а «варвары», жившие в Северной Италии (древняя Галлия Цизальпийская). В этой части полуострова имеется много полноводных рек в отличие от засушливого античного Средиземноморья. По версии французского историка Жака ле Гоффа (Hoff) водяная мельница с горизонтальным колесом и вертикальным валом была известна в Иллирии со II в. до н. э., а в Малой Азии с I в. до н. э.

Рис. 4.1. Виды водяных колес

На водяной мельнице, самая простая и привычная земная работа – размол зерна – осуществлялась как бы сама собой, без монотонного и тяжелого труда рабынь, растирающих зерно между камнями. До нашего времени дошли стихи одного из античных поэтов, македонянин Антипатр Фесалоникский, посвятил водяной мельнице дошедшую до наших времен оду, свидетельствующую о древности этого устройства:

Нужно сказать, что применение водяных мельниц в Элладе было довольно ограниченным – технические потребности того времени вполне обеспечивались энергетически мускульной силой рабов и домашних животных.

Первое упоминание о водяной мельнице в Центральной Европе относится к 340 году – тогда одна из них была запущена на Мозеле. В VI веке водяная мельница появляется во Франции – она заработала в Дижоне. В Англии водяная мельница появилась примерно в VIII веке.

Первое упоминание о гидросиловой установке в Москве относится к 1389 г.: Дмитрий Донской завещает своей жене село с мельницей на реке Яуза. Первое упоминание об использовании водяного колеса не для помола зерна, а для производства бумаги в нашей стране датируется 1564 г. Недавно в Москве на берегу реки Хапиловки, убранной в трубу, сооружен памятник легендарному мельнику Хапило, который изображен на фоне водяного колеса.

По всей вероятности толчком для создания помимо необходимости иметь устройство для помола зерна явилось наблюдение за действием потока воды на подвижные и неподвижные деревянные предметы: стволы деревьев, перегородки каналов, опоры мостов и т. д. Витрувий довольно подробно описывает устройство и изготовление водяного колеса для мукомольной мельницы. К валу из тщательно обтесанного или обточенного на токарном станке бревна прикрепляются радиально четыре или восемь досок, которые соединяются с двумя плоскими кольцевыми щеками. Между щек укрепляются радиально или с наклоном плоские лопасти или лопатки. Часто, при малых размерах, щеки отсутствуют. Концы вала обиваются железом. Вал устанавливается на станине в подшипниках, которые изнутри также обиваются железом. Вал может располагаться вертикально (тогда колесо вращается в горизонтальной плоскости) или горизонтально (тогда колесо вращается в вертикальной плоскости. В первом случае вода к колесу подводится по специальному каналу, во втором случае колесо находится непосредственно в реке. Вертикальный вал легко соединяется с мельничными жерновами, однако скорость вращения водяного колеса (до 8 оборотов в мин.) мала для большинства орудий. В случае же применения зубчатой передачи преимущество колес с горизонтальной осью становится бесспорным. Поэтому этот вид водяного колеса стал очень быстро основным. Иногда вместо боковых щек вал соединялся с цилиндрическим ободом, на наружной поверхности которого размещались лопатки.

Мощность горизонтально расположенного колеса с вертикальным валом не превышала 1 л.с., коэффициент полезного действия составлял от 5 % до 15 %.Наибольшее распространение получили подливные или нижнебойные колеса и наливные или верхнебойные. Первые были проще и требовали меньше затрат на изготовление. Подливные колеса могли работать в любых потоках при умеренной величине скорости воды. Наиболее эффективны они были в узких протоках и каналах. Мощность нижнебойного колеса обычно составляла 3–5 л.с., а кпд – 20–30 %. В верхнебойных колесах вода падала сверху на лопатки или на черпаки, приделанные к ободу колеса. Колесо приводилось в движение как за счет ударного действия струи воды, так и под действием силы тяжести. Для работы верхнебойных колес нужно поднимать уровень воды при помощи плотин, поэтому затраты на сооружение мельницы были больше, чем при использовании подливных колес. Разумеется, повышались и показатели эффективности. При высоте падения воды от 3 до 12 метров верхнебойные колеса имели коэффициент полезного действия 50–70 % при мощности до 40 л.с.

Иногда применялись среднебойные колеса, в которых вода подводилась сверху, но не к верхней точке колеса, а к средней. Такие машины требовали меньших строительных затрат. Самое мощное в мире водяное колесо (450 л.с.) было построено по этой схеме в России в г. Нарве. Диаметр колеса был 9,2 м., ширина – 7,6 м. При напоре около 5 м. частота вращения достигала 4 оборотов в минуту.

Первые водяные колеса делались целиком из дерева. В XIX в. появились металлические колеса, они были более быстроходными: до 20 оборотов в минуту у колес для прокатных станов.