Гидроэнергетикаға арналған су доңғалақтарының дизайны
Гидроэнергия белгішесі Гидроэнергия - бұл қозғалатын судың кинетикалық энергиясын механикалық немесе электрлік энергияға айналдыратын технология, ал қозғалатын судың энергиясын пайдалануға жарамды жұмысқа айналдыру үшін қолданылған алғашқы құрылғылардың бірі су доңғалағының дизайны болды.
Су доңғалағының дизайны уақыт өте келе дамыды, кейбір су доңғалақтары тігінен, кейбіреулері көлденеңінен, ал кейбіреулері күрделі шкивтер мен тісті доңғалақтармен бекітілген, бірақ олардың барлығы бірдей функцияны орындауға арналған және бұл да «қозғалыстағы судың сызықтық қозғалысын айналмалы білік арқылы оған қосылған кез келген техниканы басқару үшін пайдаланылуы мүмкін айналмалы қозғалысқа айналдыру».
Су доңғалағының типтік дизайны
Ертедегі су доңғалақтарының дизайны өте қарапайым және қарапайым машиналар болды, олардың айналасына бірдей бекітілген ағаш жүздері немесе шелектері бар тік ағаш дөңгелектен тұратын, барлығы көлденең білікке тірелген, астынан ағып жатқан судың күші дөңгелекті жүздерге жанама бағытта итереді.
Бұл тік су доңғалақтары ежелгі гректер мен мысырлықтардың бұрынғы көлденең су доңғалақ дизайнынан әлдеқайда жоғары болды, себебі олар қозғалатын судың импульсін күшке айналдыра отырып, тиімдірек жұмыс істей алды. Содан кейін су доңғалағына шкивтер мен берілістер бекітілді, бұл диірмен тастарын өңдеу, ағаш кесу, кенді ұсақтау, штамптау және кесу т.б. үшін айналмалы біліктің бағытын көлденеңнен тікке өзгертуге мүмкіндік берді.
Су доңғалақтарының дизайнының түрлері
Су диірмендері немесе жай ғана су дөңгелектері деп аталатын су доңғалақтарының көпшілігі көлденең ось айналасында айналатын тігінен орнатылған дөңгелектер болып табылады, және бұл су доңғалақтарының түрлері судың доңғалақтың осіне қатысты доңғалаққа берілуіне қарай жіктеледі. Сіз күткендей, су доңғалақтары - үйкеліс салдарынан шығындарға және шелектердің толық толтырылмауына байланысты төмен бұрыштық жылдамдықпен айналатын және тиімділігі төмен салыстырмалы түрде үлкен машиналар.
Судың доңғалақ шелектеріне немесе қалақшаларына итеру әрекеті осьте айналу моментін тудырады, бірақ суды дөңгелектің әртүрлі позицияларынан осы қалақшалар мен шелектерге бағыттау арқылы айналу жылдамдығы мен тиімділігін арттыруға болады. Су доңғалағы дизайнының ең көп таралған екі түрі - «асты су доңғалағы» және «овершот су доңғалағы».
Undershot су дөңгелегінің дизайны
Undershot су дөңгелегінің дизайны, сондай-ақ «ағын дөңгелегі» деп те аталады, ежелгі гректер мен римдіктер жасаған ең көп қолданылатын су дөңгелегінің түрі болды, себебі ол құрастыруға ең қарапайым, арзан және оңай дөңгелек түрі болып табылады.
Су доңғалағының бұл түрінде доңғалақ жылдам ағып жатқан өзенге тікелей орналастырылады және жоғарыдан тіреледі. Төмендегі судың қозғалысы доңғалақтың төменгі бөлігіндегі батырылған қалақтарға қарсы итеру әрекетін тудырады, бұл оның су ағынының бағытына қатысты тек бір бағытта айналуына мүмкіндік береді.
Су доңғалағының бұл түрі әдетте жердің табиғи көлбеуі жоқ немесе су ағыны жеткілікті жылдам қозғалатын жазық жерлерде қолданылады. Басқа су доңғалағының конструкцияларымен салыстырғанда, бұл конструкция түрі өте тиімсіз, судың потенциалдық энергиясының тек 20%-ы ғана дөңгелекті айналдыруға жұмсалады. Сондай-ақ, су энергиясы дөңгелекті айналдыру үшін тек бір рет пайдаланылады, содан кейін ол судың қалған бөлігімен бірге ағып кетеді.
Су астындағы дөңгелектің тағы бір кемшілігі - ол жылдамдықпен қозғалатын көп мөлшерде суды қажет етеді. Сондықтан, су астындағы дөңгелектерді әдетте өзендердің жағасында орналастырады, себебі кішігірім ағындар немесе бұлақтар қозғалатын суда жеткілікті потенциалдық энергияға ие емес.
Су асты доңғалағының тиімділігін сәл арттырудың бір жолы - өзендегі судың белгілі бір пайызын тар арна немесе құбыр бойымен бұру, осылайша бұрылған судың 100%-ы доңғалақты айналдыруға пайдаланылады. Бұған қол жеткізу үшін су асты доңғалағы тар болуы және судың бүйірлерден ағып кетуіне жол бермеу немесе ескектердің санын немесе өлшемін арттыру арқылы арнаға өте дәл сәйкес келуі керек.
Overshot су дөңгелегінің дизайны
Overshot су дөңгелегінің дизайны - су дөңгелегінің ең көп таралған түрі. Overshot су дөңгелегінің құрылысы мен дизайны алдыңғы астыңғы су дөңгелегіне қарағанда күрделірек, себебі ол суды ұстап тұру үшін шелектерді немесе шағын бөліктерді пайдаланады.
Бұл шелектерге дөңгелектің жоғарғы жағынан ағып жатқан су толады. Толы шелектегі судың гравитациялық салмағы дөңгелектің орталық осі бойынша айналуына себеп болады, себебі дөңгелектің екінші жағындағы бос шелектердің салмағы жеңілдейді.
Су дөңгелегінің бұл түрі судың өзін ғана емес, сонымен қатар өнімділікті де жақсарту үшін гравитацияны пайдаланады, сондықтан су дөңгелегінің жоғарғы бөлігі төменгі бөліктегі конструкцияларға қарағанда әлдеқайда тиімді, себебі судың барлық дерлік бөлігі және оның салмағы шығыс қуатын өндіруге жұмсалады. Дегенмен, бұрынғыдай, су энергиясы дөңгелекті айналдыру үшін тек бір рет пайдаланылады, содан кейін ол судың қалған бөлігімен бірге ағып кетеді.
Су доңғалақтары өзеннің немесе бұлақтың үстінде ілініп тұрады және әдетте төбелердің беткейлеріне салынып, жоғарыдан сумен қамтамасыз етеді, төмен қысыммен (жоғарғы жағындағы су мен төмендегі өзен немесе бұлақ арасындағы тік қашықтық) 5-тен 20 метрге дейін. Кішкентай бөгет немесе бөгет салынып, судың жылдамдығын доңғалақтың жоғарғы жағына дейін арттыру және арттыру үшін пайдаланылуы мүмкін, бұл оған көбірек энергия береді, бірақ доңғалақтың айналуына оның жылдамдығы емес, су көлемі көмектеседі.
Әдетте, су доңғалақтары дөңгелекті айналдыру үшін судың гравитациялық салмағына ең үлкен бас қашықтығын беру үшін мүмкіндігінше үлкен етіп жасалады. Дегенмен, үлкен диаметрлі су доңғалақтарын дөңгелек пен судың салмағына байланысты құрастыру күрделірек және қымбатырақ.
Жеке шелектерге су толғанда, судың гравитациялық салмағы дөңгелектің су ағыны бағытында айналуына себеп болады. Айналу бұрышы дөңгелектің түбіне жақындаған сайын, шелектің ішіндегі су төмендегі өзенге немесе ағынға құйылады, бірақ оның артында айналатын шелектердің салмағы дөңгелектің айналу жылдамдығын жалғастыруына себеп болады. Бос шелек айналатын дөңгелектің айналасында қайтадан жоғары көтеріліп, көбірек сумен толтырылғанша және цикл қайталанғанша жалғасады. Овершот су доңғалағы дизайнының кемшіліктерінің бірі - су дөңгелектің үстінен ағып жатқанда тек бір рет пайдаланылады.
Питчбэк су дөңгелегінің дизайны
Pitchback су дөңгелегінің дизайны алдыңғы овершот су дөңгелегінің нұсқасы болып табылады, себебі ол дөңгелекті айналдыруға көмектесу үшін судың гравитациялық салмағын пайдаланады, бірақ сонымен қатар қосымша итеру үшін оның астындағы ағынды су ағынын да пайдаланады. Су дөңгелегінің бұл түрі дөңгелектің жоғарғы жағына жақын жердегі суды жоғарыдағы пентроптан беретін төмен қысымды кіріс жүйесін пайдаланады.
Суды дөңгелектің үстінен тікелей бағыттап, оны су ағыны бағытында айналдыратын су дөңгелегінен айырмашылығы, кері су дөңгелегі суды воронка арқылы тігінен төмен қарай және төмендегі шелекке береді, бұл дөңгелектің жоғарыдағы су ағынына қарама-қарсы бағытта айналуына әкеледі.
Алдыңғы овершот су дөңгелегі сияқты, шелектегі судың гравитациялық салмағы дөңгелекті сағат тіліне қарсы бағытта айналдырады. Айналу бұрышы дөңгелектің түбіне жақындаған сайын, шелектердің ішінде қалып қойған су төменде ағып кетеді. Бос шелек дөңгелекке бекітілгенде, ол қайтадан сумен толтыруға дайын болғанша және цикл қайталанғанша дөңгелекпен бұрынғыдай айнала береді.
Бұл жолы айырмашылығы, айналмалы шелектен ағызылған ағынды су айналмалы дөңгелектің бағытымен ағып кетеді (өйткені оның басқа баратын жері жоқ), бұл төменгі су дөңгелегінің принципіне ұқсас. Осылайша, питчбек су дөңгелегінің басты артықшылығы - ол дөңгелекті орталық осі айналасында айналдыру үшін судың энергиясын екі рет, бір рет жоғарыдан, бір рет төменнен пайдаланады.
Нәтижесінде, су доңғалағының дизайнының тиімділігі су энергиясының 80%-дан астамына дейін айтарлықтай артады, себебі ол кіретін судың гравитациялық салмағымен де, жоғарыдан шелектерге бағытталған судың күшімен немесе қысымымен де, сондай-ақ төмендегі ағынды судың шелектермен итеруі арқылы да жүзеге асырылады. Дегенмен, кері су доңғалағының кемшілігі - оған дөңгелектің үстінде науалар мен тесіктері бар сәл күрделірек сумен жабдықтау жүйесі қажет.
«Брестшотты» су доңғалағының дизайны
«Брестшот су дөңгелегінің дизайны» - тігінен орнатылған тағы бір су дөңгелегінің дизайны, онда су шелектерге ось биіктігінің жартысында немесе одан сәл жоғары қарай кіреді, содан кейін төменгі жағында дөңгелектердің айналу бағытында ағады. Әдетте, брестшот су дөңгелегі судың деңгейі овершот немесе питчбек су дөңгелегінің дизайнын жоғарыдан қуаттандыру үшін жеткіліксіз болған жағдайларда қолданылады.
Мұндағы кемшілік - судың гравитациялық салмағы бұрын айналымның жартысына пайдаланылған кезден айырмашылығы, айналымның тек төрттен бір бөлігіне ғана пайдаланылады. Бастың төменгі биіктігін жеңу үшін су доңғалақтарының шелектері судан қажетті потенциалдық энергия мөлшерін алу үшін кеңірек жасалған.
Кеуделік су доңғалақтары дөңгелекті айналдыру үшін судың гравитациялық салмағын шамамен бірдей пайдаланады, бірақ судың биіктігі әдеттегі овершот су доңғалағының жартысына жуық болғандықтан, шелектерде ұсталатын су көлемін арттыру үшін шелектердің алдыңғы су доңғалақтарының конструкцияларына қарағанда әлдеқайда кең. Бұл конструкция түрінің кемшілігі - әрбір шелек тасымалдайтын судың ені мен салмағының артуы. Питчбек дизайны сияқты, кеуделік дөңгелек судың энергиясын екі есе пайдаланады, себебі су доңғалағы суда отыруға арналған, бұл ағынды судың ағынмен төмен қарай ағып жатқанда дөңгелектің айналуына көмектесуге мүмкіндік береді.
Су дөңгелегімен электр энергиясын өндіру
Тарихи тұрғыдан су дөңгелектері ұн, жарма және басқа да осындай механикалық жұмыстарды ұнтақтау үшін қолданылған. Бірақ су дөңгелектерін электр энергиясын өндіру үшін де пайдалануға болады, ол гидроэнергетикалық жүйе деп аталады. Электр генераторын су дөңгелектерінің айналмалы білігіне тікелей немесе жанама түрде жетек белдіктері мен шкивтерді пайдаланып қосу арқылы су дөңгелектерін күн энергиясынан айырмашылығы тәулік бойы үздіксіз қуат өндіру үшін пайдалануға болады. Егер су дөңгелек дұрыс жасалған болса, шағын немесе «микро» гидроэлектрлік жүйе орташа үйдегі жарықтандыруды және/немесе электр құрылғыларын қуаттандыруға жеткілікті электр энергиясын өндіре алады.
Салыстырмалы түрде төмен жылдамдықта оңтайлы қуат өндіруге арналған су доңғалақты генераторларды іздеңіз. Шағын жобалар үшін шағын тұрақты ток қозғалтқышын төмен жылдамдықты генератор немесе автомобиль генераторы ретінде пайдалануға болады, бірақ олар әлдеқайда жоғары жылдамдықта жұмыс істеуге арналған, сондықтан қандай да бір беріліс түрі қажет болуы мүмкін. Жел турбинасы генераторы төмен жылдамдықта, жоғары қуатты жұмыс істеуге арналғандықтан, тамаша су доңғалақты генератор болып табылады.
Егер үйіңіздің немесе бақшаңыздың жанында пайдалануға болатын жылдам ағып жатқан өзен немесе бұлақ болса, онда шағын көлемді гидроэнергетика жүйесі «Жел энергиясы» немесе «Күн энергиясы» сияқты жаңартылатын энергия көздерінің басқа түрлеріне жақсы балама болуы мүмкін, себебі оның визуалды әсері әлдеқайда аз. Сондай-ақ, жел мен күн энергиясы сияқты, жергілікті коммуналдық желіге қосылған шағын көлемді су доңғалағымен жасалған генераторлық жүйемен сіз өндіретін, бірақ пайдаланбайтын кез келген электр энергиясын электр компаниясына қайта сатуға болады.
Гидроэнергетика туралы келесі оқулықта біз гидроэнергетика өндірісіне арналған су доңғалақтарының дизайнына қоса алатын турбиналардың әртүрлі түрлерін қарастырамыз. Су доңғалақтарының дизайны және судың күшін пайдаланып өз электр энергиясын қалай өндіру туралы қосымша ақпарат алу немесе әртүрлі су доңғалақтарының дизайны туралы гидроэнергетика туралы көбірек ақпарат алу немесе гидроэнергетиканың артықшылықтары мен кемшіліктерін зерттеу үшін бүгін Amazon-нан электр энергиясын өндіру үшін пайдаланылуы мүмкін су доңғалақтарының принциптері мен құрылысы туралы көшірмеңізді тапсырыс беру үшін осы жерді басыңыз.
Жарияланған уақыты: 2021 жылғы 25 маусым
