3. Monson O.W. Armin J.Hill. Overshot and current water wheels // Bulletin 398. Montana State University. USA.
Киргизстан - гірська країна з великою кількістю річок і значним водним балансом. Широке поширення для вироблення електроенергії у віддалених районах отримують гідроелектростанції - малої потужності, в силу економічності отримання, доступності і більшого обсягу гідроенергетичного потенціалу малих річок. Переважна більшість енергоустройств для вироблення електрики використовують в якості гідродвигуна турбіну, і лише мала частина - водяні колеса.
Це пояснюється тим що, гідротурбіни, випускаються виробництвом, широко поширені і мають перевагу в швидкості обертання, надійності і технологічності виробництва, хоча вимагають великого напору і швидкості проходить через них води, що обмежує область їх застосування повноводними ріками і водосховищами, що зберігають, щодо, водний баланс круглий рік. А водяні колеса використовуються в основному в якості насоса для підняття води, в річках сільськогосподарського призначення з малим напором і швидкістю.
Причини малого поширення водяних коліс - низька частота обертання, великі габарити і складність відбору механічної енергії. У той же час простота їх конструкції, доступне обслуговування, зручність в експлуатації, низькі витрати на облаштування каналів для установки, висока ефективність при низьких напору і малих швидкостях, що широко поширене в сільських зонах (рівнинних частинах) Киргизстану робить його привабливим для використання в якості гидродвигателя [1, 2].
За своєю будовою на водні потоки водяні колеса діляться на вертикальні і горизонтальні; по використанню водної енергії - на напірні і безнапірні, по прийому водного потоку - верхнебойние, среднебойние і ніжнебойние. Конструкцію водяного колеса умовно можна розділити на три частини:
2) Опора (балки) для кріплення лопатей, закріплена на осі;
3) Лопати. Зазвичай їх ККД (всіх типів) становить в межах 0,3-0,8 [3].
Мал. 1. Рух лопаті в водному потоці
Так як безпосередньо передача енергії здійснюється через систему лопать - опора - вісь, то і ефективність водяного колеса залежить від їх конструкції. В даному випадку ми розглянемо процес передачі енергії (потенційної і кінетичної) водного потоку до лопаті - вхід лопаті в водний потік і сили, що діють на нього з боку потоку і протидіють йому. При розрахунку лопаті приймаються як подовжені чотирикутники з прямими сторонами.
Водний потік тисне на лопать перпендикулярно його площині, і кут між потоком води і лопатою становить 90 °, коли лопата повністю або максимально можливе занурена в водний потік [4]. У цей момент часу відбувається максимальний перехід енергії водного потоку на лопать, що ми збираємося показати математичним шляхом для одиничної лопаті, зануреної в водний потік. На рис. 1 водний потік ударяється об площа лопаті, занурену в воду, і обтікає її. У цей момент часу водний потік здійснює роботу, зрушуючи лопать на певну відстань. Це відстань визначає крутний момент центральній осі водяного колеса. Крім того, показаний кут атаки на лопать водним потоком. Із сукупності факторів (маса, швидкість і кут атаки) змінюється корисна робота або сила одиничної лопаті, що розглянемо нижче.
Почнемо з того, що вчиняється робота водного потоку по обертанню водяного колеса виходить зміною кінетичної енергії:
де m - маса води, що діє на лопать за час, кг; - початкова швидкість потоку води, м / с; - кінцева швидкість потоку води, м / с; F - сила, яка веде в рух водяне колесо з лінійною швидкістю u, H.
Зміна швидкості потоку води дорівнює лінійної швидкості водяного колеса u. тоді
де ρ - щільність води, кг / м3; l - глибина занурення лопаті, м; s - його поперечний переріз, м2; u - швидкість вхідного водного потоку; # 8710; t - час швидкості водяного колеса, с; - кут атаки лопаті до напрямку потоку води.
Підставивши (2) в формулу (3), отримаємо:
скоротимо час # 8710; t і лінійну швидкість u в обох сторонах рівності (4), тоді вираз набуде вигляду:
Цей вираз характеризує корисну силу одиничної лопаті водяного колеса, передану через вал на генератор.
Тепер розглянемо цю силу з точки зору швидкості водяного колеса. З рівняння (5) сила буде дорівнює:
де, використовуючи (3) отримаємо:
.
Скорочуючи однакові значення, отримуємо:
.
Прирівнюючи його до відстані l, пройденому лопатою за час t:
.
;
;
,
де ω - кутова швидкість, об / с; R - радіус водяного колеса, м.
Перетворюючи, отримуємо кутову швидкість:
Мал. 2. Залежність кутовий швидкості лопаті від його кута по відношенню водному потоку
На основі (7) виведена залежність кутової швидкості лопаті від його кута до водного потоку (рис. 2). Виходячи з графіка, коли водний потік вдаряється об поверхню лопаті строго перпендикулярно, швидкість водяного колеса приймає максимальну величину. При зменшенні кута атаки кутова швидкість лопаті падає, як і передана сила. Правильність висновку підтверджується тим, що лопаті мають найбільший К.П.Д при криволінійної формі виконання, так як при цьому досягається максимально близьке значення до 90 ° при будь-якому положенні лопаті по колу водяного колеса в водному потоці [5].
Виходячи з вищесказаного, можна зробити наступні висновки:
1. Лопата ефективно працює, коли кут атаки до напрямку водного потоку максимально наближений до 90 градусів. Лопать повинна виготовлятися криволінійної форми, що забезпечить максимально близьке значення кута атаки до водяного потоку і найбільшу величину переданої енергії;
2. Кутова швидкість збільшується зі зменшенням радіусу водяного колеса, що дозволяє використовувати його замість турбіни для тихохідних генераторів;
3. Використання водяних коліс ефективно для генерації електроенергії при малих швидкостях водного потоку і низьких напору, ніж характеризуються малі річки.
Пропонуємо вашій увазі журнали, що видаються у видавництві «Академія природознавства»
(Високий імпакт-фактор РИНЦ, тематика журналів охоплює всі наукові напрямки)
Міжнародний журнал прикладних і фундаментальних досліджень
Служба технічної підтримки - [email protected]
Відповідальний секретар журналу Бізенкова М.Н. - [email protected]
Матеріали журналу доступні на умовах ліцензії Creative Commons «Attribution» ( «Атрибуція») 4.0 Всесвітня.