Колесо для орошения (дополнение)
Вместо введения
Два дня назад отправил вам бандероль с рукописями, в том числе там была статья «Колесо для орошения», а вечером жена мне говорит, что читала мою статью (эту самую) и что ее, по ее мнению, надо бы дополнить простеньким расчетом – примером. «Самодельщики ваши сами побоятся приступать к расчетам, даже к простым. Им надо показать, что все тут просто», – это меня заставило написать дополнение к статье.
Пример несложного расчета
Предположим, что участок, который мы собираемся поливать, находится недалеко, примерно в пределах 100 м от речки на высоте 3…4 м над уровнем воды. Напорный бак установим на высоте 3 м около участка. Значит воду из речки нам предстоит подавать на высоту 6…7 м, то есть насосу придется обеспечить в цилиндре насоса давление Рн > 7 м водяного столба (с учетом сопротивления трубопровода). Мы примем Рн чуть больше – 10 м водяного столба, то есть 1 атм (1 кгс/см2).
Предположим, что речка имеет ширину в = 10 дм, глубину h = 1 дм, скорость течения v = 10 дм/с, при этом глубина русла речки 1,6 м. Таким образом, в нашем распоряжении после сооружения плотины окажется энергия водопада с расходом воды V = b x h x v = 10 х 1 х 10 = 100 дм3/с = 100 л/с (вода будет падать с высоты 1,5 м). В таких условиях можно даже говорить о работе среднебойного колеса с наружным диаметром 3 м. Но мы выберем колесо диаметром, равным 2 м (по центрам лопастей). Таким образом, сила от давления воды на лопасти будет действовать на плече l1 = 1 м.
Предположим, что решено не делать специальные лопасти-корыта, а использовать по этому назначению, например, доступные 10-литровые ведра из оцинкованного железа (и легко, и надежно!) или пластмассовые прямоугольные ящики для цветов (также емкостью примерно 10 л).
Рис. 1. «Рабочая часть» среднебойного колеса с лопастями-ведрами: а – конструкция; б – вращающие моменты на колесе; G – вес «рабочих ведер» с водой; F – усилие на конце кривошипа; l1 – расстояние от оси колеса до оси ведра: l2 – длина кривошипа
Схематично в масштабе 1:20 изобразим рабочую часть колеса, находящуюся под воздействием падающей воды (рис. 1).
Видим, что для колеса потребуется 16 ведер. Для простоты будем считать (это хорошо иллюстрирует схема), что работают в основном два ведра (они образуют наибольший момент), находящиеся непосредственно под каналом для подачи воды. Два нижних ведра, из которых вода почти уже вылилась, в расчет не берем (оставим создаваемый ими вращающий момент на компенсацию сил трения в приводе насоса). Верхние же ведра, вмещающие 20 л воды, весящие 20 кг и расположенные на расстоянии l1 = 1 м от оси колеса, образуют вращающий момент 20 кгм.
Длину l2 кривошипа, укрепленного на валу колеса для привода насоса, принимаем равной 0,1 м. Из условия равенства вращающих моментов на одном плече определяем силу F на конце кривошипа:
F = G x l1 / l2 = 20 х 10 / 1 = 200 кгс.
Зная силу на конце кривошипа F = 200 кгс и давление в насосе Рн = 1 кгс/см2, определяем площадь поперечного сечения S цилиндра насоса:
S = F / Р = 200 / 1 = 200 см2.
Зная площадь S поршня, определим его диаметр по формуле:
Dн = 2 x (S / π)1/2 = 16 см = 160 мм.
Предположим, что у нас имеется для изготовления насоса труба с внутренним диаметром 150 мм = 1,5 дм. При ходе поршня, равном двум длинам l2, кривошипа, то есть 200 мм, насос с таким диаметром цилиндра за один оборот колеса выдаст порцию воды Vн, вычисляемую по формуле:
Vн = π x R2 x 2 x l2 = 3,14 х 0,752 х 2 х 100 = 3,53 дм3.
Таким образом, такая простая установка даже при трех оборотах колеса в минуту (а ему ничто не мешает вращаться быстрее) станет подавать в напорный бак ведро воды за минуту! Считаем, что этого хватит.
Какой же при этом будет режим работы плотины?
За три оборота колеса с 16 ведрами-лопастями расход воды Vк на колесе составит:
Vк = 10 х 16 х 3 = 480 л/мин.
Пусть вода в ведра будет наливаться неаккуратно, пусть в три раза (!) больше будет разбрызгиваться и проливаться мимо. Тогда расход воды Vк на колесе составит примерно 2000 л/мин.
При расходе воды в речке V = 100 л/с, то есть V = 100 х 60 = 6000 л/мин, колесо будет использовать всего 30% потока.
Значит, 70% потока будет стекать через водосброс. То есть вполне можно удвоить ширину колеса.
Уменьшая потери воды при наполнении лопастей, применив грузовой аккумулятор энергии (груз на колесе), можно значительно повысить коэффициент полезного использования воды и очень эффективно и с большой пользой эксплуатировать такое простое устройство на малых речках, каких у нас в России очень много.
