ناعورة
عجلة المياه
كانت العجلات المائية لا تزال قيد الاستخدام التجاري حتى القرن العشرين لكنها لم تعد شائعة الاستخدام. وشملت الاستخدامات طحن الدقيق في المطاحن ، وطحن الخشب في لباب لصناعة الورق ، وطرق الحديد المطاوع ، والآلات ، وسحق خام الألياف وقصفها للاستخدام في صناعة القماش .
يتم تغذية بعض عجلات المياه بالماء من بركة مطحنة ، والتي تتشكل عند سد تيار متدفق. وتسمى قناة المياه المتدفقة إلى أو من عجلة المياه باسم سباق الطاحونة . السباق الذي يجلب الماء من بركة الطاحونة إلى عجلة الماء هو غطاء للرأس ؛ يشار إلى الشخص الذي يحمل الماء بعد أن غادر العجلة باسم الذيل . [1]
في منتصف إلى أواخر القرن الثامن عشر ، أدى البحث العلمي الذي أجراه جون سميتون حول عجلة المياه إلى زيادات كبيرة في الكفاءة لتوفير الطاقة المطلوبة بشدة للثورة الصناعية . [2] [3]
بدأت عجلات المياه في التشرد بواسطة التوربينات الأصغر والأقل تكلفة والأكثر كفاءة ، التي طورها Benoît Fourneyron ، بداية من طرازه الأول في عام 1827. [3] التوربينات قادرة على التعامل مع الرؤوس العالية ، أو الارتفاعات ، التي تتجاوز قدرة التطبيق العملي الأحجار المائية الحجم.
تتمثل الصعوبة الرئيسية لعجلات المياه في اعتمادها على المياه المتدفقة ، مما يحد من مكان وجودها. يمكن اعتبار السدود الكهرومائية الحديثة أحفاد العجلة المائية ، لأنها تستفيد أيضًا من حركة انحدار المياه.
محتويات
أنواع
عجلات المياه تأتي في تصميمين أساسيين: [4]
- عجلة أفقية مع المحور العمودي. أو
- عجلة عمودية مع المحور الأفقي.
يمكن تقسيم الأخير وفقًا للمكان الذي يصطدم فيه الماء بالعجلة إلى نقطة رجوع (نقطة الرجوع إلى الخلف [5] ) ، الزائدة ، الثدي ، القاع ، وعجلات التدفق. [6] [7] [8] يمكن أن يشير مصطلح الشرطة السفلية إلى أي عجلة حيث يمر الماء تحت العجلة [9] ، لكن هذا يعني عادة أن مدخل المياه منخفض على العجلة.
معظم عجلات المياه في المملكة المتحدة والولايات المتحدة (أو كانت) عجلات عمودية تدور حول محور أفقي ، ولكن في المرتفعات الاسكتلندية وأجزاء من مطاحن جنوب أوروبا كانت غالبًا ما تحتوي على عجلة أفقية (مع محور عمودي). [ بحاجة لمصدر ]
ملخص الأنواع
المحور الرأسي المعروف أيضا باسم الحوض أو المطاحن الإسكندنافية.
|
رسم تخطيطي لطاحونة المياه المحور العمودي.
|
تيار (المعروف أيضًا باسم السطح الحر ). عجلات السفينة هي نوع من عجلة تيار.
|
الرسم البياني للتيار النار بعجلة الماء.
|
جار بالدفع السفلي
|
رسم بياني للعجلة المائية السفلية تبين الرأس ، الذيل الخلفي ، والماء.
|
Breastshot
|
رسم بياني للعجلة المائية الثديية يظهر الرأس ، الذيل ، والماء.
|
Backshot (المعروف أيضًا باسم pitchback)
|
رسم بياني للعجلة المائلة للخلف تظهر الرأس ، الذيل ، الماء ، والانسكاب.
|
تجاوزت
|
رسم تخطيطي للعجلة المائية الزائدة عن الحد والتي توضح الرأس ، الذيل الخلفي ، المياه ، والانسكاب.
|
عادةً ما يتم استخدام عجلات المياه الزائدة والخلفية حيث يكون فرق الارتفاع المتاح أكثر من بضعة أمتار. عجلات الثدي أكثر ملائمة للتدفقات الكبيرة برأس معتدل. تستخدم اللقطة السفلية وعجلة الدفق التدفقات الكبيرة على رأس قليل أو معدومة.
غالبًا ما يكون هناك طحلب مرتبط به ، خزان لتخزين المياه ومن ثم الطاقة إلى أن تكون هناك حاجة لذلك. تخزن الرؤوس الأكبر طاقة أكثر محتملة لنفس الكمية من المياه ، لذا فإن الخزانات ذات العجلات الزائدة والعاكسة للخلف تميل إلى أن تكون أصغر من تلك الموجودة في عجلات طلقات الثدي.
تتناسب العجلات المائية الفائقة السرعة أو الخلفية مع وجود تيار صغير بفارق ارتفاع يزيد عن 2 متر (6.5 قدم) ، وغالبًا ما يكون ذلك مرتبطًا بخزان صغير. يمكن استخدام عجلات الثدي وأسفل القاع على الأنهار أو التدفقات كبيرة الحجم مع الخزانات الكبيرة.
المحور الرأسي
عجلة أفقية مع المحور الرأسي.
يشار إليها عادةً بعجلة الحوض أو مطحنة Norse أو مطحنة يونانية ، [12] [13] والعجلة الأفقية هي شكل بدائي وغير فعال من التوربينات الحديثة. ومع ذلك ، إذا كانت توفر الطاقة المطلوبة ، تكون الكفاءة ذات أهمية ثانوية. وعادة ما يتم تركيبه داخل مبنى مطحنة أسفل أرضية العمل. يتم توجيه نفاثة من الماء إلى المجاذيف من عجلة المياه ، مما تسبب لهم في الدوران. هذا نظام بسيط عادة بدون تروس بحيث يصبح المحور العمودي للعجلة المائية محرك المغزل للمطحنة. [ بحاجة لمصدر ]
يرجع تاريخ أول إشارة معروفة إلى عجلات المياه إلى حوالي 400 سنة قبل الميلاد ، [14] ، ويعود تاريخ أقرب عجلات المحور الأفقي إلى حوالي 200 سنة قبل الميلاد ، وبالتالي فإن المطاحن العمودية تصنع مطاحن المحور الأفقي قبل التاريخ بحوالي قرنين.
تيار
عجلة التيار [6] [10] عبارة عن عجلة مياه مثبتة رأسياً والتي تدور بواسطة الماء في مجرى مائي تضرب المجاذيف أو الشفرات في أسفل العجلة. هذا النوع من العجلات المائية هو أقدم نوع من محور المحور الأفقي. [ بحاجة لمصدر ] تُعرف أيضًا باسم العجلات السطحية المجانية نظرًا لأن الماء ليس مقيدًا بالميلات أو حفرة العجلة. [ بحاجة لمصدر ]
تعتبر عجلات البث أرخص وأسرع في الإنشاء ، ولها تأثير بيئي أقل من الأنواع الأخرى من العجلات. أنها لا تشكل تغييرا كبيرا في النهر. عيوبها هي كفاءتها المنخفضة ، مما يعني أنها تولد طاقة أقل ولا يمكن استخدامها إلا عندما يكون معدل التدفق كافيًا. تستخدم العجلة السفلية ذات القاعدة المسطحة النموذجية حوالي 20٪ من الطاقة في تدفق المياه التي تصطدم بالعجلة كما قاسها المهندس المدني الإنجليزي جون سميتون في القرن الثامن عشر. [15] العجلات الحديثة أكثر كفاءة.
تكتسب عجلات الدفق ميزة ضئيلة أو معدومة من الرأس ، وهو اختلاف في مستوى الماء.
غالبًا ما يشار إلى عجلات التدفق المثبتة على منصات عائمة باسم عجلات السفينة وطاحونة الطاحونة . على الأرجح تم بناء الأقدم من قِبل الجنرال البيزنطي Belisarius خلال حصار روما في عام 537. [ بحاجة لمصدر ] في وقت لاحق تم تركيبها في بعض الأحيان في اتجاه مجرى النهر مباشرةً من الجسور حيث أدى تقييد تدفق أرصفة الجسر إلى زيادة سرعة التيار. [ بحاجة لمصدر ]
تاريخيا كانوا غير فعالين جدا ولكن التقدم الكبير المحرز في القرن الثامن عشر. [14]
عجلة تحت
العجلة السفلية عبارة عن عجلة مياه مثبتة رأسياً مع محور أفقي يدور بواسطة الماء من سد منخفض يصيب العجلة في الربع السفلي. معظم مكاسب الطاقة هي من حركة الماء والقليل نسبيا من الرأس. أنها مماثلة في التشغيل والتصميم لتيار عجلات.
أحيانًا ما يتم استخدام المصطلح السفلية ذات المعاني المختلفة ولكن ذات الصلة:
- جميع العجلات التي يمر فيها الماء تحت العجلة [16]
- عجلات حيث يدخل الماء في الربع السفلي.
- عجلات حيث يتم وضع المجاذيف في تدفق تيار. انظر تيار أعلاه. [17] [10]
هذا هو أقدم نوع من عجلة المياه العمودية.
عجلة الثدي
تستخدم كلمة breastshot بعدة طرق. يقصر بعض المؤلفين المصطلح على عجلات حيث يدخل الماء في حوالي الساعة العاشرة ، والبعض الآخر في التاسعة ، والبعض الآخر لمجموعة من الارتفاعات. [ بحاجة لمصدر ] في هذه المقالة ، يتم استخدامه للعجلات التي يكون فيها مدخل الماء أعلى بشكل ملحوظ من أسفل وأسفل الجزء العلوي بشكل كبير ، وعادةً ما يكون النصف الأوسط.
إنها تتميز بـ:
- دلاء مصممة بعناية لتقليل الاضطرابات عند دخول الماء
- دلاء ذات تهوية مع فتحات في الجانب للسماح للهواء بالهروب مع دخول الماء
- بناء “ساحة” يتوافق بشكل وثيق مع وجه العجلة ، مما يساعد على احتواء الماء في الجرافات أثناء تقدمها لأسفل
وتستخدم كل من الحركية (الحركة) والطاقة الكامنة (الطول والوزن).
تتطلب الخلوص البسيط بين العجلة والبناء أن تحتوي العجلة الصدرية على حامل سلة مهملات جيد (“شاشة” باللغة الإنجليزية البريطانية) لمنع تشويش الحطام بين العجلة والمئزر ويحتمل أن يتسبب في أضرار جسيمة.
تعتبر عجلات الثدي أقل كفاءة من عجلات الجرعات والخلفية لكنها يمكن أن تتعامل مع معدلات تدفق عالية وبالتالي طاقة عالية. ويفضل أن تكون هذه التدفقات ثابتة وكبيرة الحجم مثل الموجودة على Fall Fall في الساحل الشرقي لأمريكا الشمالية. عجلات الثدي هي النوع الأكثر شيوعًا في الولايات المتحدة الأمريكية [ بحاجة لمصدر ] ويقال إنها أدت إلى قيام الثورة الصناعية. [14]
باكشوت عجلة
إن عجلة backshot (تسمى أيضًا pitchback ) هي مجموعة متنوعة من عجلات التجاوز حيث يتم تقديم الماء قبل قمة العجلة مباشرة. في العديد من المواقف ، تتمتع بميزة أن قاع العجلة يتحرك في نفس اتجاه الماء في سباق الذيل مما يجعله أكثر كفاءة. كما أنه يعمل بشكل أفضل من عجلة التجاوز في ظروف الفيضان عندما يغرق مستوى الماء في أسفل العجلة. سوف تستمر في الدوران حتى ترتفع المياه الموجودة في حفرة العجلة بدرجة عالية جدًا على العجلة. هذا يجعل هذه التقنية مناسبة بشكل خاص للتيارات التي تواجه اختلافات كبيرة في التدفق وتقلل من حجم وتعقيد التكلفة وبالتالي من سباق الذيل.
اتجاه دوران العجلة الخلفية هو نفس اتجاه عجلة الصدور ، لكن في جوانب أخرى ، يشبه إلى حد بعيد العجلة الزائدة. انظر أدناه.
تجاوز عجلة
يقال إن عجلة المياه المثبتة عموديًا والتي يتم تدويرها بواسطة المياه التي تدخل الجرافات التي تتجاوز قمة العجلة ، قد تجاوزت الحد الأقصى. في بعض الأحيان ، يتم تطبيق المصطلح بشكل خاطئ على العجلات الخلفية حيث يتدفق الماء خلف عجلة القيادة.
تحتوي عجلة التجاوز النموذجية على توجيه المياه إلى العجلة في الجزء العلوي وخلفها قليلاً عن المحور. يتجمع الماء في الدلاء على هذا الجانب من العجلة ، مما يجعله أثقل من الجانب الآخر “الفارغ”. يحول الوزن العجلة ، ويتدفق الماء إلى ماء الذيل عندما تدور العجلة بدرجة كافية لعكس الجرافات. تصميم التجاوز هو فعال للغاية ، ويمكن أن يحقق 90 ٪ ، [ بحاجة لمصدر ] ولا يحتاج إلى تدفق سريع.
يتم الحصول على كل الطاقة تقريبًا من وزن الماء الذي يتم خفضه إلى سباق الذيل ، على الرغم من أنه قد يتم تقديم مساهمة صغيرة من خلال الطاقة الحركية للماء التي تدخل العجلة. إنها مناسبة لرؤوس أكبر من النوع الآخر من العجلة بحيث تكون مناسبة بشكل مثالي للبلد الجبلي. ومع ذلك ، فإن أكبر عجلة مائية ، وهي Laxey Wheel في جزيرة آيل أوف مان ، لا تستخدم رأسًا إلا حوالي 30 مترًا (100 قدم). أكبر محطة توربينات رأسية في العالم ، محطة Bieudron للطاقة الكهرومائية في سويسرا ، تستخدم حوالي 1869 م (6132 قدم).
تتطلب العجلات الفوقية رأسًا كبيرًا مقارنةً بأنواع العجلات الأخرى مما يعني عادةً استثمارات كبيرة في بناء سباق الرأس. في بعض الأحيان يكون الاقتراب النهائي من الماء إلى العجلة على طول عمود أو قلم ، ويمكن أن يكون طويلاً.
الهجين
تجاوز الحد الأدنى و backshot
يتم تجاوز بعض العجلات في الجزء العلوي وتجاوزها للخلف في الجزء السفلي مما يحتمل أن يجمع بين أفضل الميزات لكلا النوعين. تُظهر الصورة مثالاً على مسبك فينش في ديفون ، المملكة المتحدة. سباق الرأس هو هيكل الأخشاب العلوية وفرع لليسار يوفر المياه للعجلة. يخرج الماء من أسفل العجلة مرة أخرى إلى التيار.
عكسي
هناك نوع خاص من عجلة التجاوز / العجلة الخلفية هو عجلة المياه القابلة للعكس. يحتوي هذا على مجموعتين من الشفرات أو الجرافات تعمل في اتجاهين متعاكسين ، بحيث يمكنها أن تدور في أي اتجاه وفقًا للجانب الذي يتم توجيه المياه إليه. تم استخدام عجلات عكسية في صناعة التعدين من أجل تشغيل وسائل النقل المختلفة. عن طريق تغيير اتجاه العجلة ، يمكن رفع البراميل أو سلال الخامات لأعلى أو خفضها أسفل عمود أو طائرة مائلة. عادة ما يكون هناك أسطوانة كبل أو سلة سلسلة (الألمانية: Kettenkorb) على محور العجلة. من الضروري أن تحتوي العجلة على معدات الكبح لتكون قادرة على إيقاف العجلة (المعروفة باسم عجلة الكبح). أقدم رسم معروف لعجلة ماء عكسية هو جورجي أجريكولا ويرجع تاريخه إلى عام 1556.
عجلات التعليق والتروس حافة
اثنين من التحسينات في وقت مبكر كانت عجلات التعليق والاستعداد حافة. يتم تصنيع عجلات التعليق بنفس طريقة عجلة الدراجة ، حيث يتم دعم الحافة تحت التوتر من المحور – مما أدى إلى عجلات أخف وزنا أكبر من التصميم السابق حيث كان المتحدث الثقيل تحت الضغط. تستلزم الحافة إضافة عجلة مسننة إلى الحافة أو كفن العجلة. أشرك جهاز تروس العقبه في تروس العجلة وأخذ الطاقة إلى المطحنة باستخدام عمود خط مستقل. أدى ذلك إلى إزالة الضغط الدوراني من المحور الذي يمكن أن يكون أخف وزناً ، كما يتيح مزيدًا من المرونة في موقع مجموعة الحركة. تم تدوير محور الدوران من عجلة القيادة مما أدى إلى فقد طاقة أقل. يمكن رؤية مثال على هذا التصميم الذي ابتكره توماس هيوز وصقله ويليام فيربورن في عجلة تم ترميمها عام 1849 في مستودع قناة حوض بورتلاند . [18]
تاريخ
كانت الوظيفتان الرئيسيتان لعجلات المياه تاريخيا هما رفع المياه لأغراض الري وكمصدر للطاقة. عند استخدامها في طاقة رفع المياه ، يمكن توفيرها إما عن طريق القوة البشرية أو الحيوانية أو عن طريق تيار الماء نفسه.
لا يتضح من النصوص والآثار التاريخية المتاحة ما إذا كانت الطاحونة منشؤها مصر أو بلاد فارس أو الهند أو اليونان أو المناطق الواقعة بينهما. تم توثيق الاستخدام في غضون بضعة عقود من ثقافات بعضنا البعض في القرنين الرابع والثالث قبل الميلاد على مساحة كبيرة من أوراسيا.
الشرق الأدنى القديم
وفقا للمؤرخة هيلين سيلين ، هناك أدلة تشير إلى أن الطاحونة المائية نشأت من الإمبراطورية الفارسية قبل 350 قبل الميلاد ، على الأرجح في ما يعرف اليوم بإيران أو العراق . كانت هناك مقالع معروفة بأحجارهم في إيران وفي الجزء العلوي من دجلة في تركيا اليوم. كانت للمطاحن التي تم اختراعها في هذا التاريخ عجلات مائية أفقية تشبه المروحة التي قادت الحجارة مباشرة. [19]
وفقًا لـ Terry S. Reynolds و RJ Forbes ، فمن المحتمل أن يكون العجلة المائية قد نشأت من الشرق الأدنى القديم بحلول القرن الثالث قبل الميلاد لاستخدامها في تحريك الأحجار الكريمة وطحن الحبوب على نطاق صغير. [20] يشير رينولدز إلى أن العجلات المائية الأولى كانت نورياس ، وبحلول القرن الثاني قبل الميلاد ، تطورت لتصبح طاحونة مائية عمودية في سوريا وآسيا الصغرى ، حيث امتدت إلى اليونان والإمبراطورية الرومانية . [21] يدعم S. Avitsur أيضًا أصل الشرق الأدنى للطاحونة المائية. [22]
مصر القديمة
ظهرت عجلات رفع المياه ذات المجذاف في مصر القديمة بحلول القرن الرابع قبل الميلاد. [23] يعود الفضل للمصريين في اختراع العجلة المائية باستخدام الأواني المرفقة ، والعجلة المائية مع مقصورات المياه وسلسلة الجرافات ، التي دارت فوق بكرة مع دلاء ملحقة بها. حدث اختراع العجلة المائية المقسمة في مصر القديمة في حوالي القرن الرابع قبل الميلاد ، في سياق ريفي ، بعيدًا عن مدينة الإسكندرية الهلنستية ، ثم امتد إلى أجزاء أخرى من شمال إفريقيا . [24]
وفقًا لجون بيتر أولسون ، ظهرت كل من العجلة المقطوعة والنوريا الهيدرولية في مصر بحلول القرن الرابع قبل الميلاد ، مع اختراع الساقية هناك بعد قرن من الزمان. يدعم هذا الاكتشافات الأثرية في الفيوم ، حيث تم العثور على أقدم دليل أثري لعجلة مائية ، في شكل الساقية التي يعود تاريخها إلى القرن الثالث قبل الميلاد. يذكر أن بردية تعود إلى القرن الثاني قبل الميلاد وجدت في الفيوم أن هناك عجلة مائية تستخدم للري ، كما توجد لوحة جدارية تعود إلى القرن الثاني قبل الميلاد وجدت في الإسكندرية تصور ساكية مقصورة ، وتذكر كتابات كاليكسينوس رودس استخدام ساقية في مصر البطلمية. في عهد بطليموس الرابع في أواخر القرن الثالث قبل الميلاد. [25]
اليونانية اليونانية المتوسطية
استخدم مهندسو البحر المتوسط في الفترات الهلنستية والرومانية عجلة المياه للري وكمصدر للطاقة. [26] يعود استخدامه في العالم اليوناني الروماني إلى الفترة الهلنستية المتقدمة تقنيًا وذات التفكير العلمي بين القرنين الثالث والثالث قبل الميلاد. [27]
عجلات الصرف
استخدم الرومان عجلات المياه على نطاق واسع في مشاريع التعدين . تم وصف العديد من هذه الأجهزة من قبل Vitruvius . تضمنت العربة التي عثر عليها أثناء التعدين الحديث في مناجم النحاس في ريو تينتو بإسبانيا 16 عجلة من هذا النوع مكدسة فوق بعضها البعض لرفع المياه على بعد حوالي 80 قدمًا (24 مترًا) من منجم المنجم. تم العثور على جزء من عجلة مماثلة يرجع تاريخها إلى حوالي 90 م ، في 1930s ، في Dolaucothi ، منجم ذهب روماني في جنوب ويلز .
طواحين المياه
مع الأخذ في الاعتبار الأدلة غير المباشرة من أعمال الفني اليوناني أبولونيوس من بيرج ، يؤرخ المؤرخ البريطاني للتكنولوجيا MJT لويس ظهور طاحونة المحور العمودي المائية حتى أوائل القرن الثالث قبل الميلاد ، وطاحونة المحور الأفقي المائية حتى حوالي 240 ق.م. في بيزنطة والإسكندرية (في مصر البطلمية ) ، على التوالي. [28] أبلغ عالم الجغرافيا الإغريقي سترابون عن طاحونة مائية ( حوالي 64 ق.م. – 24 م ) في وقت ما قبل 71 ق.م. في قصر الملك بونتيان ميثرادس السادس يوباتور ، ولكن لا يمكن استنباط بنائه الدقيق من النص ( الثاني عشر ، 3 ، 30 درجة مئوية 556). [29]
أول وصف واضح لطاحونة مائية موجهة هو من المهندس المعماري الروماني فيتروفيوس الذي يعود إلى القرن الأول قبل الميلاد ، والذي يحكي عن نظام تروس الساقية بأنه مطبق على طاحونة مائية. [30] حساب Vitruvius ذو قيمة خاصة لأنه يوضح كيفية ظهور الطاحونة المائية ، أي عن طريق الجمع بين الاختراعات اليونانية المنفصلة للعتاد المسنن وعجلة الماء في نظام ميكانيكي واحد فعال لتسخير الطاقة المائية. [31] وصفت عجلة المياه في فيتروفيوس بأنها مغمورة مع نهايتها السفلية في المجرى المائي بحيث يمكن أن تكون المجاذيف مدفوعة بسرعة المياه الجارية (X ، 5.2). [32]
في نفس الوقت تقريبًا ، تظهر العجلة الأمامية لأول مرة في قصيدة كتبها Antipater of Thessalonikiica ، والتي تمدحها كجهاز لتوفير العمالة (IX ، 418.4–6). [33] أخذ لوكريتيوس الفكرة أيضًا (حوالي 99-55 قبل الميلاد) الذي يشبه دوران عجلة الماء بحركة النجوم على الباطن (V 516). [34] النوع الثالث ذو المحور الأفقي ، وهو عجلة الماء في ثدي الأم ، يأتي في دليل أثري بحلول أواخر القرن الثاني الميلادي في وسط الغال . [35] تم تجهيز معظم الطواحين المائية الرومانية المحفورة بأحد هذه العجلات والتي ، على الرغم من كونها أكثر تعقيدًا في البناء ، إلا أنها كانت أكثر فاعلية من عجلة المياه ذات المحور العمودي. [٣٦] في القرن الثاني الميلادي ، تم تغذية مجمع من طاحونة باربيجال للقطن من ستة عشر عجلة متجاوزة بواسطة قناة اصطناعية ، مصنع للحبوب الصناعية الأولية التي يشار إليها باسم “أكبر تركيز معروف للقوة الميكانيكية في العالم القديم”. . [37]
في شمال إفريقيا الشمالية ، تم العثور على العديد من المنشآت من حوالي 300 م حيث تم تركيب عجلات المياه ذات المحور الرأسي المزودة بشفرات بزاوية في أسفل عمود دائري مملوء بالماء. الماء من سباق الطاحونة الذي دخل الحفرة بشكل عرضي ، خلق عمود ماء دوامي جعل العجلة المغمورة بالكامل تعمل مثل التوربينات المائية الحقيقية ، وهي الأقدم المعروفة حتى الآن. [38]
بصرف النظر عن استخدامه في الطحن ورفع المياه ، استخدم المهندسون القدامى عجلة المياه المجذوفة للأوتوماتون والملاحة. يصف Vitruvius (X 9.5-7) عجلات مجداف متعددة التوجيه تعمل كمقياس عداد للسفن ، وهي الأقرب من نوعها. يأتي أول ذكر لعجلات المضرب كوسيلة للدفع من أطروحة De Rebus Bellicis العسكرية من القرن الرابع إلى الخامس (الفصل السابع عشر) ، حيث يصف المؤلف الروماني المجهول سفينة حربية ذات عجلات مجداف. [39]
الصين
من شبه المؤكد أن العجلات المائية الصينية لها أصل منفصل ، حيث كانت العجلات المائية الأفقية دائمًا. بحلول القرن الأول الميلادي على الأقل ، كان الصينيون من أسرة هان الشرقية يستخدمون عجلات مائية لسحق الحبوب في المطاحن ولتزويد المكابس بالطاقة في تزوير خام الحديد إلى الحديد المصبوب .
في النص المعروف باسم شين لون الذي كتبه هوان تان حوالي 20 م (خلال اغتصاب وانغ مانغ ) ، ينص على أن الملك الأسطوري الأسطوري المعروف باسم فو شي كان المسؤول عن المدقة ومدافع الهاون ، التي تطورت إلى الميل المطرقة ثم جهاز مطرقة الرحلة (انظر مطرقة الرحلة ). على الرغم من أن المؤلف يتحدث عن الأسطورة فو شي ، إلا أن مقطعًا من كتاباته يلمح إلى أن عجلة المياه كانت مستخدمة على نطاق واسع في القرن الأول الميلادي في الصين (تهجئة واد-جايلز ):
اخترع فو هسي المدقة ومدافع الهاون ، وهو أمر مفيد للغاية ، وبعد ذلك تم تحسينه بذكاء بحيث يمكن استخدام الوزن الكلي للجسم للدوس على مطرقة الإمالة ( tui ) ، وبالتالي زيادة الكفاءة 10 مرات. بعد ذلك ، تم استخدام قوة الحيوانات – الحمير والبغال والثيران والخيول – عن طريق الآلات ، وكانت الطاقة المائية تستخدم أيضًا في القصف ، بحيث زادت الفائدة بمئة ضعف. [40]
في عام 31 م ، قام المهندس ومحافظ مقاطعة نانيانغ ، دو شي (توفي 38 عامًا) ، بتطبيق استخدام معقد لعجلة الماء والآلات لتشغيل خراطيم فرن الصهر لتصنيع الحديد المصبوب . يذكر دو شي لفترة وجيزة في كتاب هان لاحقًا ( هو هان هان ) على النحو التالي (في هجاء واد جيلز):
في السنة السابعة من فترة حكم Chien-Wu (31 CE) ، تم نشر Tu Shih ليكون محافظ Nanyang. كان رجلاً كريماً وكانت سياساته سلمية ؛ دمر الأشرار وأثبت كرامة (من مكتبه). حسن في التخطيط ، لقد أحب الناس العاديين وتمنى إنقاذ عملهم. اخترع مبادل للطاقة المائية ( شوي فاي ) لصب الأدوات الزراعية (الحديد). كان لدى أولئك الذين قاموا بالصهر والإلقاء بالفعل منفاخ دفع لتفجير حرائق الفحم الخاصة بهم ، والآن تلقوا تعليمات باستخدام المياه المتدفقة ( chi shui ) لتشغيلها … وهكذا حصل الناس على فائدة كبيرة مقابل القليل من العمل. لقد وجدوا أن منفاخ “الماء (المدعوم) مريحة” واعتمدوها على نطاق واسع. [41]
وجدت عجلات المياه في الصين استخدامات عملية مثل هذا ، وكذلك الاستخدام غير العادي. كان المخترع الصيني Zhang Heng (78–139) هو الأول في التاريخ الذي استخدم القوة المحركة في تدوير الأداة الفلكية لأحد الكواكب ، باستخدام عجلة مائية. [42] استخدم المهندس الميكانيكي Ma Jun (حوالي 200-265) من Cao Wei ذات مرة عجلة مائية لتشغيل وتشغيل مسرح عرائس ميكانيكي كبير للإمبراطور Ming of Wei ( حكم 226-239). [43]
الهند
التاريخ المبكر للطاحونة المائية في الهند غامض. تشير النصوص الهندية القديمة التي يعود تاريخها إلى القرن الرابع قبل الميلاد إلى مصطلح ” كاكافاتاكا” (عجلة الدوران) ، والذي تشرحه التعليقات باسم أراتاتا-غاتي-يانتا (آلة مرفقة بأواني العجلة). على هذا الأساس ، اقترح جوزيف نيدهام أن الآلة كانت نوريا . ومع ذلك ، يجادل تيري رينولدز بأن “المصطلح المستخدم في النصوص الهندية غامض ولا يشير بوضوح إلى جهاز يعمل بالطاقة المائية”. جادل Thorkild Schiøler بأنه “من المرجح أن تشير هذه الممرات إلى نوع من جهاز رفع المياه الذي يتم تشغيله باليد أو اليدوي ، بدلاً من عجلة رفع المياه التي تعمل بالطاقة المائية”. [44]
وفقًا للتقاليد اليونانية التاريخية ، استلمت الهند طواحين مائية من الإمبراطورية الرومانية في أوائل القرن الرابع الميلادي عندما قدم مترودوروس معين “طواحين مائية وحمامات ، لم تكن معروفة بينهم [البراهمانز] حتى ذلك الحين”. [45] تم توفير مياه الري للمحاصيل باستخدام عجلات رفع المياه ، بعضها مدفوع بقوة التيار في النهر الذي يتم رفع المياه منه. تم استخدام هذا النوع من أجهزة رفع المياه في الهند القديمة ، التي سبقت ، وفقًا لباسي ، استخدامه في الإمبراطورية الرومانية اللاحقة أو الصين ، [46] على الرغم من ظهور أول دليل أدبي وأثري وتصوري لعجلة الماء في العالم الهلنستي . [26]
حوالي عام 1150 ، لاحظ عالم الفلك بسكارا أشاريا عجلات رفع المياه وتخيل أن هذه العجلة ترفع ما يكفي من الماء لتجديد التيار الذي يقودها ، بفعالية ، آلة حركة دائمة . [47] تم وصف بناء الأعمال المائية وجوانب تكنولوجيا المياه في الهند بالأعمال العربية والفارسية . خلال العصور الوسطى ، أدى نشر تقنيات الري الهندية والفارسية إلى ظهور نظام متقدم للري أدى إلى نمو اقتصادي وساعد أيضًا في نمو الثقافة المادية. [48]
العالم الإسلامي
تولى المهندسون العرب تكنولوجيا المياه في المجتمعات الهيدروليكية في الشرق الأدنى القديم ؛ لقد تبنوا عجلة المياه في وقت مبكر من القرن السابع ، واكتشف حفر قناة في منطقة البصرة بقايا عجلة مائية تعود إلى هذه الفترة. لا تزال حماة في سوريا تحافظ على بعض عجلاتها الكبيرة ، على نهر العاصي ، على الرغم من أنها لم تعد قيد الاستخدام. [49] يبلغ قطر أكبرها حوالي 20 مترًا (66 قدمًا) وتم تقسيم حوافها إلى 120 مقصورة. تم العثور على عجلة أخرى لا تزال قيد التشغيل في مورسيا بإسبانيا ، لا نورا ، وعلى الرغم من أن العجلة الأصلية قد تم استبدالها بعجلة فولاذية ، إلا أن النظام المغربي خلال الأندلس لم يتغير تقريبًا. بعض عجلات المياه الإسلامية المقيدة في العصور الوسطى يمكن أن ترفع الماء حتى ارتفاع 30 متر (100 قدم). [50] وصف محمد بن زكريا الرازي ، كتاب الهاوي ، في القرن العاشر ، نوريا في العراق يمكن أن ترفع ما يصل إلى 153000 لتر في الساعة (34000 عفريت / ساعة) ، أو 2550 لترًا في الدقيقة (560 عفريت) غال / دقيقة). وهذا مشابه لإخراج النوريات الحديثة في شرق آسيا ، والتي يمكن أن ترفع ما يصل إلى 288000 لتر في الساعة (63000 عفريت غال / ساعة) ، أو 4800 لتر في الدقيقة (1100 عفريت غال / دقيقة). [51]
تعود الاستخدامات الصناعية للطواحين المائية في العالم الإسلامي إلى القرن السابع ، بينما كانت طواحين المياه ذات العجلات الأفقية والعمودية ذات استخدام واسع النطاق في القرن التاسع. واستخدمت مجموعة متنوعة من طواحين الصناعية في العالم الإسلامي، بما في ذلك gristmills ، بكرات تقشير ، المناشر ، shipmills، مصانع ختم ، مصانع الصلب ، مصانع السكر ، و مصانع المد . وبحلول القرن ال11، كان كل محافظة في جميع أنحاء العالم الإسلامي هذه طواحين الصناعية في العملية، من الأندلس و شمال أفريقيا إلى الشرق الأوسط وآسيا الوسطى . [52] استخدم مهندسو المسلمين والمسيحيين أيضا العمود المرفقي و التوربينات المائية ، التروس في طواحين وجمع المياه آلات ، و السدود كمصدر للمياه، وتستخدم لتوفير طاقة إضافية لطواحين وآلات رفع المياه. [53] قد امتدت مصانع الطحن ومصانع الصلب من إسبانيا الإسلامية إلى إسبانيا المسيحية في القرن الثاني عشر. كما تم استخدام طواحين المياه الصناعية في مجمعات المصانع الكبيرة التي بنيت في الأندلس بين القرنين الحادي عشر والثالث عشر. [54]
طور مهندسو العالم الإسلامي عدة حلول لتحقيق أقصى إنتاج من عجلة مائية. كان أحد الحلول لجبل لهم أرصفة من الجسور للاستفادة من زيادة التدفق. وكان الحل الآخر هو طاحونة السفن ، وهي نوع من طاحونة المياه مدعومة بعجلات مائية مثبتة على جوانب السفن الراسية في منتصف الطريق. كان يعمل هذا الأسلوب على طول نهري دجلة و الفرات الأنهار في ينتمي إلى القرن ال10 العراق ، حيث shipmills كبيرة مصنوعة من خشب الساج و الحديد يمكن أن تنتج 10 طن من الدقيق من الذرة كل يوم ل صومعةفي بغداد . [55] و دولاب الموازنة اخترع آلية، والذي يستخدم للتخفيف من تسليم للسلطة من جهاز القيادة إلى آلة يحركها، ابن البصل ( فلوريدا. من 1038-1075) الأندلس . كان رائدا في استخدام دولاب الموازنة في الساقية ( المضخة السلسلة ) و noria. [56] وصف المهندسون الجزري في القرن الثالث عشر وتقي الدين في القرن السادس عشر العديد من آلات رفع المياه المبتكرة في أطروحاتهم التكنولوجية. أنهم يعملون أيضا عجلات المياه لتشغيل مجموعة متنوعة من الأجهزة، بما في ذلك مختلف الساعات المائية و لدن .
أوروبا القرون الوسطى
واصلت القديمة التكنولوجيا عجلة المياه بلا هوادة في فترة العصور الوسطى في وقت مبكر حيث ظهور الأنواع وثائقي جديدة مثل المدونات القانونية ، الرهبانية المواثيق ، ولكن أيضا سير القديسين ورافق مع زيادة حادة في ما يشير إلى طواحين وعجلات. [57]
أقرب عجلة عمودية في طاحونة المد هي من Killoteran من القرن 6 بالقرب من Waterford ، أيرلندا ، [58] في حين أن أول عجلة أفقية معروفة في هذا النوع من الطاحونة هي من جزيرة ليتل الأيرلندية (حوالي 630). [59] أما بالنسبة للاستخدام في مطحنة نوردية أو يونانية شائعة ، فقد تم حفر أقدم عجلات أفقية معروفة في منطقة باليكيلين الأيرلندية ، التي يرجع تاريخها إلى عام. 636. [59]
كانت أول عجلة مائية تم التنقيب فيها عن طريق المد والجزر هي مطحنة دير نيندروم في إيرلندا الشمالية التي يرجع تاريخها إلى عام 787 ، على الرغم من أن طاحونة مبكرة قد تعود إلى عام 619. أصبحت مصانع المد والجزر شائعة في مصبات الأنهار مع مجموعة مد وجزر جيدة في كل من أوروبا وأمريكا بشكل عام باستخدام عجلات undershot.
استخدمت الأديرة السيسترسيانية ، على وجه الخصوص ، على نطاق واسع عجلات المياه لتزويد الطواحين المائية بأنواعها. ومن الأمثلة المبكرة لعجلة مائية كبيرة جدًا ، العجلة التي ما زالت موجودة في أوائل القرن الثالث عشر من القرن الثالث عشر ، دير Monasterio de Nuestra Senora de Rueda ، وهو دير Cistercian في منطقة Aragon في إسبانيا . كانت بلا شك المطاحن (للذرة) هي الأكثر شيوعًا ، ولكن كانت هناك أيضًا مطاحن ومناشير ومطاحن لإنجاز العديد من المهام الأخرى الكثيفة العمالة. ظلت عجلة المياه قادرة على المنافسة مع محرك البخار في الثورة الصناعية. في حوالي القرن الثامن إلى العاشر ، تم إدخال عدد من تقنيات الري إلى إسبانيا وبالتالي تم إدخالها إلى أوروبا. واحدة من تلك التقنيات هي Noria ، والتي هي في الأساس عجلة مزودة بدلو على الأجهزة الطرفية لرفع المياه. إنه مشابه لعجلة المياه السفلية المذكورة لاحقًا في هذه المقالة. لقد سمح للفلاحين بتشغيل الطواحين المائية بشكل أكثر كفاءة. وفقًا لكتاب توماس جليك ، الري والمجتمع في فالنسيا التي يرجع تاريخها إلى العصور الوسطى ، ربما نشأت نوريا من مكان ما في بلاد فارس . وقد استخدم لعدة قرون قبل جلب التكنولوجيا إلى إسبانيا من قبل العرب الذين اعتمدوها من الرومان. وبالتالي فإن توزيع النوريا في شبه الجزيرة الأيبيرية “يتوافق مع منطقة الاستقرار الإسلامي المستقر”. [60]هذه التكنولوجيا لها تأثير عميق على حياة الفلاحين. نوريا رخيصة نسبيا لبناء. وهكذا سمحت للفلاحين بزراعة الأرض بكفاءة أكبر في أوروبا. جنبا إلى جنب مع الإسبان ، وانتشار التكنولوجيا إلى العالم الجديد في المكسيك و أمريكا الجنوبية بعد التوسع الإسباني .
يوم الجمعة جرد من المطاحن الإنجليزية ج. 1086
أخذ التجمع الذي عقده وليام نورماندي ، والذي يشار إليه عادة باسم ” يوم القيامة ” أو استطلاع يوم القيامة ، قائمة بجميع الممتلكات الخاضعة للضريبة في إنجلترا ، والتي شملت أكثر من ستة آلاف مطاحن موزعة على ثلاثة آلاف موقع مختلف. [61]
مواقع
كان نوع عجلة المياه المختارة يعتمد على الموقع. عموما إذا كانت كميات صغيرة فقط من المياه والشلالات المرتفعة متاحة ، فإن صانع الطواحين سيختار استخدام عجلة تجاوز السرعة . تأثر القرار بحقيقة أن الدلاء يمكنها أن تصيد وتستخدم حتى كمية صغيرة من الماء. [62] بالنسبة للكميات الكبيرة من المياه ذات الشلالات الصغيرة ، كان يمكن استخدام العجلة السفلية ، لأنها كانت أكثر تكيفًا مع مثل هذه الظروف وأرخص للبناء. طالما كانت إمدادات المياه هذه وفيرة ، ظلت مسألة الكفاءة غير ذات صلة. بحلول القرن الثامن عشر ، مع زيادة الطلب على الطاقة إلى جانب الأماكن المحدودة للمياه ، تم التركيز على مخطط الكفاءة. [62]
التأثير الاقتصادي
بحلول القرن الحادي عشر ، كانت هناك أجزاء من أوروبا حيث كان استغلال المياه شائعًا. [61] من المفهوم أن عجلة الماء قد شكلت بنشاط وتغيرت إلى الأبد من وجهة نظر الغربيين. بدأت أوروبا في الانتقال من العمل العضلي البشري والحيواني نحو المخاض الميكانيكي مع ظهور عجلة الماء. ادعى لين وايت جونيور من العصور الوسطى أن انتشار مصادر الطاقة غير الحية كان شهادة بليغة على ظهور الغرب لموقف جديد تجاه ، والسلطة ، والعمل ، والطبيعة ، وقبل كل شيء التكنولوجيا. [61]
مكّن تسخير الطاقة المائية من تحقيق مكاسب في الإنتاجية الزراعية وفائض الغذاء والتوسع الحضري الكبير الذي بدأ في القرن الحادي عشر. حفزت فائدة الطاقة المائية التجارب الأوروبية مع مصادر الطاقة الأخرى ، مثل طواحين الرياح والمد والجزر. [63] أثرت الأحجار المائية على بناء المدن ، وخاصة القنوات. وضعت التقنيات التي طورت خلال هذه الفترة المبكرة مثل تشويش التيار وبناء القنوات ، أوروبا على مسار يركز هيدروليكيًا ، على سبيل المثال تم دمج تكنولوجيا إمدادات المياه والري لتعديل طاقة تزويد عجلة القيادة. [64] توضيح مدى وجود درجة كبيرة من الابتكار التكنولوجي الذي يلبي الاحتياجات المتزايدة للالدولة الاقطاعية .
تطبيقات عجلة المياه
تم استخدام مطحنة المياه لطحن الحبوب ، وإنتاج الدقيق للخبز ، والشعير للبيرة ، أو الوجبة الخشنة للعصيدة. [65] تستخدم المطارق العجلة لتشغيل المطارق. نوع واحد كان ملء مطحنة ، والذي كان يستخدم لصنع القماش. و مطرقة رحلة كانت تستخدم أيضا لصنع الحديد المطاوع والحديد العاملة في أشكال مفيدة، وهو النشاط الذي كان على خلاف كثيفة العمالة. كما تم استخدام عجلة المياه في صناعة الورق ، وضرب المواد في اللب. في القرن الثالث عشر ، عملت طواحين المياه المستخدمة في المطرقة في جميع أنحاء أوروبا على تحسين إنتاجية الصلب في وقت مبكر. جنبا إلى جنب مع إتقان البارود ، وفرت القوة المائية للدول الأوروبية في جميع أنحاء العالم القيادة العسكرية من القرن الخامس عشر.
أوروبا في القرنين السابع عشر والثامن عشر
تميزت طواحين الطواحين بين القوتين ، الدافع والوزن ، في العمل في عجلات مائية قبل فترة طويلة من القرن الثامن عشر بأوروبا. كتب فيتزهيربرت ، وهو كاتب زراعي من القرن السادس عشر ، “العجلة القاسية وكذلك وزن الماء كما هو الحال مع القوة الدافعة”. [66] ناقش ليوناردو دافنشي أيضًا طاقة المياه ، مشيرًا إلى أن “ضربة الماء ليست ثقلًا ، ولكنها تثير قوة وزن ، تساوي تقريبًا قوتها”. [67] ومع ذلك ، حتى إدراك القوتين ، الوزن والاندفاع ، ظل الارتباك حول مزايا وعيوب الاثنين ، ولم يكن هناك فهم واضح للكفاءة الفائقة للوزن. [68]قبل عام 1750 ، لم تكن متأكدة من القوة التي كانت مهيمنة وكان من المفهوم على نطاق واسع أن كلتا القوتين تعملان بإلهام متساوي فيما بينهما. [69] العجلة المائية ، أثارت تساؤلات حول قوانين الطبيعة ، وتحديداً قوانين القوة . استخدم عمل Evangelista Torricelli على عجلات المياه تحليلًا لعمل جاليليو في الأجسام الساقطة ، أن سرعة تدفق المياه من فتحة تحت رأسها كانت تعادل تمامًا سرعة قطرة الماء المكتسبة في السقوط بحرية من نفس الارتفاع. [70]
أوروبا الصناعية
كانت أقوى عجلة مائية تم بناؤها في المملكة المتحدة هي عجلة مياه Quarry Bank Mill 100 حصان بالقرب من مانشستر. تصميم عالي الثدي ، تم تقاعده في عام 1904 واستعيض عنه بعدة توربينات. وقد تم ترميمه الآن وهو متحف مفتوح للجمهور.
يبلغ قطر أكبر عجلة مياه صالحة للعمل في بريطانيا العظمى 15.4 مترًا (51 قدمًا) ، وقد تم بناؤها بواسطة شركة De Winton في مدينة كارنارفون. وهي تقع ضمن ورش العمل Dinorwic من متحف سليت الوطنية في انبيريس ، شمال ويلز .
أكبر عجلة مياه عاملة في العالم هي Laxey Wheel (المعروفة أيضًا باسم Lady Isabella ) في قرية Laxey ، جزيرة مان . يبلغ قطرها 72 قدمًا و 6 بوصات (22.10 مترًا) وعرضها 6 أقدام (1.83 مترًا) ويحافظ عليها تراث مانكس الوطني .
أدى تطوير التوربينات المائية خلال الثورة الصناعية إلى انخفاض شعبية عجلات المياه. تتمثل الميزة الرئيسية للتوربينات في أن قدرتها على تسخير الرأس أكبر بكثير من قطر التوربين ، في حين أن عجلة المياه لا يمكنها أن تسخر الرأس بفعالية أكبر من قطرها. استغرقت الهجرة من عجلات المياه إلى التوربينات الحديثة حوالي مائة عام.
التطورات الحديثة
عجلة هيدروليكية
هناك تطور حديث في عجلة الصدمة هو عجلة هيدروليكية تدمج بفعالية أنظمة التنظيم الأوتوماتيكية. و Aqualienne هو مثال واحد. فهو يولد ما بين 37 كيلوواط و 200 كيلوواط من الكهرباء من 20 م 3 (710 قدم مكعب) waterflow مع رئيس 1-3،5 متر (3-11 قدم). [71] وهي مصممة لإنتاج الكهرباء في مواقع الطواحين المائية السابقة.
الكفاءة
عجلات التجاوز (ولا سيما backshot) هي النوع الأكثر كفاءة ؛ يمكن أن تكون العجلات الفولاذية الخلفية أكثر فاعلية (حوالي 60٪) من جميع التوربينات باستثناء أكثرها تطورًا وصنعًا جيدًا . في بعض الحالات ، تكون عجلة التجاوز أفضل من التوربينات. [72]
إن تطوير عجلات التوربينات الهيدروليكية بكفاءتها المحسنة (> 67٪) قد فتح طريقًا بديلًا لتركيب عجلات المياه في الطواحين الحالية ، أو إعادة تطوير المطاحن المهجورة.
قوة عجلة
الطاقة المتاحة للعجلة لها مكونان:
- الطاقة الحركية – تعتمد على مدى سرعة تحرك الماء عند دخوله العجلة
- الطاقة الكامنة – تعتمد على التغير في ارتفاع الماء بين الدخول والخروج من العجلة
يمكن حساب الطاقة الحركية بتحويلها إلى رأس مكافئ ، رئيس السرعة ، وإضافتها إلى الرأس الفعلي. بالنسبة إلى الماء الثابت ، يكون رأس السرعة صفراً ، ومن التقريب الجيد أنه لا يكاد يذكر أنه يتحرك ببطء في الماء ، ويمكن تجاهله. لا تؤخذ السرعة في سباق الذيل في الحسبان لأنه بالنسبة لعجلة مثالية ، يترك الماء بدون طاقة تتطلب سرعة صفرية. هذا مستحيل ، يجب على الماء الابتعاد عن عجلة القيادة ، ويمثل سببا لا مفر منه لعدم الكفاءة.
و السلطة هي مدى سرعة تسليم تلك الطاقة التي يتم تحديدها وفقا لمعدل التدفق.
الكميات والوحدات
- {\ displaystyle \ eta =}
كفاءة
- {\ displaystyle \ rho =}
كثافة من الماء (1000 كجم / متر مكعب)
- {\ displaystyle A =}
مساحة المقطع العرضي للقناة (م²)
- {\ displaystyle D =}
قطر العجلة (م)
- {\ displaystyle P =}
الطاقة (واط)
- {\ displaystyle d =}
المسافة (م)
- {\ displaystyle g =}
قوة الجاذبية (9.81 م / ث² = 9.81 ن / كجم)
- {\ displaystyle h =}
الرأس (م)
- {\ displaystyle h_ {p} =}
رئيس الضغط ، والفرق في مستويات المياه (م)
- {\ displaystyle h_ {v} =}
رئيس السرعة (م)
- {\ displaystyle k =}
عامل تصحيح السرعة. 0.9 للقنوات على نحو سلس. [73]
- {\ displaystyle v =}
السرعة (م / ث)
- {\ displaystyle {\ dot {q}} =}
معدل تدفق الحجم (متر مكعب / ثانية)
- {\ displaystyle t =}
الوقت
القياسات
رئيس الضغط {\ displaystyle h_ {p} =}
رئيس السرعة {\ displaystyle h_ {v} =}
السرعة (السرعة) {\ displaystyle v}
هناك العديد من الطرق لقياس معدل تدفق الصوت . اثنان من أبسط:
- من منطقة المقطع العرضي والسرعة. يجب قياسها في نفس المكان ولكن يمكن أن يكون ذلك في أي مكان في سباقات الرأس أو الذيل. يجب أن تحتوي على نفس كمية الماء التي تمر بها العجلة. [73]
- من الممكن في بعض الأحيان قياس معدل تدفق الصوت بواسطة الجرافة وطريقة إيقاف الساعة. [74]
الصيغ
| كمية | معادلة |
|---|---|
| قوة | {\ displaystyle P = \ eta \ cdot \ rho \ cdot g \ cdot h \ cdot {\ dot {q}}} [75] |
| الرأس الفعال | {\ displaystyle h = h_ {p} + h_ {v}} [76] |
| رئيس السرعة | {\ displaystyle h_ {v} = {\ frac {v ^ {2}} {2 \ cdot g}}} [77] [76] |
| حجم معدل التدفق | {\ displaystyle {\ dot {q}} = A \ cdot v} [73] |
| سرعة المياه (السرعة) | {\ displaystyle v = k \ cdot {\ frac {d} {t}}} [73] |
قواعد الإبهام
الثدي وتجاوزت
| كمية | الصيغة التقريبية |
|---|---|
| الطاقة (على افتراض كفاءة 70 ٪) | {\ displaystyle P = 7000 \ cdot {\ dot {q}} \ cdot h} |
| سرعة الدوران الأمثل | {\ displaystyle {\ frac {21} {\ sqrt {D}}}} دورة في الدقيقة [78] |
عجلات تحت القفل التقليدية
| كمية | الصيغة التقريبية [78] |
|---|---|
| الطاقة (بافتراض كفاءة 20 ٪) | {\ displaystyle P = 100 \ cdot A \ cdot v ^ {3}} |
| سرعة الدوران الأمثل | {\ displaystyle {\ frac {9 \ cdot v} {D}}} دورة في الدقيقة |
التوربينات رد فعل جزء العجلة الهيدروليكية
التطور الموازي هو التوربين التفاعلي للعجلة / الجزء الهيدروليكي الذي يشتمل أيضًا على سد في وسط العجلة ولكنه يستخدم شفرات بزاوية لتدفق المياه. تستغل WICON-Stem Pressure Machine (SPM) هذا التدفق. [79] الكفاءة المقدرة 67 ٪.
حققت كلية الهندسة المدنية والبيئة بجامعة ساوثامبتون في المملكة المتحدة في كلا النوعين من آلات العجلات الهيدروليكية وقدرت كفاءتها الهيدروليكية والتحسينات المقترحة ، أي آلة الضغط الهيدروليكي الدورانية. (الكفاءة القصوى المقدرة 85 ٪). [80]
يتمتع هذا النوع من عجلات المياه بكفاءة عالية في الأحمال الجزئية / التدفقات المتغيرة ويمكن أن يعمل على رؤوس منخفضة للغاية ، <1 متر (3 قدم 3 بوصة). بالإضافة إلى مولدات المغناطيس الدائم Axial Flux الدائمة ومحرك الإلكترونيات ، فإنها توفر بديلاً قابلاً للتطبيق لتوليد الطاقة الكهرومائية منخفضة الرأس .
رفع المياه
في أجهزة رفع المياه ، تكون الحركة الدورانية عادةً أكثر كفاءة من الأجهزة المعتمدة على الحركة المتذبذبة. [81]
تأتي العجلة المائية المقسمة في شكلين أساسيين ، العجلة ذات الهيكل المقسم ( طبلة اللاتينية ) والعجلة ذات الحافة المقسمة أو حافة مع حاويات منفصلة متصلة. [81] يمكن أن تتحول العجلات إما عن طريق تدفق الماء ، أو يدوس الرجال من الخارج أو عن طريق الحيوانات بواسطة معدات الساقية . [82] بينما كان للطبل قدرة تصريف كبيرة ، فإنه يمكن أن يرفع الماء فقط إلى أقل من ارتفاع نصف قطره الخاص ويتطلب عزم دوران كبير للدوران. [82] تم التغلب على هذه العيوب الإنشائية بواسطة العجلة بحافة مجزأة والتي كانت أقل ثقلًا مع رفع أعلى. [83]
- البطالمة مصر
تظهر الإشارة الأدبية المبكرة إلى وجود عجلة مجزأة بالمياه في أطروحة Pneumatica (الفصل 61) للمهندس اليوناني Philo of Byzantium (حوالي 280-220 قبل الميلاد). [84] في كتابه Parasceuastica (91.43-44) ، ينصح Philo باستخدام هذه العجلات لغمر مناجم الحصار كتدبير دفاعي ضد نهب العدو. [85] يبدو أن العجلات المجزأة كانت الوسيلة المفضلة لتصريف الأحواض الجافة في الإسكندرية في عهد بطليموس الرابع (221-205 قبل الميلاد). [85] ذكر العديد من أوراق البردي اليونانية من القرن الثالث إلى الثاني قبل الميلاد استخدام هذه العجلات ، لكن لا تذكر المزيد من التفاصيل. [85] إن عدم وجود الجهاز في الشرق الأدنى القديم قبل غزو الإسكندر يمكن استنتاجه من غيابه الواضح من الأيقونات الشرقية الغنية على ممارسات الري. [86] [87] [88] [89] على عكس أجهزة ومضخات رفع المياه الأخرى في هذه الفترة ، لا يمكن تتبع اختراع العجلة المقطوعة لأي مهندس هيليني معيّن وربما تكون قد صنعت في أواخر القرن الرابع قبل الميلاد في السياق الريفي بعيدا عن مدينة الإسكندرية. [90]
إن الصورة المبكرة للعجلة المقطوعة هي من لوحة مقبرة في مصر البطلمية والتي يعود تاريخها إلى القرن الثاني قبل الميلاد. يُظهر زوجًا من الثيران المُخترقة يقود عجلة القيادة من خلال ترس الساقية الموجود هنا لأول مرة أيضًا. [91] نظام تروس الساقية اليوناني معروض بالفعل بشكل كامل لدرجة أن “الأجهزة المصرية الحديثة متطابقة تقريبًا”. [91] من المفترض أن يكون علماء متحف الإسكندرية ، في ذلك الوقت الأكثر نشاطًا في مركز البحوث اليونانية ، قد شاركوا في اختراعه. [92] حكاية من حرب الإسكندرية في 48 قبل الميلاد تروي كيف أن أعداء قيصر استخدموا عجلات مائية موجهة لصب مياه البحر من الأماكن المرتفعة على موقع الرومان المحاصرين. [93]
حوالي 300 م ، تم تقديم النوريا أخيرًا عندما تم استبدال الأجزاء الخشبية بأواني خزفية غير مكلفة تم ربطها بالخارج بعجلة مفتوحة. [90]
ملاحظات
^ منقط التدوين. تشير النقطة فوق الكمية إلى أنه معدل. في غيرها كم في كل ثانية أو كم في الثانية الواحدة. في هذه المقالة ف هو حجم الماء و {\ displaystyle {\ dot {q}}}
