Архимедов винт

Архимедов винт — это механическое устройство для перемещения жидкостей и сыпучих материалов, представляющее собой вращающуюся винтовую поверхность внутри наклонной цилиндрической трубы или открытого жёлоба. Изобретение приписывается древнегреческому учёному Архимеду Сиракузскому (около 287–212 гг. до н. э.), хотя аналогичные конструкции, возможно, использовались ранее в Древнем Египте для орошения полей. Архимедов винт является одним из первых в истории человечества насосов и до сих пор применяется в промышленности, сельском хозяйстве и коммунальном хозяйстве.

Устройство и принцип действия

Основными элементами архимедова винта являются:

• Вал (шнек) — длинный стержень, на котором закреплена винтовая поверхность (спираль). Вал может быть изготовлен из металла, дерева или пластика.
• Винтовая поверхность (спираль, лопасть) — непрерывная или прерывистая полоса, навитая на вал. Шаг винта (расстояние между соседними витками) определяет производительность и напор.
• Кожух (труба, жёлоб) — герметичная или открытая цилиндрическая оболочка, внутри которой вращается винт. В закрытых конструкциях кожух обеспечивает герметичность и предотвращает вытекание жидкости.
• Привод — механизм, передающий вращение на вал (рукоятка, электродвигатель, водяное колесо, ветряк).

Принцип действия основан на преобразовании вращательного движения винта в поступательное движение жидкости. При вращении винта каждый виток захватывает порцию жидкости (или сыпучего материала) и поднимает её вдоль оси винта. За счёт наклона всей конструкции (обычно под углом 30–45° к горизонту) жидкость перемещается вверх, а не стекает вниз. В открытых жёлобах жидкость поднимается по спирали, а в закрытых трубах — заполняет пространство между витками и кожухом.

Архимедов винт не требует создания высокого давления, как центробежные насосы, и способен перекачивать жидкости с большим содержанием твёрдых частиц, вязкие или загрязнённые среды.

История

Античность

Самые ранние упоминания архимедова винта связаны с трудами древнегреческого инженера и математика Архимеда. Согласно историческим источникам, во время посещения Египта Архимед разработал устройство для откачки воды из трюмов кораблей и для орошения полей в дельте Нила. Однако существуют свидетельства, что подобные винтовые насосы применялись в Ассирии и Вавилоне ещё в VII веке до н. э., а также в Древнем Китае (например, для подъёма воды из колодцев). Тем не менее, имя Архимеда прочно закрепилось за этим механизмом благодаря его систематическому описанию в трактатах римского инженера Витрувия (I век до н. э.) и греческого математика Герона Александрийского (I век н. э.).

Витрувий в трактате «Десять книг об архитектуре» подробно описал конструкцию архимедова винта: деревянный вал, обмотанный лозой или металлической полосой, помещённый в деревянную трубу. Устройство вращалось вручную или с помощью животных. Герон Александрийский в работе «Пневматика» усовершенствовал конструкцию, добавив зубчатую передачу для увеличения крутящего момента.

Средневековье и Ренессанс

В Средние века архимедов винт продолжал использоваться в Европе и исламском мире. Арабские инженеры (например, Аль-Джазари, XII–XIII века) создавали сложные водоподъёмные машины на основе винта, часто комбинируя его с водяными колёсами и цепными передачами. В Европе архимедов винт применялся для осушения болот, в горном деле (для откачки воды из шахт) и в городских водопроводах.

В эпоху Возрождения интерес к античным механизмам возродился. Леонардо да Винчи в своих записных книжках делал эскизы усовершенствованных архимедовых винтов, в том числе с переменным шагом и конической формой. Однако многие его идеи остались нереализованными.

Новое время

В XVIII–XIX веках, с развитием металлургии и паровых машин, архимедов винт стал применяться в промышленных масштабах. В 1746 году английский инженер Джон Смитон использовал винтовые насосы для осушения доков в Портсмуте. В XIX веке архимедовы винты начали изготавливать из чугуна и стали, что повысило их долговечность и производительность.

Особое значение архимедов винт приобрёл в сельском хозяйстве: в России и Европе его применяли для орошения полей, а в Голландии — для осушения польдеров (низменных земель, отвоёванных у моря). В России архимедов винт использовался на водяных мельницах и в системе водоснабжения усадеб.

XX–XXI века

В XX веке архимедов винт был вытеснен более эффективными центробежными насосами в большинстве областей, но сохранил свою нишу. Он оказался незаменимым для перекачки вязких, абразивных и загрязнённых жидкостей (сточные воды, пульпа, иловые осадки), а также сыпучих материалов (зерно, цемент, песок). В 1970-х годах в Германии и Нидерландах были разработаны современные винтовые насосы с большим диаметром (до 5 метров) для очистных сооружений и гидротехнических систем.

В России архимедов винт применяется в коммунальном хозяйстве (канализационные насосные станции), в горнодобывающей промышленности (для транспортировки руды и шлама) и в сельском хозяйстве (для подачи воды на поля, особенно в регионах с дефицитом электроэнергии, где возможен механический привод от ветряка или водяного колеса).

Классификация

Архимедовы винты классифицируют по нескольким признакам:

По типу привода

• Ручные — вращаются вручную с помощью рукоятки. Применяются в небольших хозяйствах и для демонстрационных целей.
• Механические — приводятся в движение от водяного колеса, ветряка, паровой машины или двигателя внутреннего сгорания.
• Электрические — наиболее распространённый тип в современной промышленности, оснащённый электродвигателем.

По конструкции кожуха

• Закрытые (трубчатые) — винт вращается внутри герметичной трубы. Обеспечивают высокий напор и защиту от загрязнений.
• Открытые (жёлобные) — винт вращается в открытом жёлобе. Используются для перекачки жидкостей с крупными включениями, так как зазоры между винтом и стенками могут быть большими.

По материалу изготовления

• Деревянные — исторические конструкции, применялись до XIX века.
• Металлические — из чугуна, стали, нержавеющей стали (для агрессивных сред).
• Пластиковые — из полимеров (полиэтилен, полипропилен) для лёгких и коррозионно-стойких насосов.

По шагу винта

• Постоянного шага — расстояние между витками одинаково по всей длине.
• Переменного шага — шаг изменяется для оптимизации производительности или напора.

Применение

Сельское хозяйство

Архимедов винт используется для орошения полей, подачи воды из колодцев и рек, а также для перекачки навозной жижи и силосной массы. В развивающихся странах ручные винтовые насосы остаются доступным средством водоснабжения.

Коммунальное хозяйство

На очистных сооружениях и канализационных насосных станциях архимедовы винты (часто называемые «шнековыми насосами») применяются для подъёма сточных вод, содержащих твёрдые частицы, песок и жиры. Они не забиваются, как центробежные насосы, и могут работать в полузатопленном режиме.

Горнодобывающая промышленность

Винтовые насосы транспортируют пульпу (смесь воды с измельчённой рудой), шламы и хвосты обогащения. Они устойчивы к абразивному износу и могут перекачивать материалы с плотностью до 1,5–2 т/м³.

Пищевая промышленность

Архимедов винт применяется для перемещения зерна, муки, сахара, семян и других сыпучих продуктов. В этом случае он работает как конвейер (шнековый транспортёр) без жидкости.

Гидротехника и мелиорация

В Нидерландах и других странах с низменными территориями архимедовы винты до сих пор используются для осушения польдеров. Современные винтовые насосы могут поднимать воду на высоту до 10–15 метров при производительности до 10 000 м³/ч.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Простота конструкции и высокая надёжность (мало движущихся частей).
• Способность перекачивать загрязнённые, вязкие и абразивные среды без засорения.
• Возможность работы в широком диапазоне производительности (регулировка частоты вращения).
• Низкие эксплуатационные расходы (не требует сложного обслуживания).
• Экологичность — может работать от возобновляемых источников энергии (вода, ветер).

Недостатки

• Относительно низкий КПД (40–60%) по сравнению с центробежными насосами (80–90%).
• Большие габариты и масса при высокой производительности.
• Ограниченная высота подъёма (обычно не более 10–15 метров на один винт).
• Необходимость наклона конструкции, что требует дополнительного пространства.

Интересные факты

• Архимедов винт считается прообразом современных шнековых механизмов, используемых в мясорубках, соковыжималках и экструдерах.
• В 2006 году в Нидерландах был установлен рекорд: архимедов винт диаметром 5 метров и длиной 25 метров перекачивал 10 000 м³ воды в час.
• В России архимедовы винты применялись на водяных мельницах в XIX веке, например, на мельнице в усадьбе Кусково (Москва).
• В космонавтике принцип архимедова винта используется в некоторых типах топливных насосов для подачи криогенных жидкостей.

Источники

1. Витрувий. «Десять книг об архитектуре». Книга X, глава 6.
2. Герон Александрийский. «Пневматика».
3. Уиттл, Т. «История насосов: от Архимеда до наших дней». Лондон, 1998.
4. Козлов, И. А. «Водоподъёмные машины в сельском хозяйстве». Москва, 1952.
5. Справочник по насосам и насосным станциям. Под ред. В. И. Калицун. Москва, 2015.
6. «Archimedes screw pumps: design and application». International Water Association, 2010.