Винт Архимеда

Винт Архимеда — это устройство для подъёма воды и других сыпучих или вязких материалов, представляющее собой винтовую поверхность, вращающуюся внутри наклонной трубы или жёлоба. Относится к классу гидравлических машин и механизмов для перемещения жидкостей. Назван в честь древнегреческого учёного Архимеда Сиракузского (ок. 287–212 до н. э.), которому приписывается его изобретение в III веке до н. э. Винт Архимеда является одним из древнейших известных гидротехнических устройств и до сих пор применяется в различных областях — от ирригации до очистки сточных вод.

История

Античность

Согласно античным источникам, в частности сочинениям римского архитектора Витрувия (I век до н. э.), Архимед изобрёл винт во время своего пребывания в Египте, где он наблюдал за работой египетских земледельцев, вычерпывающих воду из Нила. Необходимость подъёма воды на более высокие уровни для орошения полей побудила учёного создать механизм, который мог бы выполнять эту работу непрерывно и с меньшими усилиями. Витрувий подробно описал конструкцию: длинный деревянный вал с винтовой нарезкой, установленный в наклонном положении в трубе; при вращении вала вода поднималась по спирали вверх.

Однако некоторые историки техники предполагают, что винтовые насосы могли существовать и до Архимеда — например, в Ассирии или Вавилоне. Тем не менее, именно Архимед, по-видимому, дал математическое обоснование работы устройства и способствовал его широкому распространению в эллинистическом мире. Винт Архимеда использовался в Древнем Риме для осушения шахт и откачки воды из трюмов кораблей.

Средневековье и Новое время

В Средние века винт Архимеда продолжал применяться в Европе и арабском мире. В арабской гидротехнике он был известен как «табут» или «машина для подъёма воды». В эпоху Возрождения интерес к античным механизмам возродился: Леонардо да Винчи изучал и совершенствовал конструкцию винта, предлагая варианты с металлическими винтами и усовершенствованными подшипниками.

С развитием промышленной революции в XVIII–XIX веках винт Архимеда начали изготавливать из чугуна и стали. Он стал применяться в горном деле для откачки воды из шахт, а также в мельницах и системах водоснабжения. В России винтовые насосы использовались при строительстве каналов и осушении болот, например, в окрестностях Санкт-Петербурга.

Современность

В XX веке винт Архимеда был вытеснен центробежными насосами в большинстве промышленных применений, однако сохранил свою нишу в ряде специальных задач. В 1970-х годах в Германии началось использование винтовых насосов для перекачки сточных вод и осадка, что привело к возрождению интереса к технологии. В настоящее время винт Архимеда применяется в очистных сооружениях, в системах полива, в сельском хозяйстве для подъёма воды из колодцев и в некоторых гидроэнергетических установках (например, в малых гидроэлектростанциях).

Устройство и принцип действия

Конструкция

Классический винт Архимеда состоит из следующих основных элементов:

• Вал — центральный стержень, вокруг которого навита винтовая поверхность.
• Винтовая поверхность (спираль) — может быть выполнена из металла, дерева или пластика. Шаг винта (расстояние между витками) определяет производительность и высоту подъёма.
• Труба или жёлоб — внешний кожух, в котором вращается винт. Труба обычно наклонена под углом 30–45° к горизонту.
• Привод — рукоятка, колесо или электродвигатель, обеспечивающий вращение винта.

В современных модификациях винт может быть выполнен без центрального вала (так называемый «безвальный» винт Архимеда), что позволяет перекачивать жидкости с крупными включениями, например, сточные воды с твёрдыми частицами.

Принцип работы

Устройство работает следующим образом:

1. Нижний конец наклонной трубы погружается в воду (или другую жидкость).
2. При вращении винта вода захватывается нижними витками и начинает подниматься вверх по спирали.
3. Каждый последующий виток подхватывает порцию воды и перемещает её выше, пока вода не достигнет верхнего конца трубы, где выливается в приёмный резервуар.

Подъём воды происходит за счёт того, что винтовая поверхность, вращаясь, создаёт наклонные плоскости, по которым вода скользит вверх под действием силы тяжести и вращательного движения. Важно, что винт Архимеда не создаёт высокого давления, как центробежный насос, а работает как объёмный насос, перемещая жидкость порциями.

Характеристики

• Высота подъёма — обычно не превышает нескольких метров (до 10–12 м в классических конструкциях), хотя в современных вариантах может достигать 20 м.
• Производительность — зависит от диаметра винта, частоты вращения и угла наклона. Крупные винты могут перекачивать до нескольких тысяч кубометров воды в час.
• КПД — относительно высокий, около 70–85% для хорошо спроектированных устройств.
• Скорость вращения — низкая, обычно 10–30 об/мин, что обеспечивает плавную работу и низкий износ.

Классификация

По типу привода

• Ручные — приводятся в движение мускульной силой человека или животных. Использовались в древности и в некоторых традиционных хозяйствах.
• Механические — с приводом от водяного колеса, ветряка или паровой машины. Были распространены в XIX веке.
• Электрические — современные винты с электродвигателем, наиболее распространённый тип.

По материалу изготовления

• Деревянные — исторические образцы, вырезались из цельного ствола или собирались из досок.
• Металлические — чугунные, стальные или алюминиевые. Используются в промышленности.
• Пластиковые — лёгкие и коррозионно-стойкие, применяются в сельском хозяйстве и быту.

По назначению

• Водоподъёмные — для орошения, водоснабжения, осушения.
• Насосы для сточных вод — для перекачки загрязнённых жидкостей с твёрдыми включениями.
• Транспортёры сыпучих материалов — модификации винта Архимеда используются для перемещения зерна, песка, цемента и других сыпучих веществ (так называемые шнековые транспортёры).

Применение

Ирригация и сельское хозяйство

Винт Архимеда исторически был основным средством подъёма воды для полива полей в Египте, Месопотамии, Греции и Риме. В современном сельском хозяйстве он применяется для подачи воды из колодцев, рек и прудов на небольшие высоты, особенно в регионах с дефицитом электроэнергии, так как может работать от ручного привода или от ветряка.

Очистка сточных вод

В современных очистных сооружениях винт Архимеда используется для перекачки сточных вод, осадка и ила. Его преимущество — способность работать с жидкостями, содержащими крупные твёрдые частицы, волокна и жиры, без засорения. Такие винты часто устанавливаются на входе в очистные станции для подъёма стоков на уровень первичных отстойников.

Горное дело

В XIX веке винт Архимеда широко применялся для откачки воды из шахт. В некоторых регионах, например, в Австралии и Южной Африке, он используется до сих пор для осушения карьеров и рудников.

Гидроэнергетика

Винт Архимеда может работать в обратном направлении — как гидротурбина. Если воду подавать на верхний конец винта, он будет вращаться, вырабатывая механическую энергию, которую можно преобразовать в электричество. Такие «винтовые гидротурбины» применяются в малых гидроэлектростанциях (мощностью до 500 кВт) на реках с низким напором. Они экологичны, так как не требуют строительства плотин и не препятствуют миграции рыб.

Производство и транспорт

Шнековые транспортёры, основанные на принципе винта Архимеда, используются для перемещения сыпучих материалов — зерна, муки, цемента, песка, угля. Они широко применяются в пищевой, химической и строительной промышленности.

Интересные факты

• Винт Архимеда является одним из немногих изобретений античности, которое сохранилось в практически неизменном виде до наших дней и продолжает использоваться.
• В некоторых регионах Индии и Африки до сих пор можно встретить ручные винты Архимеда, изготовленные из бамбука и пальмовых листьев.
• Принцип винта Архимеда лежит в основе работы мясорубки, ручного бура и некоторых видов экструдеров.
• В 2015 году группа учёных из Оксфордского университета реконструировала винт Архимеда по описаниям Витрувия и доказала, что его КПД может достигать 85%, что сопоставимо с современными центробежными насосами.

Критика и ограничения

Основным недостатком винта Архимеда является ограниченная высота подъёма — для подъёма воды на значительную высоту требуется каскад из нескольких винтов, что увеличивает сложность и стоимость системы. Кроме того, винт Архимеда менее эффективен при перекачке чистых жидкостей на большие расстояния по сравнению с центробежными насосами. Его применение также ограничено низкой скоростью вращения, что требует использования редукторов или больших колёс.

Источники

• Витрувий. «Десять книг об архитектуре». Книга X, глава 6.
• Диодор Сицилийский. «Историческая библиотека». Книга I.
• Oleson, J. P. «Greek and Roman Mechanical Water-Lifting Devices: The History of a Technology». University of Toronto Press, 1984.
• Rorres, C. «The Archimedes Screw: A Study in Ancient Engineering». Journal of Hydraulic Engineering, 2000.
• Müller, G. «The Archimedes Screw as a Turbine». Renewable Energy, 2004.