Вода качает воду
Недавно мы рассказывали о гидротаранах и гидропульсорах - механизмах, которые позволяют высоко поднимать воду за счёт её малого напора. (Конечно же закон сохранения энергии здесь не нарушается, поскольку наверх перекачивается не вся вода, а лишь небольшая её часть.) В этот раз мы расскажем о других гидроприводных насосах, изобретённых в разных странах мира.
Стоит отметить, что почти везде, куда дотянулись электрические сети, сегодня установлены электронасосы. Описанные в статье решения применяются редко. Но они заслуживают внимания хотя бы как примеры смекалки и оригинальной конструкторской мысли.
Гидропневматические «качели»
В журнале «Изобретатель и рационализатор» за январь 1961 года был описан водоподъёмник токаря Черепнова. Беря воду из родника на склоне холма, система поднимает её на вершину, где расположена водонапорная башня. Как отмечено в статье, «гидравлическая установка действует по принципу "качелей": слив определённого количества воды обеспечивает подъём её части на некоторую высоту над источником». Основные элементы системы: водонапорный бак, колодец источника, напорный и воздушный герметичные баки с клапанными механизмами, соединительные трубы.
Производительность такого водоподъёмника зависит от дебита источника, высоты подъёма воды, диаметра труб. Построенная в колхозе «Заветы Ильича» Горьковской (ныне Нижегородской) области система за счёт напорного перепада воды в 8,2 м поднимала на семиметровую высоту свыше 21 кубометра воды в сутки. За пятнадцатиминутный цикл зарядки баков в водонапорную башню поступало 222 литра, а из воздушного бака сливалось 507 литров воды.
Гидроусилитель
Австралийский предприниматель Бретт Порта выпускает оригинальные насосы марки Bunyip, изготовленные, что любопытно, с использованием автомобильных покрышек. В отличие от гидротаранов, где периодически происходят жёсткие гидроудары, здесь создаются мягкие гидротолчки, сила которых ограничивается пружинами и эластичностью покрышки (рис. 1). Давление, необходимое для подъёма воды, создаётся поршнем.
(Иллюстрация: Бретт Порта)
Удивительно, но перепада высот в 0,7 метра в напорной трубе диаметром 10 см достаточно для того, чтобы закачивать воду на высоту до 36 метров! Этот эффект объясняется большим соотношением диаметров покрышки и насосного поршня.
Прямолинейный вариант
Целый ряд моделей водоподъёмников включает многопропеллерную осевую турбину в металлической или пластмассовой трубе. Вал турбины напрямик либо через редуктор соединён с насосом того или иного типа. На местности труба, как правило, располагается под наклоном. Максимальная мощность достигается, когда труба заполнена водой примерно наполовину. Установки можно включать параллельно и последовательно.
При попадании в такую турбину камней, веток и другого мусора возникают проблемы, поэтому вход в неё закрывается решёткой, которая может требовать каждодневной чистки. Помимо этого нужно следить за дном у входа, чтобы не заиливался.
Все многопропеллерные турбины позволяют использовать минимальный перепад высот (0,25-1 м), но сильно разнятся по производительности. Высота подъёма воды зависит от передаточного механизма и вида применяемого насоса. Некоторые модели дополнены генератором, чтобы заодно вырабатывать электроэнергию. В этом секторе известна продукция компаний Plata pump, Turbopump и Hydrobine.
Модули для сборки
Вертикальные турбонасосные установки, получившие распространение в Китае и Вьетнаме, включают объединённые в единую систему осевые турбины (обычно это турбины Каплана) и центробежные насосы. В одних случаях оба элемента имеют общую ось (см. рис. 2), в других - между ними находится мультипликатор оборотов.
Основные характеристики оборудования - это диаметр турбинного колеса и соотношение подъёмной и напорной высот (например, 40 см и 6:1). В случае поворотно-лопастных турбин и оптимального напора система способна обеспечить высокий КПД - до 70%. Турбонасосы чаще всего применяются при малых и средних перепадах между уровнями верхнего и нижнего бьефов.
Выпускаемое в Китае модульное оборудование стоит относительно недорого и позволяет гибко менять характеристики системы (скажем, турбины можно включить параллельно, а насосы - последовательно). Поскольку для применения турбонасосов требуются серьёзные подготовительные и строительные работы (обустройство каналов, плотин, затворов, рыбоподъёмников...), их желательно комбинировать с агрегатами ГЭС.
Колёсные «манометры»
Спиральные насосы, совмещённые с водяным колесом, применяются по крайней мере уже три с половиной века. Чертёж такого насоса, датированный 1746 годом, найден в Цюрихе. Система проста. Тонкая труба (основной элемент насоса) может быть скручена в виде плоской спирали (тогда насос называют «манометрическим», см. рис. 3), геликоида или многослойной обмотки на катушке.
(Фото: Aquista)
В отличие от описанных выше гидроприводных насосов, работающих на давлении воды, здесь используется кинетическая энергия потока. Существуют как мобильные модели, которые фермеры могут оперативно перевозить с места на место, так и стационарные установки для монтажа в ирригационных каналах. Так, стационарный насос HyPump нидерландской компании aQuista, установленный в испанской Лирии, способен поднимать воду со скоростью 6 л/с на высоту 35 метров или подавать её по горизонтальному трубопроводу на расстояние до 3,5 км.
В потоке
Кинетическую энергию воды также используют потоковые турбины, погружаемые в реку или в канал с быстрым течением. Здесь существует множество разнообразных конструкций, включая турбины Гармана, Тайсона и самоприводной насос Марковича. В них обычно используются центробежные или поршневые водяные насосы. Подобные установки чаще всего размещаются на реках, которые по каким-то причинам нельзя перегородить запрудами.
Напоследок упомянем оригинальную конструкцию линейной турбины новозеландской компании Tuapeka (см. рис. 4).
В ней вместо крыльчатки используются движущиеся поперёк течения подводные крылья, что позволяет эффективно собирать энергию реки на неглубоких её участках.
Читайте другие наши материалы
