水电工程水车设计

水力能源水车设计
水能图标水能是一种将流动的水的动能转化为机械能或电能的技术，最早用于将流动的水的能量转化为可用功的装置之一是水车设计。
水车的设计随着时间的推移不断发展，有些水车是垂直定向的，有些是水平定向的，有些还附有精心设计的滑轮和齿轮，但它们的设计都是为了完成相同的功能，也就是“将流动的水的线性运动转换为一种旋转运动，可用于驱动通过旋转轴与其相连的任何机器”。

典型的水车设计
早期的水车设计是非常原始和简单的机器，由一个垂直的木轮组成，木叶或木桶均匀地固定在它们的圆周上，它们都支撑在水平轴上，水流在其下方流动的力将轮子沿切线方向推向叶片.
这些垂直水车大大优于古希腊人和埃及人早期的水平水车设计，因为它们可以更有效地运行，将流动的水的动量转化为动力。然后将滑轮和齿轮装置连接到水车上，使旋转轴的方向从水平变为垂直，以便操作磨石、锯木、破碎矿石、冲压和切割等。

水轮设计的类型
大多数水车也称为水车或简称水车，是绕水平轴旋转的垂直安装的轮子，这些类型的水车按相对于轮轴的水施加到轮子的方式进行分类。正如您所料，水车是相对较大的机器，它以低角速度旋转，并且由于摩擦损失和水桶未完全填充等原因，效率低下。
水推动轮子桶或桨的作用会在轴上产生扭矩，但通过将水从轮子上的不同位置引导到这些桨和桶，可以提高旋转速度及其效率。两种最常见的水车设计类型是“下冲式水车”和“上冲式水车”。

下射式水轮设计
Undershot水轮设计，也称为“流轮”是古希腊人和罗马人设计的最常用的水车类型，因为它是最简单、最便宜和最容易建造的水轮类型。
在这种类型的水车设计中，轮子直接放置在快速流动的河流中并从上方支撑。下面水的运动对轮子下部的水下桨产生推动作用，使其仅相对于水流方向沿一个方向旋转。
这种类型的水车设计通常用于没有自然坡度的平坦地区或水流足够快的地方。与其他水轮设计相比，这种设计效率非常低，只有 20% 的水势能被用于实际旋转轮子。此外，水的能量仅用于旋转轮子一次，之后它与其余的水一起流走。
下射水轮的另一个缺点是它需要大量的水高速移动。因此，下射水车通常位于河岸，因为较小的溪流或小溪在流动的水中没有足够的势能。
稍微提高下射水车效率的一种方法是沿着狭窄的渠道或管道从河流中分流一定比例的水，以便 100% 的分流水用于旋转轮子。为了实现这一点，下射轮必须很窄并且非常精确地安装在通道内，以防止水从侧面溢出或通过增加桨的数量或尺寸。

过冲水车设计
Overshot 水车设计是最常见的水车设计类型。上筒式水车的结构和设计比以前的下筒式水车更复杂，因为它使用桶或小隔间来接水和盛水。
这些水桶装满了从轮子顶部流入的水。当轮子另一侧的空桶变轻时，满桶中水的重力导致轮绕其中心轴旋转。
这种类型的水车利用重力来提高输出以及水本身，因此上冲式水车比下冲式设计更有效，因为几乎所有的水及其重量都用于产生输出功率。然而，和以前一样，水的能量只使用一次来旋转轮子，之后它会与其余的水一起流走。
Overshot 水车悬挂在河流或溪流上方，通常建在山坡上，从上方供水，水头低（顶部的水与下方的河流或溪流之间的垂直距离）在 5 到-20 米。可以建造一个小水坝或堰，用于引导和增加水流到轮子顶部的速度，从而为轮子提供更多能量，但帮助轮子旋转的是水的体积而不是水的速度。

通常，打捞水车的尺寸尽可能大，以便为水的重力提供最大可能的头部距离，从而使水轮旋转。然而，由于轮子和水的重量，大直径水轮的构造更加复杂和昂贵。
当单个桶装满水时，水的重力使轮子沿水流方向旋转。随着旋转角度越来越接近轮子的底部，桶内的水会排入下面的河流或溪流中，但在它后面旋转的桶的重量使轮子继续以它的速度旋转。空桶继续围绕旋转的轮子，直到它再次回到顶部准备装满更多的水，然后循环重复。溢流水车设计的缺点之一是水在流过车轮时只使用一次。

Pitchback 水车设计
Pitchback Water Wheel Design 是之前打头水车的一种变体，因为它还利用水的重力来帮助旋转水轮，但它还利用其下方的废水流来提供额外的推动力。这种类型的水车设计使用低水头进水系统，该系统从上方的水槽提供靠近水轮顶部的水。
与将水直接引导到轮子上方使其沿水流方向旋转的过冲水车不同，后倾水车通过漏斗将水垂直向下输送到下方的桶中，从而使轮子向相反方向旋转上面的水流方向。
就像之前的过冲水车一样，桶中水的重力使水轮以逆时针方向旋转。当旋转角度接近轮子底部时，被困在桶内的水会从下面排空。当空桶连接到轮子上时，它会像以前一样继续与轮子一起旋转，直到它再次回到顶部准备装满更多的水，然后循环重复。
这次不同的是，从旋转桶中倒空的废水向旋转轮的方向流走（因为它无处可去），类似于下射水轮原理。因此，斜背式水车的主要优点是它两次使用水的能量，一次来自上方，一次来自下方，使水轮绕其中心轴旋转。
结果是水车设计的效率大大提高到水域能量的 80% 以上，因为它是由进水的重力和从上方引导到桶中的水的力或压力驱动的，如以及下面推动桶的废水流。斜背式水车的缺点是它需要一个稍微复杂的供水装置，直接位于带有滑槽和水槽的轮子上方。

乳房水车设计
胸射水轮设计是另一种垂直安装的水轮设计，水在轴高的一半处或刚好在其上方进入桶，然后在轮子旋转的方向从底部流出。通常，胸射水车用于水头不足以从上方为打捞或后仰水车设计提供动力的情况。
这里的缺点是水的重力仅用于大约四分之一的旋转，这与以前旋转一半的重量不同。为了克服这种低水头高度，水车桶被做得更宽，以从水中提取所需的势能。
Breastshot 水车使用与水大致相同的重力来旋转轮子，但由于水头高度约为典型水车的一半，因此水桶比以前的水车设计宽得多，以增加水量被水桶夹住了。这种设计的缺点是增加了每个桶承载的水的宽度和重量。与前背式设计一样，胸射轮使用水的能量两倍，因为水轮设计为坐在水中，允许废水在顺流而下时帮助轮子旋转。

使用水车发电
历史上，水轮已用于碾磨面粉、谷物和其他此类机械任务。但水轮也可用于发电，称为水力发电系统。通过将发电机直接或间接使用传动皮带和皮带轮连接到水车旋转轴上，水车可用于一天 24 小时连续发电，这与太阳能不同。如果水车设计正确，小型或“微型”水力发电系统可以产生足够的电力来为普通家庭的照明和/或电器供电。
寻找旨在以相对较低的速度产生最佳输出的水轮发电机。对于小型项目，小型直流电机可用作低速发电机或汽车交流发电机，但这些电机旨在以更高的速度工作，因此可能需要某种形式的传动装置。风力涡轮发电机是理想的水车发电机，因为它专为低速、高输出运行而设计。
如果您的家或花园附近有一条流速相当快的河流或溪流可供您使用，那么小型水力发电系统可能是替代其他形式的可再生能源（如“风能”或“太阳能”）的更好选择”，因为它的视觉冲击要小得多。也就像风能和太阳能一样，通过连接到当地公用电网的并网小型水车设计的发电系统，您产生但不使用的任何电力都可以卖回电力公司。
在下一个关于水力能源的教程中，我们将看看不同类型的涡轮机，我们可以将它们附加到我们的水轮设计中以进行水力发电。有关水车设计以及如何利用水力发电的更多信息，或获取有关各种可用水车设计的更多水能信息，或探索水能的优缺点，请单击此处订购您的副本来自亚马逊今天关于可用于发电的水车的原理和构造。