Водяные колеса имеют очень много недостатков. В мороз они покрываются льдом и поэтому зимой работать не могут. Их нельзя поставить там, где вода падает с очень большой высоты. Они медленно вращаются. Самые лучшие колеса используют не больше трех четвертей энергии падения воды.

Водяные колеса не могут дать большую мощность. Добиться большой мощности от водяных колес нельзя потому, что приходится делать их огромного диаметра. Обычно диаметр водяного колеса не превышает 5-6 м. При таких размерах водяное колесо обладает мощностью в 20-30 лошадиных сил. Водяное колесо мощностью в 100 лошадиных сил - это очень редкий гигант. Одно колесо "сверхгигант" сохранилось и до нашего времени в Шотландии, на острове Мэн: колесо развивает мощность в 200 лошадиных сил и делает один оборот в минуту; оно сделано из железа, диаметр его - 22 м, а ширина лопаток - почти 2 м.

В середине прошлого века были изобретены более совершенные водяные двигатели. В отличие от водяных колес они стали называться турбинами. Слово "турбина" - латинское и в переводе на русский язык означает "волчок". Первые турбины действительно напоминали игрушку волчок. Все они имели вертикальный вал и вращались значительно быстрее водяных колес. В настоящее время встречаются турбины и с горизонтальным валом.

Водяные турбины значительно лучше используют энергию воды - почти всю ее. Они дают такую скорость вращения, которая позволяет прямо на валу турбины, без всяких передач, укреплять насосы, электрические генераторы и другие машины. Турбина гораздо меньше водяного колеса и может развить мощность в сотни и тысячи лошадиных сил. Мощность ее зависит от количества и высоты падающей воды.

В настоящее время есть водяные турбины различных систем и различной мощности. Все они устанавливаются не открыто, а заключаются в кожуха. Вода подводится к ним по специальным трубам. Для получения большого напора воды устраиваются огромные плотины.

Чтобы понять устройство и работу турбины, посмотрите на рисунок ниже. На нем показан упрощенный разрез турбины Жонваля, изобретенной во Франции в 1841 году:

Рисунок. Упрощенный разрез турбины Жонваля

Буквой А обозначена труба, через которую к турбине подводится вода. Б - неподвижное колесо, установленное в нижней части трубы, В - наклонные каналы в неподвижном колесе. Через них протекает вода. Они дают ей определенное направление. Г - подвижное колесо. Вода, вытекая из неподвижного колеса, попадает на лопатки подвижного колеса и вращает его. Одновременно с колесом вращается вал Д, на котором укреплено колесо. Движение вала передается машинам.

Вода в турбине падает не на часть лопаток, не на часть колеса, как это было у водяных колес, а сразу на все лопатки колеса турбины.

Турбина закрыта кожухом. Вода уже не разбрызгивается и не проходит мимо. Она вся идет через турбину.

Вот почему энергия воды в турбине используется почти полностью. Сейчас чаше всего строят турбины по типу, предложенному американцем Френсисом.

Он изобрел ее в 1849 году. Такие турбины установлены на большинстве наших гидроэлектрических станций. Турбина Френсиса, так же как и Жонваля, состоит из подвижной части и неподвижной. Но неподвижная часть с направляющими лопатками находится не сверху, как у Жонваля, а окружает подвижную часть кольцом.

Рисунок. Турбина Френсиса

Это неподвижное колесо называется направляющим, а помещающееся внутри него подвижное колесо называется рабочим. Рабочее колесо состоит из длинных одинаково изогнутых лопаток. Вода подводится к турбине как будто по огромной улитке.

В центре улитки стоит турбина. К улитке, которую называют спиральной камерой, вода подводится по напорной трубе.

Турбина Жонваля

Сделать модель турбины системы Френсиса трудно. Трудно изготовить лопатки рабочего колеса, так как они сложно изогнуты. Но мы можем сделать модель турбины типа Жонваля. Чтобы можно было наблюдать за работой турбины, сделаем часть кожуха стеклянной. Такая модель показана на рисунке:

Рисунок. Модель турбины типа Жонваля

В ней А - напорная труба, Б - направляющее колесо, В - рабочее колесо, Г - вал рабочего колеса, Д - кожух (стеклянный цилиндр), Е - резервуар для стока воды.

Для изготовления модели нужно уметь паять.

Ход работы

Начать работу нужно с заготовки стеклянного цилиндра для кожуха. В нем будут помещаться колеса турбины; поэтому величина их зависит от внутреннего диаметра цилиндра. Когда подберете стеклянный цилиндр, можно приступить к изготовлению рабочего и направляющего колес.

Затем можно изготовить напорную трубу, резервуар для стока отработавшей воды и подставку, на которой будет укреплена модель. Когда заготовите все части, соберите модель и отрегулируйте работу. Затем окрасьте эмалевой краской.

Стеклянный цилиндр.

Стеклянный цилиндр можно изготовить из чайного стакана или из бутылки светлого стекла. Высота цилиндра должна быть не меньше 60 мм. У чайного стакана придется обрезать дно, а у бутылки - дно и горлышко. Способов резки бутылки есть несколько. Наиболее простой - это обрезка бечевкой. Этот способ дает и самые лучшие результаты - ровные края обреза. Делается это так. На бутылке нужно наметить карандашом линию обреза или процарапать ее напильником. По обе стороны черты бутылку туго обертывают двумя полосками бумаги или тонкого картона. Между полосками (по линии обреза) должен остаться промежуток в 3-4 мм. Один конец прочной бечевки длиной в 2-2,5 метра привязывается к ручке двери, водопроводному крану или еще к чему-либо. Второй конец бечевки перекидывается вокруг бутылки (между полосками бумаги) и обвязывается вокруг талии. Затем нужно взять бутылку обеими руками и двигать вперед и назад. Стекло будет натираться бечевкой и разогреваться.

Рисунок. Стеклянный цилиндр

Когда почувствуете запах гари (от бечевки), быстро скиньте бечевку и опустите бутылку в холодную воду. Ведро холодной воды нужно приготовить заранее и держать поближе. Если есть водопровод, можно воспользоваться струей воды из крана, который также лучше открыть заранее. Как только вода попадет на разогретое стекло, бутылка лопнет. Иногда края цилиндра получаются не вполне ровными. Выступающие неровности нетрудно подровнять плоским напильником. Во время работы напильник нужно смачивать водой, а еще лучше - скипидаром.

Чтобы сделать края цилиндра гладкими, их можно отшлифовать наждачной бумагой.

Положите на стол четверть или восьмушку листа наждачной бумаги и водите по ней краями цилиндра.

Когда цилиндр будет готов, нужно измерить его внутренний диаметр. Возьмите линейку с миллиметровыми делениями и поставьте конец ее на внутренний край цилиндра. Не отнимая конца линейки от края цилиндра, двигайте другой конец линейки вправо и влево. В это время следите, какое самое большое деление на линейке будет доходить до противоположной стороны цилиндра. Это и будет его диаметр. Отрезанный от бутылки цилиндр в нашей модели имеет такие размеры: высота - 60 мм, внутренний диаметр - 70 мм.

Рабочее колесо.

Рабочее колесо модели состоит из колеса с лопатками и вала. Диаметр колеса должен быть на 4-5 мм меньше внутреннего диаметра цилиндра, чтобы колесо во время вращения не задевало за стенки. Колесо сделайте из жести от консервных банок. Начертите на жести окружность радиусом в 33 мм и разделите ее на двенадцать равных частей. Можно разделить и на 10-15 частей, но делить на 12 гораздо проще: делим сначала на 6 частей (откладывая по окружности радиус), а затем каждую часть делим пополам. Из того же центра прочертите вторую окружность - малую - радиусом в 7 мм.

Рисунок. Лепестки рабочего колеса модели турбины типа Жонваля

Полученные двенадцать делений большой окружности прочертите до малой. По большой окружности вырежьте кружок и надрежьте его по намеченным линиям до малой окружности.

Получилось как бы двенадцать лепестков. Это будущие лопатки подвижного колеса. Выгните каждую лопатку так, чтобы получилось колесо, показанное на рисунке:

Рисунок. Рабочее колесо модели турбины типа Жонваля

Заготовьте вал. Лучше всего сделать его из вязальной спицы, но можно и из железной проволоки толщиной в 3-3,5 мм, лишь бы она была прямой.

Длина вала должна быть 300 мм. Заострите один конец вала напильником и зачистите шкуркой. Проделайте в центре колеса отверстие с таким расчетом, чтобы вал туго входил в него, и припаяйте колесо к валу на расстоянии 50 мм от острого конца. Вал должен стоять точно под прямым углом к колесу.

Направляющее колесо.

Диаметр направляющего колеса должен быть примерно равен внутреннему диаметру стеклянного цилиндра. Можно сделать направляющее колесо чуть меньшего диаметра. В нашей модели радиус направляющего колеса взят в 34 мм. Заготовьте жесть от консервной банки и начертите на ней окружность радиусом 34 мм; разделите ее на двенадцать равных частей. Из того же центра начертите малую окружность радиусом 7 мм. Вырежьте кружок по большой окружности и надрежьте его до малой, как и в рабочем колесе. Выгните лопатки, но так, чтобы они были направлены в обратную сторону по сравнению с рабочим колесом. Направляющее колесо готово:

Рисунок. Направляющее колесо

Напорная труба.

Напорная труба модели входит в стеклянный цилиндр. Значит, ее размеры зависят от размеров стеклянного цилиндра. Измерьте полоской бумаги внутреннюю окружность стеклянного цилиндра (в нашей модели длина окружности цилиндра - 219 мм).

Вырежьте из консервной банки пластинку размером 150х225 мм и согните из нее трубу высотой в 150 мм.

Рисунок. Напорная труба

Пластинка взята не 219 мм, а 225 мм для того, чтобы иметь запас на шов. Труба должна входить в стеклянный цилиндр поплотнее. Чтобы добиться этого, нужно примерить трубу сначала без шва и заметить, сколько пустить на шов. Труба должна входить в стеклянный цилиндр не глубже чем на 10 мм. Чтобы она не опускалась ниже, на ней нужно сделать упор. Согните из мягкой железной проволоки толщиной в 1-1,5 мм кольцо и припаяйте его к трубе на расстоянии 10 мм от конца. Это низ напорной трубы. На верхнем конце трубы нужно сделать подшипник для вала.

Вырежьте из консервной банки полоску жести размером 30х70 мм и припаяйте ее сверху трубы поперек отверстия. В средине полоски проделайте отверстие для вала. Отверстие должно быть точно в центре трубы. Найти центр можно при помощи бумажного кружка, как описывалось при изготовлении водяных колес.

Вместо припаянной сверху полоски, на трубу можно сделать крышку. Иногда крышку удается подобрать готовой - от банок гуталина или крема. На крышке легче установить передачу движения от вала турбины. Но в этом случае придется сбоку напорной трубы сделать желоб для подачи воды в трубу.

Теперь нужно укрепить внизу трубы направляющее колесо. Разделите край трубы по окружности на двенадцать равных частей. На отметках сделайте ножницами надрезы глубиной 2-3 мм. В надрезы вставьте концы лопастей направляющего колеса и припаяйте их:

Рисунок. Как укрепить внизу трубы направляющее колесо

Резервуар для стока воды.

Резервуар для стока воды можно сделать из дерева или из жести. Он может быть квадратным или круглым, высотой в 60 - 80 мм. Можно использовать большую консервную банку. Если будете делать резервуар из жести, вырежьте полосу 80 X 400 мм. Согните ее в цилиндр и вставьте в него дно. Если не умеете вставлять жестяное дно, сделайте деревянное. В этом случае резервуар проще сделать квадратной формы.

Сбоку, у самого дна резервуара, проделайте отверстие диаметром в 15-20 мм и укрепите в нем трубку или желоб для выпуска воды. Хорошенько прокрасьте резервуар внутри и снаружи эмалевой краской.

Подставка.

Рабочее колесо модели помещается в кожухе.

Нужно укрепить нижний конец вала рабочего колеса и стеклянный цилиндр над резервуаром для стока воды, - нужна подставка. Сначала укрепим цилиндр. Измерьте длину наружной окружности цилиндра. Вырежьте из жести от консервной банки полоску шириной в 20 мм, а длиной на 10 мм больше длины окружности цилиндра, - запас взят на шов. Прочертите в длину полоски посредине прямую линию и с одного края вырежьте зубцы:

Pисунок. Подставка

Согните полоску в кольцо с таким расчетом, чтобы стеклянный цилиндр плотно входил в него. Шов хорошо пропаяйте. Вставьте в кольцо стеклянный цилиндр и загните все зубцы внутрь цилиндра. Получится жестяной ободок:

Рисунок. Жестяной ободок

Его нужно укрепить над резервуаром для стока воды, вырежьте из жести полоску 30х250 мм. Длину можно взять больше и меньше. На полоске прочертите в длину две линии, отступя на 5 мм от краев. Положите полоску на брусок и по намеченным линиям загните края в одну сторону под прямым углом, чтобы в разрезе получилась буква П:

Рисунок. Как укрепить жестяной ободок над резервуаром для стока воды

Найдите на полоске середину. Отступив от середины по 10 мм в обе стороны, укрепите под ней согнутую из жести скобочку:

Рисунок. Скобочка

Эта скобка будет служить подпятником вала. Сделать ее нужно из полоски жести 20х80 мм. Отмерьте от центра полоски по 35 мм и в этих местах надрежьте края.

Согните ее слегка в местах надрезов.

На полоску поставьте заготовленный ободок и припаяйте его:

Рисунок. Как припаять ободок

Согнутые концы полоски - это стойки. Их нужно припаять или приклепать к стенкам резервуара для стока воды.

Теперь в полоске, к которой припаян жестяной ободок, найдите середину, центр. В центре проделайте отверстие для вала.

Сборка модели:

Вставьте стеклянный цилиндр в жестяной ободок. В цилиндр вставьте рабочее колесо. Нижний конец вала должен пройти в отверстие стойки и упереться в подпятник. Верхний конец вала пропустите сквозь отверстие направляющего колеса и поставьте напорную трубу турбины.

Отрегулируйте модель. Вал должен вращаться легко. Лопатки рабочего колеса при вращении не должны задевать ни за стенки кожуха, ни за лопатки направляющего колеса. Промежуток между колесами должен быть не больше 2-3 мм.

Когда все будет в порядке, влейте кружку воды в напорную трубу. Сквозь стеклянные стенки кожуха видно, как идет вода по направляющему колесу, как вода падает на лопатки рабочего колеса и приводит его в движение. Уменьшая и увеличивая струю воды, можно наблюдать, как изменяется работа турбины.

Отделка модели:

После испытания модели ее нужно насухо вытереть и окрасить. Наружные части окрасьте в черный цвет, внутренние - в белый или голубой. Чтобы яснее выделялись колеса - рабочее и направляющее, - окрасьте рабочее колесо в красный цвет, а направляющее - в какой-нибудь другой. Перед окраской все неровности и шероховатости сгладьте сначала напильником, а потом наждачной бумагой.