旧式水车的设计方法

1、 水车的组成下图是旧式水车的一种典型结构。2、 水车的工作原理水车一般都是建在水流湍急的地方，利用上游的水流推动水车运动，水车运动过程中将低位的水提升到高位，将水的动能转化为势能。工作原理：以上图为例，挡板起到了叶轮的作用，承受水的冲力（由水的动能（速度）提供），获得的能量使水车旋转起来。并克服水车转动的摩擦阻力、以及被提升的水对筒车的反力矩。当水车转过一定角度，原先浸在水里的竹筒（也就是水斗，已灌满了水）将离开水面被提升。此时，由于竹筒的筒口比筒底的位置高（这就是筒口要朝着筒车前进方向的原因），竹筒里会存一些水。当竹筒越过水车顶部（此时竹筒开始倒水）之后，筒口的位置相对于筒底开始降低，竹筒里的水就会倒进水槽里。水槽处于想要提升到的高位位置，也可以通过调整水槽的位置，使水槽能够接到更多的水。从工作原理来看，水车如果旋转太慢，或者提不起水，则需要采取如下措施：（1）增大水对挡板的冲击作用，要么在筒车上装一些木板或竹板，增大受力面积，使水车获得更多的能量（动能）；要么在水车安放位置认为制造一个引水渠，使水流速度加快；（2）将水车浸入水中更深一些，来获得能量（这样处理，由于竹筒出水时的位置与水车轴线之间的角度更大，筒口与筒底的高差也更大，能够使竹筒内存下更多的水）；（3）减小竹筒体积，否则，筒车从水中获得的能量有限，不足以克服被提起的水对筒车的反力矩（或者说：势能）。水车的特点是本身的效率很低，但无需供给动力。3、 水车的设计水车的设计主要是确定几个要素：水车的直径，水斗的大小，挡板的大小，结构设计，强度设计，引水渠等构筑物建设。其中，水车的直径是依赖于建造者对水提升高度的要求而定，一般，水车直径是水提升目标高度的1.21.5倍，例如，谁要从0米的地方提升到10的地方，那么水车的直径至少是12米，因为部分要侵入水中，水斗倒水的位置也不会是最高点。水斗的大小要依赖于水的冲力大小，冲力越大，水斗自然可以设计的大一些，从而提高提水的效率。结构和强度设计取决于水车的规模，如果水车直径过大，则自重很大，必然要对转轴的强度要求更高。引水渠则需要根据水车安装地点的实际情况进行建设。可见，通过计算可以确定的只是水斗体积和挡板面积的一个关系。下面做一个推算。前提：假定水车半径R，水斗24个，体积为V，挡板24个，挡板面积为S，均匀分布，水流速度（v）1.5米/秒，水的密度（）为1000千克/立方米。则受力分析如下图1。根据其工作原理得：挡板所受冲力产生的动力矩=提升水的重力产生的阻力矩+水车转动的摩擦力矩即：F水×R=M水×g×R+F摩擦×r （1）其中F水=v2S/2，共有三个挡板侵入水中，因此F水=3v2S/2力臂近似为R。M水=V，由于水斗被提升以后，力臂并不等于R，而是等于Rcos，或Rcos2、Rcos3因此，M水×g×R=（V g+2V gcos+2V gcos2+2V gcos3+V gcos4+V gcos5）R（其中两个在水面或水面以下，不考虑）将F水和M水×g×R带入式子（1），得到：3v2S/2×R=（V g+2V gcos+2V gcos2+2V gcos3+V gcos4+V gcos5）×R+F摩擦×r （2）上式中，摩擦力矩于制造的情况相关，是个变量，且相对于水的冲力来说是个小量，在此忽略，可得：3v2S/2×R（V g+2V gcos+2V gcos2+2V gcos3+V gcos4+V gcos5）×R简化后得到：3v2S/2V g（1+2cos+2cos2+2cos3+cos4+cos5） （3）其中：v=1.5米/秒g=10米/秒2=15°带入式子（3），可得到：S/V20.26也就是说，挡板面积值是水斗体积值的20倍以上，才能让水车成功运转起来。