Где и когда было изобретено первое водяное колесо достоверно не известно. Однако изобретение водяного колеса имело огромное значение для истории техники. Впервые человек получил в свое распоряжение надежный, универсальный и очень простой в своем изготовлении двигатель. В I веке до н. э. римлянин Витрувий в своем трактате «Десять книг об архитектуре» приводит описание конструкции так называемого «нижнебойного» водяного колеса. «Нижнебойное» или «подливное» водяное колесо приводится во вращение воздействием водяного потока на нижние лопасти.
Обыкновенное нижнебойное (подливное) водяное колесо:
1 – впускная стенка; 2 – колесо; 3 – лопатки
Эти колеса устраивались на реках, имеющие большую скорость течения, и при подаче воды под напором. В таком обыкновенном водяном колесе вода подавалась под колесо и действовала на его лопатки ударом. При такой работе колеса часть воды утекает между дном и краями лопаток, отчего часть энергии теряется. Кроме того, энергия затрачивалась и на удар воды о лопатки. Из-за таких потерь коэффициент полезного действия (КПД) этого колеса был не более 30 %. Распространенным типом нижнебойных водяных колес было «висячее» колесо, которое устанавливалось на свободном течении реки и погружалось в воду своими нижними лопатками.
Помимо нижнебойных колес вскоре стали использовать среднебойные и верхнебойные водяные колеса.
Среднебойные водяные колеса устроены так, что вода подается на них в середину колеса или несколько ниже (рис.).
Среднебойное колесо:
1 – перегородка; 2 – колесо; 3 – лопатки; 4 – кожух
Эти колеса использовались при больших расходах воды и при небольших напорах. Под колесом располагался кожух, препятствующий протечкам воды. Впуск воды на колеса устраивался перегородчатый, так что она подавалась на несколько лопаток. В колесе использовалась частично кинетическая, частично потенциальная энергия. КПД колеса составлял 50-60 %.
Верхнебойные водяные колеса (другое название – наливные) приводились во вращение потоком воды, падающим на верхние лопасти (рис.).
Верхнебойное (наливное) колесо:
1 – колесо; 2 – ящики (лопасти колеса); 3 – подводящий лоток
Вода подводилась к колесу в лотке, расположенном на некоторой высоте над верхними лопастями, поэтому в момент касания лопастей вода уже имела некоторую скорость. Лопасти верхнебойного колеса устраивались в виде ящиков без верха: деревянные лопасти имели форму ломаной линии, металлические – криволинейную форму с отверстием в нижней части для выхода воздуха при заполнении лопасти водой.
Верхнебойные колеса использовались при небольшом расходе воды, но при значительном напоре (до 10 м). КПД верхнебойного колеса составлял 75 %. Для получения бỏльшего крутящего момента диаметры водяных колес имели большие размеры – до 15–17 м.
Три основных вида водяных колес:
а – подливное; б – среднебойное; в – наливное
1 – вал; 2 – уровень воды в верхнем бьефе; 3 – уровень воды в нижнем бьефе
Кое-где на реках Днепр, Кура и др. до сих пор работают так называемые «байдачные» водяные колеса, то есть плавучие водяные двигатели в виде подливного колеса старинного типа, установленного на двух поплавках или байдарах (рис).
Лопатки нижней части колеса, погруженные в водяной поток между двумя поплавками, перемещаются силой течения и создают вращение колеса. Колесо укреплено на главном горизонтальном валу в подшипниках, размещенных на двух жестко соединенных друг с другом поплавках. При помощи зубчатой передачи вращение вала передается жерновам мельничного постава и другим станкам или машинам. Так устроены старинные поплавковые водяные мельницы, использующие живую силу свободного речного течения для размола зерна.
Свободнопоточные гидросиловые установки имеют своим основным преимуществом именно отсутствие надобности в плотине, водоподводящем устройстве и водоотводе.
Свободнопоточная поплавковая установка байдачного типа с водяным подливным колесом старинной конструкции
Поплавковые установки могут работать и в половодье, чего иногда не в состоянии сделать гидроустановки обычного плотинного типа. Кроме того, байдачные водяные колеса могут использовать большую ширину потока при относительно малой глубине погружения лопаток. Однако недостатком старинных конструкций свободнопоточных установок являются их чрезмерная громоздкость и тихоходность рабочего колеса (10-16 об/мин).
Вскоре стало очевидным, что движение, создаваемое водяным колесом, можно использовать не только для качания воды, но и для других надобностей, например, для перемалывания зерна. Водяные колеса использовались при устройстве водяных мельниц. Первое упоминание о таких мельницах обнаружено у древнегреческого поэта круга Цицерона Антипарта. В стихотворении, датированном 98 – 90 годами до н. э., Антипарт приветствует появление первых мельниц: «Дайте отдых своим рукам, о работницы, и спите безмятежно! Напрасно будет петух возвещать вам о наступлении утра! Дэо поручила работу девушек нимфам, и они легко теперь прыгают по колесам, так что сотрясаемые оси вертятся вместе со своими спицами и заставляют вращаться тяжелый жернов».
В «Географии» древнегреческого историка и географа Страбона (64–63 годы до н. э. – 23 – 24 годы н. э.) описаны первые водяные мельницы в городе Кайбера на реке Лика, во дворце Понтийского царя Митриада VI Евпатора (120 – 63 годы до н. э) – его именем названа гора Митридат около Керчи. Кабейра находится недалеко от современного турецкого города Никсара. Митридат VI развивал в Малой Азии торговлю и ремесла, что способствовало возникновению водяных мельниц.
Понтийские мельницы с горизонтальным водяным колесом на одном валу во времена царствования Тиграна II, зятя Митридата I, заимствованы армянами. Подобный тип мельниц еще совсем недавно встречался в быстрых армянских реках.
В равнинных местностях скорость течения рек мала для того чтобы вращать колесо силой удара струи. Для создания нужного напора стали запруживать реку, искусственно поднимать уровень воды и направлять струю по желобу на лопатки колеса.
Изобретение водяного колеса как двигателя сразу породило другую задачу – каким образом передать движение от водяного колеса тому устройству, которое должно совершать полезную для человека работу? Для этих целей был необходим специальный передаточный механизм, который мог бы не только передавать, но и преобразовывать вращательное движение.
Разрешая эту проблему, древние механики опять обратились к идее колеса. Простейшая колесная передача работает следующим образом. Представим себе два колеса с параллельными осями вращения, которые плотно соприкасаются своими ободьями. Если теперь одно из колес начинает вращаться (его называют ведущим), то благодаря трению между ободьями начнет вращаться и другое (ведомое). Причем пути, проходимые точками, лежащими на их ободьях, равны. Это справедливо при всех диаметрах колес. Стало быть, большее колесо будет делать по сравнению со связанным с ним меньшим во столько же раз меньше оборотов, во сколько раз его диаметр превышает диаметр последнего. Если мы разделим диаметр одного колеса на диаметр другого, то получим число, которое называется передаточным отношением данной колесной передачи. Представим себе передачу из двух колес, в которой диаметр одного колеса в два раза больше, чем диаметр второго. Если ведомым будет большее колесо, мы сможем с помощью этой передачи в два раза увеличить скорость движения, но при этом в два раза уменьшится крутящий момент. Такое сочетание колес будет удобно в том случае, когда важно получить на выходе большую скорость, чем на входе. Если, напротив, ведомым будет меньшее колесо, мы потеряем на выходе в скорости, но зато крутящий момент этой передачи увеличится в два раза. Эта передача удобна там, где требуется «усилить движение» (например, при подъеме тяжестей). Таким образом, применяя систему из двух колес разного диаметра, можно не только передавать, но и преобразовывать движение.
В реальной практике передаточные колеса с гладким ободом почти не используются, так как сцепления между ними недостаточно жесткие, и колеса проскальзывают. Этот недостаток можно устранить, если вместо гладких колес использовать зубчатые. Первые колесные зубчатые передачи появились около двух тысяч лет назад, однако широкое распространение они получили значительно позже. Дело в том, что нарезка зубьев требует большой точности. Для того чтобы при равномерном вращении одного колеса второе вращалось тоже равномерно, без рывков и остановок, зубцами необходимо придавать особое очертание, при котором взаимное движение колес совершалось бы так, как будто они перемещаются друг по другу без скольжения; тогда зубцы одного колеса будут попадать во впадины другого. Если зазор между зубьями колес будет слишком велик, они станут ударяться друг о друга и быстро обломаются. Если же зазор слишком мал – зубья врезаются друг в друга и крошатся. Расчет и изготовление зубчатых передач представляли собой сложную задачу для древних механиков, но уже они оценили их удобство. Ведь различные комбинации зубчатых колес, а также их соединение с некоторыми другими передачами давали огромные возможности для преобразования движения. Например, после соединения зубчатого колеса с винтом, получалась червячная передача, передающая вращение из одной плоскости в другую. Применяя конические колеса, можно передать вращение под любым углом к плоскости ведущего колеса. Соединив колесо с зубчатой линейкой, можно преобразовать вращательное движение в поступательное, и наоборот, а присоединив к колесу шатун, получают возвратно-поступательное движение. Когда все затруднения, связанные с получением и преобразованием движения, были благополучно преодолены, и появилась водяная мельница. Ее детальное устройство и описал древнеримский механик и архитектор Витрувий.
В 64 году до н. э. Митридат VI был разгромлен римлянами и бежал в Крым, а из Малой Азии в Рим наряду с богатыми трофеями была вывезена идея соединения водяного колеса с жерновом. Взяв вертикальное колесо, используемое для водоподъема, и соединив его зубчатой передачей с жерновом, римляне создали свою конструкцию водяной мельницы – подливную. Именно ее описание приведено Витрувием в десятой книге трактата об архитектуре (16 – 13 годы до н. э.).
Водяное колесо для мельницы (из книги Марка Витрувия, I век до н. э.)
Мельница в античную эпоху имела три основные составные части, соединенные между собой в единое устройство:
1) двигательный механизм в виде вертикального колеса с лопатками, вращаемого водой;
2) передаточный механизм или трансмиссию в виде второго вертикального зубчатого колеса; второе зубчатое колесо вращало третье горизонтальное зубчатое колесо – шестерню;
3) исполнительный механизм в виде жерновов, верхнего и нижнего, причем верхний жернов был насажен на вертикальный вал шестерни, при помощи которого и приводился в движение. Зерно засыпалось из воронкообразного ковша над верхним жерновом.
Создание водяной мельницы считается важной вехой в истории техники. Она стала первой машиной, получившей применение в производстве, своего рода вершиной, которой достигла античная механика, и исходной точкой для технических поисков механики Возрождения. Ее изобретение было первым робким шагом на пути к машинному производству.
В эпоху Карла Великого, в 340 году заимствованная из Рима водяная мельница появилась в Германии, на реке Мозель.
В это же время возникли первые водяные мельницы в Галии (Франция). Во Франции к концу XI века при численности населения 5 миллионов человек было 20 тысяч мельниц. К XII веку благодаря мельницам Франция получила энергетический эквивалент 600 тысяч рабочих рук.
В 1086 году в 34 графствах Англии было 5624 водяные мельницы, то есть одна мельница приходилась, примерно, на 250 жителей.
К XV веку водяной двигатель (гидросиловая установка) получил широкое распространение в Европе при переработке сельскохозяйственной продукции (мукомольные мельницы, маслобойни, сукновальни), в горном деле (подъем воды из шахт), в металлургии (молоты, сверлильные станы, воздуходувки). Общее число водяных мельниц в Европе увеличилось с 300 тысяч в конце XVI века до 500 тысяч в конце XVIII века, а их общая мощность возросла с 600 тысяч лошадиных сил до 2225 тысяч лошадиных сил.
В XVII – XVIII веках водяные двигатели успешно работали на шведских, французских, германских рудниках.
Схема установки для дробления и обогащения руды (отделения руды от грунта) приведена в «Энциклопедии» Дидро и Д'Аламбера, 1751–1776 годы (рис). Здесь колесо приводит во вращение примитивный кулачковый вал. Выступы на валу удерживают при подъеме тяжелые брусья, которые, срываясь с них, падают и ударяют по кускам руды.
Водяная мельница, Бельгия (XII век)
Несколько способов использования энергии воды имеются в записках Леонардо да Винчи. Изучая гидродинамику, Леонардо пытался найти наиболее эффективный способ применения силы и энергии воды при помощи больших колес. Одно из них изображено на его рисунке.
Леонардо предложил конструкцию гидравлической пилы. Поток воды приводил в движение колесо, которое, в свою очередь, двигало вертикальную пилу и тележку со стволом дерева. Таким образом1) В психологии - субъективная картина мира, включающая самого субъекта, других людей, пространственное окружение и временную последовательность событий. Это одна из форм отображения объективной реальности. В психологии понятие «Образ» используется в нескольких значениях. Существует традиция, связывающая с образом преимущественно..., весь процесс распиливания становился автоматизированным.
Леонардо также предложил множество вариантов и способов использования энергии воды: от фонтанов до водоснабжения, от водных игр до осушения болот:
Толчея (дробилка) для руды с приводом от водяного колеса
(из «Энциклопедии» Дидро и Д'Аламбера, 1751 – 1776 годы)
Одним из выдающихся примеров гидросиловых установок была построенная на реке Сене в 1682 году установка для подачи воды к дворцам и фонтанам пригородов Парижа – Версаля, Трианона, Марли. На участке от города Безона до Порт-Марли река Сена разделена на два рукава. На одном из них была построена плотина, поддерживавшая напор 1,65 м. Из водохранилища перед плотиной вода подавалась на четырнадцать нижнебойных колес диаметром по 12 м каждое. От них приводились в действие:
· в общей сложности 221 насос;
· приводы при помощи кривошипов малых тяг шатунов общим протяжением 1430 м;
· подъем воды через два промежуточных водохранилища на общую высоту 162,15 м.
Отсюда вода поступала в акведук, подававший воду к дворцам и фонтанам Версаля, Марли, Трианона. Установка была рассчитана на подачу около 5000 м3 воды в сутки и развивала мощность 92 кВт.
* * *
На Руси уже в IX веке в письменных источниках встречаются слова «мельник», «мельница». В ярлыке хана Менгу-Темира, освобождающем православную церковь от поборов, записано: «ни вод, ни огородов, ни мельниц» (Львовская летопись, 1267 год). В дальнейшем в русских исторических документах сведения о водяных мельницах встречаются постоянно.
По-видимому, в самом начале использования водяных колес на Руси они устанавливались на водяных мельницах, предназначенных для размалывания зерна. Такие мельницы на Руси назывались «хлебными» или «мучными». В Ярославовом Уставе (XI век), вошедшем в состав «Русской правды», говорилось о том, что мельницу может построить любой желающий, однако специально оговаривалось, что работа мельницы не должна наносить ущерб другим людям и приводить к затоплению окружающей местности, иначе «…да упразднится мельница».
17 марта 1375 года подольский князь Александр Корпатович дал жалованную грамоту Смотрицко-Доминиканскому монастырю, подтверждающую права монастыря на водяную мельницу. Великий князь Дмитрий Донской в 1389 году завещал мельницу на реке Яузе своей жене. В духовной грамоте князя Владимира Андреевича в 1410 году упомянуты «… Поповское на Коломенке с мельницею, Колычево на Неглимне мельница, … Курьясов с Луги до на устьи Мьстицы мельница, Косино с тремя езеры да мельница на усть Яузы».
Самое раннее упоминание о мельницах в Новгородской республике встречено в берестяной грамоте № 167, обнаруженной в археологическом слое конца XIV века. Указанная в этой грамоте мельница находилась в Злостьице и принадлежала крупному боярину Юрию Онцифировичу. По всей вероятности, в грамоте идет речь о водяной мельнице.
В источниках XVI века неоднократно встречаются сведения о водяных мельницах в Новгородских землях. Водяная мельница упомянута в Переписной оброчной книге Водской пятины 1500 года, где среди архиепископских владений в Никольском погосте Новгородского уезда указана деревня на Мельнице на речке Вятке, в которой находится «двор владычен мелник Огофонко без пашни».
Из документов Софийского дома известно, что в 1547 – 1548 годы мельницы, очевидно водяные, находились в деревнях Марково и Мельнице.
В Новгородской второй летописи сообщается о водяных мельницах на реке Мете под 1558 годом и на реке Веряже под 1569 годом, принадлежавших Юрьеву монастырю.
Большой интерес представляют собой летописные сообщения начала XVI века о первой попытке освоить энергию такой большой реки, как Волхов. Понятно, что это стало возможным лишь тогда, когда устройство водяных мельниц было уже делом привычным. Об этом событии обстоятельно рассказывают Новгородская четвертая и Псковская первая летописи.
Строительство мельницы на Волхове происходит при новгородском архиепископе Макарии в 1528 году. Летописи сообщают, что к Макарию, который хотел «украсите Великий Новград», «приде некий хитрец от Псковские страны... и возрев на Волхов реку, и нача говорити: „аще бы мне кто повелел здел(ал) бы есми на сей реце мелницу"». Имя строителя мельницы «муж Невежа Псковитин, Снетогорского мелника человек». Место будущей мельницы было выбрано на Софийской стороне ниже моста, «идеже баня стоит на релке, а ту релку изначала звали Крюк, а на ней преже жили нарочитые дворяне владычня двора».
К работам по сооружению мельницы были привлечены все концы города и монастыри. Летописец рисует довольно подробную картину строительства: «И нача от тоя рельки и делати срубы великий, и вести в верх по реце ко владычню берегу, и топити те срубы камением великим на дно Волхва, чтобы ему отняти часть у Волхова, куце быстринам водным течи; таже ограду здела, и колесо постави, и камень жерновныи постави, и камень нача и вертетися...». Ряжи («срубы великие») подвозили, очевидно, на плаву к месту их установки.
В Псковской летописи говорится, что «мужик Невежа нача проуды делати». Новгородцы возили «в судех камень валень» (валуны), чтобы «сыпати в проуды, и возведоша проуд сверх воды, и угрузиша дно проуда». На основании летописных сообщений, В. В. Данилевский пришел к выводу, что плотина проходила не через всю реку, а только отняла часть ее у берега с наиболее быстрым течением. Он высказал предположение, что на глубоких местах наращивали срубы-ряжи по мере их затопления. По мнению этого автора, плотина Псковитина, «преграждающая часть русла реки, представляла собой конструкцию, известную впоследствии под названием буна».
Мельница Псковитина, действующая сначала успешно, была разрушена при первом же паводке. Весной лед начал разрушать «древие и срубы», а сильный паводок уничтожил плотину и «рознесе и самое то место, идеже жернов стоя». От всего сооружения «толико мало срубов осталося да камение в воде». Еще до постройки мельницы некоторые скептически настроенные новгородцы говорили: «Волхов наша с молода не молола, ачи на старость оучнеть молоть?». Когда же плотина была разрушена, то, естественно, полностью был обвинен мастер Псковитин, которого летописец называет «вконец безумным». Из остатков срубов повелел архиепископ Макарий для Софийского дома «конюшни срубити». Псковитин же, увидев разрушение своего детища и боясь расправы, бежал из города неведомо куда и «до ныне погибе».
И все же, несмотря на то, что первая попытка создать мельничную плотину на Волхове окончилась неудачей, следует отметить смелость и талант, опиравшиеся на технические знания, мастера Невежи Псковитина, который сумел построить такое сложное гидротехническое сооружение в XVI веке.
На равнинных реках необходимый для работы мельницы напор воды обеспечивался плотинами. Мельницы строились с наливным верхнебойным колесом. Передаточный механизм от горизонтального вала водяного колеса к вертикальному валу жернова представлял собой цевочную (зубчатую) деревянную передачу. На рубеже XIV – XV веков появились мутовчатые мельницы с горизонтально расположенным колесом на вертикальном валу (прообраз турбины).
На первых порах водяные мельницы строились для переработки продуктов сельского хозяйства – помола зерна, крупы, валяния сукна, изготовления масла (маслобойни). Однако область применения мельниц вскоре неизмеримо расширилась: до изобретения паровой машины водяное колесо было единственным двигателем, приводившим в действие различные механические устройства на железоделательных, стекольных и пороховых заводах, сукновальных и бумажных фабриках, в рудниках и на лесопилках. Кстати, с этим связано и само название «завод», то есть стоящий «за водой», «у заводи».
Уже в середине XVI века на реках Парха и Цна под Москвой работали бумажные мельницы, на реке Лахоме в бассейне Вычегды к водяному колесу приспособили кузнечный молот – получился «самоков». В 1655 году на реке Яузе по указу царя Алексея Михайловича были построены две мельницы, «в которых толкут порох водою».
В 1651 году на реке Беляне, притоке Истры (примерно в 50 км от Москвы) в селе Павловском боярин Борис Иванович Морозов построил «мельницу водой железо ковать», то есть металлургический завод, который выпускал не только железо, но и пушки. На заводе работало до десяти водяных колес.
В 1652-58 годы по замыслу патриарха Никона (при котором произошел раскол русской православной церкви) в месте впадения реки Пахры в Москву реку была построена бумажная мельница. В большой ступе с помощью вертикальных деревянных стержней, обитых железом, растиралась бумажная масса. Стержни перемещались при помощи специальных цепных приводов от «бумажного» водяного колеса.
О количестве водяных мельниц на Руси свидетельствуют переписные книги 1666 года, охватывающие 14 малых рек – левобережных притоков Днепра. На них были учтены 50 плотин и 300 водяных колес, которые использовались для работы 159 мукомольных мельниц, 48 крупорушек, двух сукновален и др.
Водяная мельница с малым водохранилищем на реке Полоте
К середине XIX века в центральной и северной России одна водяная мукомольная мельница приходилась примерно на тысячу жителей, в начале XX века в Смоленской губернии на 1 056 000 жителей было 1 275 водяных мельниц мощностью по 10 – 12 лошадиных сил.
Плотность размещения мельниц иногда поражает: на речке Сохге Кадниковского уезда Волгоградской губернии на протяжении полутора верст стояло в свое время двенадцать водяных мельниц.
Самым трудоемким и рискованным делом при устройстве мельниц было сооружение на реках плотин, необходимых для создания нужного напора воды. Плотина строилась из вколоченных поперек реки деревянных свай или из плотной дернины. Некоторые плотины имели затвор для пропуска весеннего паводка и льда. На реках побольше строили ряжевые плотины.
Зачастую в плотинах устраивались водопропускные отверстия – «прорезы». Поверхностные водосливы для пропуска паводковых вод называли «вешняк» или «вешник». Расход воды через вешники можно было регулировать или по схеме истечения из-под плоского затвора, или при переливе через закладные брусья (шандоры). В вешниках могло быть несколько водопропускных отверстий, разделенных стойками.
Вода в нижний бьеф сбрасывалась либо по многоступенчатым перепадам, либо по наклонным лоткам (типа быстротока). Перепады и быстротоки укреплялись брусьями и досками. В те времена слово «понуро» означало «наклонно», отсюда возник термин «понур».
Вода от плотины к водяным колесам могла подводиться лотками с переменной шириной – «ларями». Лари зачастую закрывали перекрытиями из брусьев и даже засыпали землей, чтобы предотвратить замерзание воды зимой. Производственные помещения, в которых производились работы, назывались «анбарами» – «доменный анбар», «молотовый анбар», «сверлильно-пушечный анбар».
С петровского времени в Россию приезжали и иноземные мастера. Сподвижник Петра выдающийся инженер и знаток горнозаводских дел Вилим Геннин только за один пятилетний период (1722 – 1727 годы) построил на Урале 12 крупных заводов, которые обеспечивались энергией от гидроустановок. К середине XVIII веке на Урале было уже 22 завода, потребность которых в механической энергии также удовлетворялась гидросиловыми установками.
Гидросиловые установки при горнорудных, металлургических и металлообрабатывающих мануфактурах были устроены также в Олонецком крае, в Сибири и на Алтае. Уже к концу первой четверти XVIII века в России действовали 45 металлургических и металлообрабатывающих заводов, успешная работа которых выдвинула Россию на первое место в мире по выплавке металла. Все эти заводы использовали гидросиловые установки для получения энергии.
Однако В. Геннин считал, что в России таких плотин как в Европе строить нельзя. В 1735 году он писал:
«А понеже в России климат не таков, как в Германии, но в зимние времена бывает стужа великая, и ежели здесь по-германски рвы вести на версту или больше не глубокие и не широкие, то от жестоких морозов в тех рвах вода может вся до пошвы вымерзать.
Или, хотя некоторая часть оной и будет ход свой иметь под лед, не на колеса имеет проходить весьма мало, от чего и действительной силы иметь не будет, к тому же студеная, и от того могут колеса обмерзать. И для того всегда будет надобен в колеснице огонь великий держать, чтоб колеса не обмерзли и не остановлялись».
Геннин привел еще много доказательств для того, чтобы убедить в полной невозможности в России подавать воду по напорным каналам к гидросиловым установкам. Он писал:
«Сверх того, в таких рвах запасной воды держать нельзя, которыми весною оная напрасно будет проходить и пропадать без действия; к тому же при таких рвах много фабрик строить невозможно...»
Свои обстоятельные рассуждения В. Геннин завершил категорическим утверждением, что вообще сооружение деривационных установок в русских условиях решительно невозможно: «...в России... тот... манир здесь не годен».
Однако русские мастера своими делами опровергли такое утверждение Геннина. На одном из алтайских рудников – Змеиногорском – в начале 50-х годов XVII века И. И. Ползуновым (изобретателем паровой машины) впервые в России была построена гидросиловая установка с деривационным (обходным) каналом для подвода воды к водяному колесу. Здесь же недалеко от Змеиногорской плотины на берегах речки Корбалихи К. Д. Фролов в 60-х годах XVIII века достойно ответил утверждениям Геннина, что в России нельзя строить деривационные каналы и что, во всяком случае, в России «при таких рвах много фабрик строить невозможно». К. Д. Фролов, и напорный канал построил, и установил на нем три предприятия, действовавшие многие десятки лет и доказавшие на деле, что в России «при таких рвах» не «невозможно», а вполне возможно строить много предприятий.
Замечательные успехи в строительстве вододействующих или гидросиловых установок в России были достигнуты в XVIII веке в горнорудной промышленности на Урале и Алтае. Гидросиловые установки были неотъемлемой частью металлургического, лесопильного, бумажного, ткацкого и др. производств. К концу XVIII века в России было уже около 3000 мануфактур, использовавших водную энергию рек.
Особенного внимания заслуживают крупнейшие и наиболее оригинальные для второй половины XVIII века гидросиловые установки на Алтае, сооруженные талантливым механиком Кузьмой Дмитриевичем Фроловым (1726–1800 годы). Алтайский горный округ был крупнейшим средоточием выплавки цветных металлов (свинец, цинк, серебро и др.). Уникальная гидросиловая установка была сооружена К. Д. Фроловым на Змеиногорском руднике. В 1787 году он построил комплекс гидротехнических, горнозаводских сооружений, не имевший аналогов в мире. На реке Змеевке были построены:
· плотина, поддерживавшая напор 6,5 м;
· водозабор из водохранилища перед плотиной;
· от плотины вода шла по подземной штольне и открытому каналу длиной 535 м до пильной мельницы, где приводила в действие водяное колесо лесопильной установки;
· отработавшая вода снова поступала в подземный канал длиной 107 м, подводивший воду ко второму водяному колесу рудоподъемной машины на Екатерининский шахте диаметром в 4,3 метра;
· отработавшая вода по подземному каналу длиной 62 м, подводилась к третьему водяному колесу диаметром 17 м Екатерининской водоподъемной машины с глубиной шахты 102,4 м;
· от Екатерининского водоподъемника вода по каналу длиной 320 м поступала к четвертому водяному колесу диаметром 16 м Вознесенской водоподъемной машины с глубиной шахты 60 м и одновременно к Вознесенской рудоподъемной машины;
· приведя в действие Вознесенский водо- и рудоподъем, вода утекала по Крестительской штольне длиной 1050 м, в которую сбрасывались также воды, поднятые насосами из нижних горизонтов рудника. Через устье в конце Крестительской штольни воды вытекали обратно в речку Змеевку много ниже плотины.
Общая длина пути движения воды от водозабора до водосброса составляла 2200 м. Комплекс сооружений, построенный К. Д. Фроловым исключительно из местных материалов: дерева, глины, камня, железа – проработал без существенных изменений около ста лет. Плотина Змеиногорского рудника высотой 18 м, длиной по гребню 128 м, шириной 12 м сохранилась до настоящего времени.
Сооружение К. Д. Фролова имело следующие отличительные особенности. Прежде всего, это была крупнейшая в мире гидросиловая установка, предназначенная для чисто производственных целей в горнометаллургической мануфактуре; в ней были использованы верхненаливные колеса, обладающие более высоким КПД, чем средненаливные и подливные колеса; на установке впервые был применен деривационный канал; было осуществлено последовательное использование энергии одной и той же массы воды на нескольких уровнях, то есть, осуществлен энергетический каскад; подвод воды к колесам осуществлялся на значительном протяжении по подземным наклонным выработанным штольням. Примененные К. Д. Фроловым колеса имели исключительно большие размеры, почему и назывались «слоновыми» (диаметр наибольшего колеса равнялся до 17 м). К. Д. Фролов устроил разветвленную систему передаточных механизмов, благодаря чему удалось распределить энергию, развиваемую на валу водяных колес, между большим числом отдельных агрегатов и механизмов.
Интересно сравнение сооружения, созданного К. Д. Фроловым с общепризнанным европейским «чудом французских королей» Марли на реке Сене.
На признаваемой зарубежными исследователями наиболее совершенной для тех дней установке в Марли действовали водяные колеса диаметром в 12 метров. Фролов создал колеса диаметром до 17 метров.
Колеса Марли были сооружены и работали на земной поверхности. Водяные колеса Фролова были построены под землей и установлены в огромных подземных камерах, имевших высоту до 21 метра. В такой подземной камере может свободно поместиться пятиэтажный дом.
Колеса в Марли были нижнебойными, то есть с наименьшим коэффициентом полезного действия. Змеиногорские колеса были верхнебойными, то есть с наибольшим коэффициентом полезного действия.
В Марли каждый кубический метр воды, пройдя через плотину, действовал только один раз и только на одно какое-либо колесо. В Змеино-горске каждый кубический метр воды последовательно действовал на целую систему колес, расположенных в порядке нисходящего каскада.
Неуклюжей системе тяг и передаточных механизмов Марли К. Д. Фролов противопоставил простые и изящные конструктивные решения, осуществляя передачу энергии на огромные по тому времени расстояния.
Установка в Марли работала значительно хуже, чем предполагали ее строители, и часто выходила из строя. Она была рассчитана на подачу в сутки пяти тысяч кубических метров воды, но даже в лучшие годы давала не более половины этого количества.
Установка Фролова в Змеиногорске работала именно так, как рассчитал строитель, и притом без перебоев. Творение русского новатора решительно во всем превзошло знаменитое инженерное сооружение, считавшееся самым совершенным для того же времени на Западе.
Вот как описал творение К. Д. Фролова его биограф А Карпинский в работе «Биографическое известие о жизни К. Д. Фролова», опубликованной в 1827 году в «Горном журнале»:
«Надобно быть на самом месте, дабы убедиться, с какой обдуманностью и решительностью устроены водопроводы и изысканы способы для сбережения воды: огромной величины плотина, просеченный в горах водопровод на 241 сажень длины и обращение одной и той же воды из-под одной машины на другую, суть предметы, обращающие на себя удивленное внимание путешественника...
Вода приводит в движение сначала колесо при шахте Преображенской для подъема руды, из-под оного протекает через 60 сажен на рудоподъемное колесо Екатерининской шахты, с оного чрез 90 сажен на водоотливное колесо, при сей шахте построенное, а отсель обращается подземным ходом 195 сажен на колесо Вознесенское.
Водяное колесо для шахтных устройств, сооруженное
Кузьмой Фроловым в 1886 году
Гидравлическая машина К. Д. Фролова на Змеиногорском руднике
Схема А подъемных устройств Фролова в Змеиногорске
Схема Б подъемных устройств Фролова в Змеиногорске
Екатерининское колесо имеет в диаметре до 8 сажен; поднимая воду из 100 сажен глубины, оно пропускает оную под машину Вознесенскую, а сия по поднятии провожает воду из рудника подземным ходом, называемым Крестительской штольней, 500 сажен длины имеющей. Сии устройства увенчались успехом во всем пространстве сего слова».
Рудоподъемная машина, построенная Кузьмой Фроловым в 1785 году
России принадлежат и многие другие исследования и открытия в области гидротехники.
В XVIII веке за использование на новый лад водных сил боролся Михаил Васильевич Ломоносов (1711 – 1765 годы). В «Первых основаниях металлургии или рудных дел» (1742 год), как он назвал первый горнозаводский учебник, данный им стране, он привел немало описаний и чертежей гидросиловых установок для горного дела и металлургии. В нем приведены детальное описание и чертежи: рудоподъемной машины, приводимой в действие водяным колесом; установки с ручными насосами; насосных поршневых и четковых установок, приводимых в действие водяными колесами; водоподъемной машины с приводом ее от водяного колеса, расположенного на значительном расстоянии.
Свои теоретические работы М. В. Ломоносов реализовал на практике, построив в 1754 году на реке Рудице фабрику по производству цветного стекла. На ней работала гидросиловая установка с тремя водяными колесами: «…первое для двух рам пильных, чтобы пилить доски к фабричному строению и впредь для пристроек, починок и ящиков под материалы; второе колесо для машин, которыми толочь, молоть, и мешать материалы, в стекло потребные, и шлифовать мозаику, для которых кругов в мельнице два покои особые; третьим колесом ходят жернова для молотья хлеба, на котором содержат фабричных людей».
Строитель отличной ряжевой плотины на Усть-Рудицком заводе, Ломоносов трудился и как теоретик, изучая условия работы гидротехнических сооружений и стремясь изыскать способы улучшить ее. Об этом говорит запись Ломоносова в 1754 году: «Деланы опыты при пильной мельнице в деревне, как текущая вода по наклонению течение свое ускоряет и какою силою бьет».
России также принадлежит честь выполнения в ее пределах в XVIII веке работ мирового значения в области гидравлики. Это труды членов Российской Академии – Даниила Бернулли (1700 – 1783 годы) и Леонарда Эйлера (1707 – 1783 годы).
Начиная с 1726 года, Бернулли поместил на эту тему много исследований в «Комментариях» Академии наук в Петербурге. В 1730 году в результате петербургских трудов он смог обобщить свои основные мысли и составил предварительный текст сделавшего эпоху исследования, опубликованного в 1738 году. На титульном листе книги он написал:
«Даниила Бернулли. Гидродинамика, или записки о силах и движении жидкостей. Академический труд, выполненный автором во время работы в Петербурге».
10 марта 1738 года Бернулли написал предисловие, в котором точно указал, что он считает свою «Гидродинамику» полностью принадлежащей. России и прежде всего Петербургской Академии наук.
Даниил Бернулли
Так один из самых выдающихся мировых ученых постарался закрепить за Россией свое творчество как вклад в мировую сокровищницу цивилизации. Вклад же этот таков, что на законах движения жидкостей, установленных Бернулли в «Гидродинамике», основываются все труды современных нам практиков и теоретиков, работающих в области гидротехники и смежных дисциплин.
Напомним, что именно в нашей стране оказалось возможным впервые использовать такие предложения Бернулли, как особый трубчатый водоподъемник, устройство и теорию которого разработал этот замечательный деятель. Трубчатый водоподъемник, описанный Бернулли, впервые сооружен и установлен в 1784 году в селе Архангельском под Москвой.
Обложка книги «Гидродинамика» Даниила Бернулли
Мировую сокровищницу знаний, связанных с использованием водных сил, обогатил член Петербургской Академии наук, бессмертный Леонард Эйлер, нашедший в России свою истинную родину.
Уравнения Эйлера представляют сегодня теоретическую основу для каждого, занимающегося гидротехникой.
Леонард Эйлер
