Развитие водяных колес
Первые гидравлические установки отражали ранние формы взаимоотношения человека с окружающей его природой: присвоение готовой энергии природы (без воздействия на нее).
Ранние водяные двигатели очень просто сочленялись с водоподъемными устройствами: водяное колесо, установленное на сваях, вбитых в дно реки, приводилось в движение потоком воды; на ободе колеса размещались черпаки, поднимающие и выливающие воду в отводной желоб. Таким образом объединялись энергетическая и транспортная машины. Свободно стоящие («плавучие») водяные колеса использовали только скоростную составляющую энергии воды [2].
Более сложным было применение водяного колеса для зерновых мельниц: между жерновом и водяным колесом сооружался передаточный механизм, обеспечивавший вращение водяного колеса вокруг горизонтальной оси, а жернова - вокруг вертикальной оси.
Стремление обойтись без сложной механической передачи между валами, расположенными под прямым углом, привело к созданию (для привода мельничных поставов) водяных колес с вертикальным валом. Чтобы струя воды, направляемая на лопатку такого колеса, не отклонялась силой тяжести, струе пришлось придать значительную скорость. Струя, падая на плоскую лопатку с большой скоростью, вызывала сильное разбрызгивание; во избежание этого лопатки стали делать изогнутыми. Так возник прототип современных активных гидравлических турбин (рис. 1.2).
Увеличение числа гидросиловых установок, накопленный опыт, а главное - недостаток в реках с большой скоростью течения потребовали перехода к более целесообразному использованию водных энергетических ресурсов. Началось сооружение плотин и деривационных каналов, позволившее использовать медленно текущие равнинные реки и создавать условия для более эффективной утилизации гидроресурсов. При сооружении плотин использовалась не только скорость потока, но и энергия положения: конструировались средне- и верхненаливные (рис. 1.3) водяные колеса. Верхненаливные колеса были в то время наиболее эффективными: их КПД достигал 75 %. Именно в этой форме гидравлический двигатель стал использоваться в быстро развивавшейся энергетике феодального общества.
На территориях, не располагавших гидравлическими энергоресурсами, сооружались метровые двигатели, преимущественно для привода мельничных жерновов. Однако крайняя неравномерность и низкая концентрация природной, «готовой», ветровой энергии, а также трудности эффективного аккумулирования механической энергии не позволили энергии ветра занять заметное место в общем энергетическом балансе.
В сооружении водяных колес был достигнут значительный успех. Немецкий ученый Г. Агрикола (XVI в.) дал описание реверсивного водяного колеса (рис. 1.4), применявшегося для подъема руды из рудника. Колесо имело две системы лопастей.
При подаче воды на лопасти одной системы колесо вращалось в одном направлении, с переключением подачи направление вращения менялось. В 1582 г. была пущена лондонская водоподъемная установка (на р. Темзе), состоявшая из пяти подливных (нижне- бойных) водяных колес диаметром 6-7 м, приводивших в движение ряд насосов, перекачивавших в сутки 18000 м воды.
В 1685 г. во Франции на р. Сене была сооружена водоподъемная установка для питания водой фонтанов парка Версальского дворца, состоявшая из 14 подливных колес диаметром 12 м, приводивших в действие 235 поршневых насосов, которые поднимали 3000 м3 воды в сутки на высоту 162 м.
В середине XVIII в. на Алтае К. Д. Фролов соорудил уникальную гидросиловую установку для привода подъемных и транспортных устройств двух рудников. Установка представляла собой каскад с последовательно расположенными колесами, наибольшее из которых имело диаметр 17 м. Эта установка явилась высшим достижением гидроэнергетики своего времени.
Исследования ученых показали, что изогнутые лопатки более эффективны, чем плоские, так как они дают возможность осуществить безударный вход воды, что повышало КПД; металлические водяные колеса с изогнутыми лопатками получили широкое применение.
Водяное колесо являлось основной энергетической базой производства в течение примерно 14 веков (с IV по XVIII в.). Во второй половине XIX в. гидроэнергетика утратила ведущую роль, уступив ее теплоэнергетике. Новый подъем гидроэнергетики и переход ее на новую качественную ступень наметился в конце XIX в. в связи с решением проблемы передачи энергии на большие расстояния электрическим током.
Ограниченность энергетического потенциала водяного колеса прежде всего сказалась в металлургии и рудном деле. Для получения железа люди добывали руду, дробили ее в ступах, плавили в домницах, нагнетая в них воздух, а полученное железо проковывали под молотами. Двигателем, приводившим в движение песты дробильных ступок, мехи домниц, молоты кузниц, был сам человек. Так как для привода в движение перечисленных производственных агрегатов не требовалось специальных знаний и навыков, человек смог заменить себя более мощным двигателем - водяным колесом. Это позволило увеличить размеры агрегатов, которые ранее определялись мощностью человека-двигателя, а следовательно, увеличить производство железа. Так, домница выросла в домну, ручной молот - в громадный молот, поднимаемый энергией потока воды, и т. п. Теперь границы роста размеров пестов, домен, молотов определялись только мощностью водных потоков.
В горнорудном деле и металлургии кроме энергии необходимыми элементами производства являлись руда и горючее (дрова). Природа редко сосредоточивает в одном географическом пункте ресурсы руды, топлива и водной энергии. Поскольку водная энергия нетранспортабельна, доставка руды и топлива к месту источника водной энергии становилась элементом производства, в значительной степени определявшим себестоимость продукции. Таким образом «энергетика водяного колеса» пришла в конфликт с вызванными ею же новыми производственными возможностями, что обусловило потребность в новой энергетике, особенно остро проявившуюся в рудничном водоподъеме. Однако водяное колесо, потеряв в XVIII в. свое значение как основы энергетики, сравнительно медленно уступало свои позиции. Так, например, к 1917 г. в России было установлено 46 000 водяных колес, суммарная мощность которых достигала 40 % всей установленной в стране мощности (за исключением транспорта). В экономически отсталых странах и сегодня еще работает большое число водяных колес.
