3.2. Водяные колеса и их эволюция

Для подъёма воды в оросительные каналы служили водяные колёса (первые простейшие гидравлические двигатели), использующие ее энергию. Первые водяные колеса начали применяться более чем за 3000 лет до н.э. в Египте, Китае, Индии и других странах (рис. 3.2). Сведения об их использовании приводятся в таких древних источниках, как «География» Страбона (63 г. до н.э. – 24 г. н.э.) в семнадцати книгах, «Десять книг об архитектуре» Витрувия (вторая половина I века до н.э.).

Витрувий так описывает водяное колесо:

«Вокруг вала устанавливается колесо, по своим размерам соответствующее высоте, на которую должна быть доставлена вода, вокруг него, по внешнему кругу, устанавливаются кубические ящики, которые делаются водонепроницаемыми при помощи смолы и воска. Когда колесо путём наступания приводится в движение, то наполняющиеся ящики поднимаются кверху и на обратном пути выливают своё содержимое в водохранилище».

Если течение реки достаточно сильное, то оно само может вращать колесо и усилия раба или животного можно заменить силой текущей воды. У того же Витрувия читаем: «В реках также устанавливаются водоподъёмные колёса, подобные вышеописанным, с той только разницей, что к ним с наружной стороны приделываются лопасти, которые, будучи увлечены течением воды, своим движением заставляют вращаться колесо и, наполняя при этом ящики водой и поднимая их кверху, без работы толкания, путём использования течения воды, сами вращаясь, выполняют необходимую работу».

На рис. 3.3 показано старинное сирийское водоподъёмное колесо – нория.

Древние греки поняли, что вращающееся водяное колесо может не только поднимать

воду, но и совершать другую полезную работу, если его ось соединить с каким-нибудь механизмом. От этой догадки оставался лишь шаг до изобретения водяной мельницы. И этот шаг был сделан. В Древней Греции и Риме водяные колеса уже использовались для вращения мельничных жерновов.

В те времена простое устройство водяной мельницы представлялось настоящим чудом, сродни «самостоятельно» открывавшимся дверям храмов и «беспричинному» появлению огня на жертвенном очаге. Но там эти действия, казалось, производили сами боги, а здесь, на водяной мельнице, самая простая и привычная земная работа – размол зерна – осуществлялась как бы сама собой, без монотонного и тяжелого труда рабынь, растирающих зерно между камнями (рис. 3.4).

Рис. 3.2. Китайское водочерпальное колесо

Рис. 3.3. Старинное сирийское водоподъёмное колесо – нория

Один из поэтов той эпохи – македонянин Антипатр Фессалоникский, живший в I столетии до н.э., – посвятил водяной мельнице оду:

Дайте рукам отдохнуть, мукомолки;
спокойно дремлите,
Хоть бы про близкий рассвет громко
петух голосил:
Нимфам пучины речной ваш труд
поручила Деметра; Как зарезвились они обод крутя колеса!
Видите? Ось завертелась, а оси
крученые спицы С рокотом движут глухим тяжесть
двух пар жерновов. Снова нам век наступил золотой:
без труда и усилий Начали снова вкушать дар мы
Деметры святой.

Рис. 3.4. Старинная водяная мельница

В древнем Риме уже во II в. водяные мельницы были распространены почти повсеместно, все больше и больше работ выполнялось с их помощью. Водяные колеса использовались и для выжимания масел, и для размягчения яблок, из которых приготовляли любимый римлянами напиток – сидр, с их помощью заполнялся водой знаменитый римский водопровод. А когда во время осады Рима остготы разрушили водопровод и «вечный город» остался без воды, император Вилезарий устроил прямо на Тибре огромные плавучие водяные колеса, служившие для ее подачи в город.

Наиболее древняя конструкция водяного колеса приводилась в движение давлением текущей воды на лопатки (ковши) в нижней его части.

До сих пор эксплуатируется водохранилище комплексного использования Бенде Эмир (Иран), имеющее тысячелетнюю историю.

Водяные мельницы и колеса довольно быстро распространились по Европе. В Западной Европе строились небольшие водохранилища для устройства водяных колес. Так, во Франции сохранились остатки каскада из 16 водяных мельниц вблизи г. Арля, построенных в III–IV вв. Широкое распространение водяные мельницы получили здесь в XI– XIV вв. В Англии водяная мельница появилась примерно в VIII в., а уже в 1086 году в Тренте и Северне были зарегистрированы 5624 мельницы.

Водяные колеса все время совершенствовались. Были придуманы довольно сложные устройства и передаточные механизмы, которые позволяли использовать силу воды не только для помола зерна, но и для производства самых различных работ. Водяные колеса вращают станки, приводят в движение кузнечные меха, помогают металлургам поднимать руду из шахт. Вот как в рукописи VIII в. описывается использование энергии небольшой реки:

«Сначала река наталкивается на мельницу…, потом ее зовут к себе сукновальни, находящи3 еся по соседству с мельницей… Опуская и под3 нимая тяжелые песты или – лучше сказать – молоты или деревянные ступы…, река осво3 бождает сукновалов от утомительной рабо3 ты… Быстрое течение реки приводит в движение большое количество водяных колес. Затем покрытая пеной река медленно дви3 жется далее… Здесь ее принимает общежитие братии, и она принимает деятельное учас3 тие в выработке того, что необходимо для обуви братии… Затем, мало3помалу распада3 ясь на множество рукавов, река суетливо кру3 жится, заглядывает в отдельные мастерские, тщательно отыскивая, где имеется надоб3 ность в ее службе: при варке, просеивании, вращении, растирании, орошении и мытье».

Водяные мельницы применялись и в Древней Руси. Об этом упоминается впервые в ХIII в. в ярлыке хана Менгу-Темира. В дарственную грамоту 1292 г. галицкого князя Льва Даниловича Спасскому монастырю включены водяные мельницы, а Дмитрий Донской в 1389 г. в духовном завещании назвал все принадлежавшие ему водяные мельницы. В 12 известных «Жалованных грамотах Черниговского князя Свидригайла» своим слугам в 1433–1444 г.г. также упоминаются водяные мельницы.

Эти мельницы весьма ценились и поэтому никогда не забывались в завещаниях. Так, в завещании князя Владимира Андреевича, написанном в 1440 году, говорится о водяных мельницах на реках Яузе и Неглинной. Как свидетельствуют летописи, на Неглинной реке в 1519 г. работали 3 водяные мельницы и одна толчея – устройство большого объема для толчения. (Как пишет В.Даль, «какова толчея, та3 ково и толокно»). Там же была выполнена и каменная плотина. Летопись сообщает: «Князь Великий Василий Иванович пруды копал и мельницу каменную доспел на Неглинке…». На Руси в старину строителей водяных мельниц называли водяными людьми.

В 1528 г. была построена водяная мельница на большой реке Волхов. Как записано в Новгородской летописи, «… и ограду сдела, и колесо постави, и камень жерновый постави, и камень нача и вертетися, тако видети, кабы ему и молоти». В ХVI–XVII вв. водяные мельницы строят в большом количестве также в отдаленных районах Урала, Сибири.

Описывая поселения Украины конца XVI века, А.Я Ефименко в своей книге «История украинского народа» (1906) отмечает, например, Побужье как «территорию с огромными удобствами и выгодами для заселения. Вол3 нистая поверхность с чрезвычайно плодо3 родной почвой была орошаема массою текучей воды, образующей превосходные рыбные пруды и в то же время очень удобной для устройства мельниц». Жители украинских поселений занимались и земледелием, но в данный период это был лишь второстепенный, побочный промысел, что доказывает ограниченное количество мельниц (млынов), которые всегда регистрировали в качестве важной статьи доходов.

Вскоре ситуация резко меняется. Диакон Павел Алеппский, сопроводавший летом 1654 года антиохийского патриарха Макария в путешествии по Украине, в описании приходит в восторг от кипучей жизненности страны. В частности, писателя приводили в удивление и восторг множество домашней птицы и животных, особенно свиней, огромные и разнообразные посевы, сады и огороды, рыбные пруды и мельницы с толчеями. В ХVII в. водяные мельницы получили широкое распространение на территории Украины.

Мельницы (млыны) становятся атрибутикой украинского пейзажа (рис. 3.5).

Вспомним, к примеру, «Наймичку» Т.Г. Шевченко («Придбали хутір, став і млин,…»).

Для приведения в движение водяных колес использовалась также сила прилива. Приливные мельницы появились в ХI в. на побережье Адриатического моря, а также в Англии и Франции. Так, в Англии в устье р.Дебен до сих пор работает мельница, первое упоминание о которой имеется в записях Вудбриджского прихода в 1170 г.

К более поздним временам относится сохранившаяся жалованная грамота Ивана Грозного, в которой упоминается о приливных

мельницах, построенных Никитой Павловым на берегу Белого моря в Усть-Золотице, а также в других местах.

Именно в средние века основным энергетическим источником во всех видах производства становится энергия воды. Привычными стали машины, которые при помощи энергии воды точили металлы, ткали полотно, пилили доски и волочили проволоку.

Уже в конце XII в. в Нюрнберге были широко распространены шерстобойни, в которых металлические пальцы для трепания шерсти приводились в движение водяным колесом. К 1351 г. относится изобретение первого вододействующего стана для изготовления железной проволоки. В рукописи Виллара де Оннекура 1245 года описана первая лесопилка, приводимая водяным колесом.

На оловянных рудниках Саксонии переработка руд происходила в мокрых толчеях, или «цвиттер-мельницах», впервые построенных в 1507 году. В них руда измельчалась до состояния взвеси пестами – деревянными бревнами, обитыми железом.

Поначалу каждый толчейный пест приводился в движение отдельным водяным колесом, причем вода, стекавшая с верхнего колеса, падала на приводное колесо, расположенное ниже. Позднее руду стали измельчать «пестами, которых в одном ряду иногда стоит более двадцати», о чем с восхищением сообщает Г.Агрикола в своей монографии «О горном деле и металлургии». Они приводились в движение одним-единственным водяным колесом, соединенным с трансмиссионным устройством. Эту роль выполнял стальной вал с жестко закрепленными дисковыми колесами, от которых приводные ремни шли к пестам. Песты равномерно поднимались и опускались один за другим.

На рудниках главной заботой была проблема водоотлива. В качестве движущей силы вода была незаменимым помощником рудокопа. Попадая в шахту, она становилась его лютым врагом, угрожала его жизни и мешала работать. Днем и ночью на мокрых, скользких шахтных лестницах по двое в ряд стояли водоносы, которые из рук в руки передавали друг другу кожаные ведра: пустые – вниз, полные – наверх. На водоотливе было занято до 200 человек в смену, а всего – 600. Из документов 1535 года видно, что водоотлив посредством кожаных ведер обходился в 14 тыс. гульденов ежегодно. Как текущие эксплуатационные расходы – сумма по тем временам прямо-таки чудовищная.

Рис. 3.5. Водяная мельница в Украине (с картины 1900 г.)

Одним из первых приспособлений для откачки воды на рудниках была водоотливная машина с черпаками, установленная в 1535 г. на руднике Виндельман и работавшая от водяного колеса. Её называли «Хайнцем». «Хайнц» представлял собой трубопровод из просверленных еловых брёвен с пеньковым канатом или железной цепью внутри. Для соединения брёвен друг с другом в широкую комлевую часть одного ствола вставлялась верхушка следующего. На канате были укреплены кожаные черпачки. Концы соединялись в бесконечное «ожерелье», которое поднимало вверх рудничную воду.

В 1553 году людей на водоотливе полностью заменила «швацкая машина», на которую смотрели как на новое чудо света. Название машина получила от места ее установки – рудника Шваца в Тироле, австрийские Альпы. Она представляла собой гигантское водяное колесо с двумя рядами лопастей (рис. 3.6). Последние располагались друг против друга, отчего колесо вращалось как вперед, так и назад. Размещалось оно над шахтой, в выемке, вырубленной в породе. С вала колеса опускались в шахту две цепи, которые поднимали наверх деревянные бадьи с рудой и породой и огромные, емкостью по 1400 л, мешки-черпаки с водой, сшитые из двух бычьих шкур каждый. В 1610 году заработала вторая водоподъемная машина. В 1650 году в Шваце установили новую водоподъемную машину с водяным колесом, имевшим 11 м в поперечнике. К 1740 году ее производительность была доведена до 13 тысяч кубических метров в сутки.

В 1550 году в Аугсбурге существовала очень сложная система городского водоснабжения: водяные колеса подавали воду при помощи архимедовых винтов на городскую водокачку, откуда она по разветвленной системе трубопроводов попадала в дома. Водоснабжение Лондона в течение 250 лет осуществлялось приливной мельницей, сооруженной в 1583 году немецким инженером Питером Морисом.

Постепенно конструкция водяного колеса совершенствуется, и оно становится основным двигателем в мануфактурном производстве, превращаясь в гидравлический двигатель, преобразующий энергию воды в механическую энергию, например, вращающегося вала.

Рис. 3.6. Швацкая машина

Рис. 3.7. Переливное колесо, использовавшееся для привода механизмов

а
б

Рис. 3.8. Водяные колеса с корытообразными лопастями а – подливное; б – переливное

Рис. 3.9. Водяные колеса: а – нижнебойное; б – среднебойное; в – верхнебойное

Волне послушны, лопасти стучат Стоящего над берегом колосса, И медленно тяжелые колеса Вращаются, одно другому в лад.

Так пишет о водяной мельнице итальянский поэт середины ХVII в. Бартоломео Дотти.

Не только размеры колес увеличиваются, сами колеса принципиально изменяются (рис. 3.7, 3.8). Они уже не просто плавучие, использующие энергию течения реки. Строятся специальные плотины, увеличивающие напор воды; вода с помощью каналов подается на колесо таким образом, чтобы полнее использовать ее энергию. Например, в широко известном мельничном колесе, поставленном в Тулузе во второй половине XVI в., лопасти были размещены винтообразно, так что поток «действовал и весом, и ударом» (чтобы использовались и потенциальная, и кинетическая энергия движущейся воды).

В ХVII–XIX вв. в эпоху промышленной революции большое количество водохранилищ строится в промышленных районах Западной Европы, а также России для водоснабжения, водного транспорта, обеспечения растущих потребностей в механической энергии за счет использования водной энергии. Водяные колеса широко применяются во всех видах производства на заводах, рудниках, приводя в движение насосы, молоты, воздуходувные меха, вагонетки, рудоподъемники и другие механизмы, обеспечивают снабжение водой городов.

Различаются три типа водяных колес, располагаемых на горизонтальном валу: нижнебойные (подливные), среднебойные и верхнебойные (переливные или наливные) (рис. 3.9). Применяемые колеса были тихоходны (до 4–10 оборотов в минуту) и в основном малой (до 20 л.с.) мощности.

Рис. 3.10. Мутовчатая мельница

Постепенно осуществляется переход к более производительным верхнебойным колесам, начали применять металл для валов и других деталей, увеличивался диаметр колеса для повышения мощности гидравлического двигателя.

В России в ХVI в. получает широкое распространение более быстроходное горизонтальное колесо с вертикальным валом (прообраз активной гидравлической турбины) – «мутовчатая мельница» (рис. 3.10).

Во Франции Р. Салем совместно с А. де Вилем в 1682 г. создали крупнейшую гидросиловую установку из 13 колес, диаметр которых достигал 8 м. Колеса приводили в действие 235 насосов, поднимавших воду из р.Сены на высоту 163 м. Эту систему, снабжавшую водой фонтаны королевских парков в Версале и Марли, современники называли «чудо Марли».

В первой половине XVIII в. строятся уже огромные водяные колеса. В Шотландии в Гриноке на большой бумагопрядильне у устья р. Клайд работало железное водяное колесо диаметром более 21 м и шириной около 4 м. На острове

Мэн в Англии было построено колесо еще большего диаметра. К середине XVIII в. водяные колеса распространились повсюду (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Водяное колесо XVII в.

В России в XVI в. на р. Лахоме в районе Вычегды действовала железоплавильня с плотиной и гидросиловой установкой для ковки железа.

В 1632 г. вблизи Тулы под руководством голландского мастера Виниуса был построен первый в России «чугуноплавительный и железоделательный» завод, машины которого приводились в действие от водяного колеса (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Водяное колесо XVII в. с нижним подводом воды, приводящее в действие кузнечный молот и меха

 

Рис. 3.13. Схема действия гидросилового комплекса XVIII в. К.Д. Фролова: 1 – плотина; 2 – водозабор; 3 – водоподвод; 4 – водяные колеса; 5 – пилорама; 6 – рудоподъемник Екатерининской шахты; 7 – рудоподъемник Воскресенской шахты; 8 – главный ствол Екатерининской шахты; 9 – главный ствол Воскресенской шахты; 10 – цепной механизм рудоподъемника; 11 – штанги приводов насосов; 12 – насосы; 13 – Александровский штрек

В 1763–1765 гг. был построен каскад установок с водяными колесами на р. Кораблихе, а в 1783–1789 гг. на Змеиногорском руднике на Алтае изобретателем К.Д. Фроловым (1726–1800) был введен в действие комплекс из трех водоподъемных установок, в том числе с верхнебойным водяным колесом диаметром 17 м.

Плотина высотой 18 м, которая подняла воды р. Кораблихи, до сих пор выполняет свои

функции. Змеиногорский комплекс гидротехнических сооружений (рис. 3.13) поражает своими масштабами. Даже сейчас можно наблюдать исполинские искусственно созданные залы, в которых когда-то вращались колоссальные по размерам водяные колеса.

Эта установка была одной из самых совершенных для того времени. Как писал А.И. Порошин, руководивший алтайскими рудниками, К.Д. Фролов проявил «знак своей ревности и любопытства», приведя все механизмы «в совершенное действие водяной силой». В конце XVIII в. в России насчитывалось около 3 тысяч заводских гидросиловых установок, некоторые из них поражают своей рациональностью и мощностью.

В Эстонии гидросиловая установка Кренгольской мануфактуры на р. Нарове суммарной мощностью 6 МВт была в 1890 г. крупнейшей в мире.

В период XVII–XVIII вв. все возрастающую потребность развивающейся промышленности в энергии могло обеспечить только водяное колесо. Водяные двигатели становились все более мощными и более совершенными, их КПД достигал 60–70%. Однако не все производства можно было разместить у реки, при эксплуатации водяных колес возникали трудности, связанные с изменчивостью стока реки в течение года. Тихоходные водяные колеса требовали достаточно сложных передаточных механизмов для увеличения скорости вращения станков.

Изобретение парового двигателя и его триумфальное шествие с конца XVIII в. существенно снизило использование водяных колес в производстве XIX в. Возрождение водяного колеса на новой основе в виде гидравлической турбины произошло в XX в., когда наступила эпоха электроэнергетики и водяную мельницу заменила ГЭС.