Водяной двигатель
Как мы уже знаем, первоначальной древнеримской формой гидравлической машины было нижнебойное водяное колесо. Оно продолжало оставаться единственным типом водяного двигателя в течение почти всей эпохи раннего и развитого феодализма. Только в XIV в. появляется новый тип верхнебойного колеса, оказывающий существенное влияние на энергетику складывающейся мануфактурной промышленности и служащий базой для развития машин в мануфактурный период. Главное преимущество верхнебойных колес перед нижнебойными заключалось втом, что они: 1) имели больший к. п. д., так как вообще более экономно расходовали воду; 2) обладали большой мощностью, так как использовали сравнительно большие падения воды; 3) в меньшей степени зависели от обезводнивания и замерзания реки и других изменений ее естественного течения. Сфера применения верхнебойных колес в XVI—XVIII вв., поэтому, почти универсальна. Они являются неотъемлемой частью крупных предприятий, применяющих машины на подготовительных процессах и при выполнении работ массового характера. Водяные колеса дают движение лесопильным мельницам, токарным и волочильным станкам, молотобойным, точильным и сверлильным аппаратам, воздуходувным мехам, сукноваляльным, бумажным и пороховым толчеям, шелкомотальным машинам, водоподъемным и рудоподъемным механизмам и т. д. и т. д.
В XVI в. водяной двигатель имел уже повсеместное распространение в горном деле Германии. Образцом применявшегося здесь верхнебойного колеса может служить следующее, описанное у Агриколы и изображенное на рис. 11. Вода падает из жолоба на лопатки колеса, имеющего в диаметре от 7 до 9 м. На валу колеса насажен барабан с перекинутой через него цепью нории. Последняя откачивает воду их шахты на высоту от 62 до 71 м. По свидетельству Агриколы верхнебойные колеса устраивались для насосных установок и для толчеи, раздробляющей руду.
В отличие от германской, итальянская конструкция водяного колеса конца XVI в. отличалась той особенностью, что устанавливалась на брусьях, которые можно было опускать и подымать (соответственно уровню воды) при помощи двух винтов или действием полиспаста. При этом в итальянских колесах иногда делались непроницаемые перегородки, так как ошибочно считали, что сильный напор воды на последние, с последующим ее вытеканием, ускорит быстроту вращения колеса.
Появление нового типа гидравлического двигателя имело одним из своих ближайших последствий развитие гидротехнических сооружений, без которых невозможно было эффективное использование энергии воды. Если при установке нижнебой-ных колес использовалось обычно естественное течение водяного потока, то работа верхнебойных почти всегда требовала искусственного подъема воды и планомерного ее направления на лопатки колеса. Как указывается в сочинении итальянца
Цонка, начала XVII в., для функционирования мукомольных мельниц необходимо было собранную в прудах воду отводить через шлюзы и по каменным или деревянным каналам—к колесу, при чем канал в месте расположения колеса должен иметь вдвое больший уклон, чем у шлюзного резервуара, для создания большей силы напора на лопатки.
Чтобы составить себе ясное представление о состоянии и характерных чертах гидроэнергетической базы крупной мануфактуры, мы можем, в качестве образца, взять русские металлургические заводы XVII в., основанные иностранцами в Тульском и Каширском районах, и построенные по типу лучших голландских предприятий подобного рода.
Центральным гидросооружением каждого завода являлась плотина, устройство которой обеспечивало нормальный подъем воды до высоты в 5—9 м и использование силы падающей воды для вращения колес. Плотина представляет собой земляную
насыпь, укрепленную на сваях и окруженную деревянной обшивкой. Длина ее колеблется от 85 до 200 м. Существенными частями плотины являются два водопропускных отверстия: 1. Вешняк, назначение которого — отводить избыточную воду в периоды половодья. Регулировка количества выпускаемой воды осуществляется здесь при помощи щитов, помещенных в «окнах» столбов, вертикально укрепленных в вешняке. 2. Лари, представляющие дубовые, поддерживаемые сваями желоба, заделанные досками и законопаченные мхом для того, чтобы вода в холодное время не могла замерзнуть. Назначение ларей — отводить и распределять воду между отдельными водяными колесами у самого завода. В виду этого они делаются сначала — у плотины—• широкими (до 14 м), а затем суживаются. Водяные колеса, повидимому, верхнебойного типа имели диаметр от 2.5 м ( для воздуходувных установок) до 5 м (для молотовых и сверлильных аппаратов). Во избежание замерзания воды около колес выстраивались из бревен предохранительные кожухи, а на самих колесах сверху делались покрышки «для водяного береженья, чтобы мимо колес вода не била».
Мощность верхнебойных колес и их размеры достигали высшего предела в тех случаях, когда они предназначались для приведения в движение насосов, откачивавших большие массы воды. Величайшей гидротехнической установкой XVII в. была водонасосная станция в Марли (Франция), построенная в 1688 г. инженером Ренкиным по приказу короля Людовика XIV. Она имела 13 колес, 8 м в диаметре каждое, двигавших 235 насосов. Последние поднимали воду на высоту в 163 м над уровнем Сены и направляли ее (воду) в фонтаны королевского парка в Версале.
Другой, несколько меньшего размера установкой, была водопроводная станция в Лондоне (на Темзе), снабжавшая город водой.
Однако, рекордных показателей двигатель достиг в гидравлической машине, построенной в 1785 г. на Змеиногорском руднике на Алтае русским механиком Фроловым и откачивавшей воду из залитых шахт (рис. 12). Водяное колесо имеет здесь 15 м в диаметре. Так как всасывающий насос может поднять воду только на высоту, соответствующую величине атмосферного давления (10.3 м при давлении в 760 мм ртутного барометра), необходимо было устраивать в глубоких шахтах несколько рядов насосов, стоящих на различном уровне. Стоявшие на дне шахты насосы (2 ряда, по 9 в каждом) накачивали воду в корыта, откуда ее набирали более высоко стоящие насосы, передававшие воду в корыто и т. д. Такая система позволяла поднимать воду на высоту в 100 м. Поршневые штоки насосов вытягивались при помощи цепи, приводившейся в движение кривошипом водяного-колеса. Обратное же движение осуществлялось собственным весом поршневых приспособлений.
Другая колоссальная машина, устроенная Фроловым на Преображенском руднике, служила для подъема руды из шахты (рис. 13). Перед тем как поступить в жолоб, изображенный в левой части рисунка, вода наполняла установленный над колесом ларь, имевший три «окна» с клапанами. При открытии одного из двух главных клапанов вода падала то на левый, то на правый ряд лопаток, на которые колесо было разделено по ширине обода.
Так как лопатки в каждом ряду были обращены в противоположную сторону, колесо можно было попеременно вращать то в одну, то в другую сторону, так что достигалось так наз. реверсивное (возвратное) действие.
Третий клапан служил для отвода воды в подземный канал в те моменты, когда колесо стояло. На валу колеса наматывались два каната с таким ресчетом, чтобы одновременно происходило накручивание каната, поднимавшего бадью с рудой, и сматывание другого, опускавшего пустую бадью в колодец шахты. Остановка водяного колеса осуществлялась нажиманием тормозного рычага о другое колесо меньшего размера, насаженное на ту же ось. Всего Фроловым было построено четыре гидравлических двигателя. Наибольший из них имел высоту современного пятиэтажного дома. Для питания всех колес водой пришлось, запрудив реку, соорудить грандиозную плотину высотой в 22 м, длиной в 120 м и шириной в 18 м. Вода, поднявшаяся за плотиной, образовала огромную запруду в б кв. км площадью.
Несмотря на те циклопические размеры, которые принимал порою гидравлический двигатель, мощность его, по сравнению с современными механическими двигателями, была крайне ничтожной. Достаточно сказать, что величайшее из существовавших когда-либо на свете водяных колес, построенное на о-ве Мен в Англии, имело мощность не более 200 л. с. Обычные же водяные колеса имели мощность, не превышавшую, десятка лошадиных сил. Естественно поэтому, что по мере разрастания передаточного и исполнительных механизмов мануфактуры, недостаточная сила водяного колеса должна была все более отчетливо обнаруживаться. Количественное разрастание гидравлической машины наталкивалось на определенные границы, связанные прежде всего с низким уровнем тогдашнего машиностроения.
Преодолеть эти границы пытались прежде всего путем внесения качественных изменений в конструкцию водяного колеса. Еще в XV в. возникает идея горизонтального водяного колеса, представляющего прототип современной гидротурбины. Зарисовки такого колеса мы имеем в черновых тетрадях Леонардо да-Винчи. В середине XVI в. турбинные колеса получили уже повидимому значительное распространение во Франции. Чертеж и описание их конструкции даны в работе французского инженера Бессона.
С начала XVII в. появляется новый тип горизонтального колеса с ковшеобразными лопатками, имеющий некоторое сходство с современным коле-
сом Пельтона (рис. 14). Все эти колеса применялись, как правило, в мельничных установках. Отличие нового типа гидравлического двигателя от старого заключалось в том, что в нем отдача энергии воды происходила постепенно, путем изменения скорости и направления
течения воды, а также —
в том, что вода протекала по лопаткам, последовательно подвергавшимся воздействию со стороны воды. Эти качества турбины обеспечивали большую эффективность действия ее по сравнению с вертикальными колесами.
В середине XVIII в. известный физик Сегнер предлагает новый тип турбины, так наз. реактивного действия: движение колеса происходит здесь в обратном направлении, в силу реакции вытекающей воды. Эта турбина известна в учебниках физики под названием Сегнерова колеса.
Оригинальной конструкции турбину предложил знаменитый математик XVIII в. Леонард Эйлер, разработавший также математико-механическое основание действия таких колес.
Однако, несмотря на довольно разнообразное творчество в области конструирования турбин, этот тип двигателя в своей мануфактурной форме не мог преобразовать энергетическую базу тогдашней промышленности как вследствие своего технического несовершенства, так и, в особенности, в силу недостаточной разработанности теоретической стороны вопроса.
Вследствие этого, на ряду с попыткой качественной трансформации водяного двигателя, в мануфактурный период начинаются поиски нового типа двигателя, использующего энергию пара.