4. Водяные колеса и турбины
4.1. Водяные колеса
Первое описание водяного колеса принадлежит Витрувию (Vitruvius), архитектору и инженеру Древнего Мира, жившему во времена Юлия Цезаря (Julius Caesar) и императора Августа (Emperor Augustus). Однако многие ученые предполагают, что эту машину изобрели не римляне, а «варвары», жившие в Северной Италии (древняя Галлия Цизальпийская). В этой части полуострова имеется много полноводных рек в отличие от засушливого античного Средиземноморья. По версии французского историка Жака ле Гоффа (Hoff) водяная мельница с горизонтальным колесом и вертикальным валом была известна в Иллирии со II в. до н. э., а в Малой Азии с I в. до н. э.
Рис. 4.1. Виды водяных колес
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. До нашего времени дошли стихи одного из античных поэтов, македонянин Антипатр Фесалоникский, посвятил водяной мельнице дошедшую до наших времен оду, свидетельствующую о древности этого устройства:
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.
Нужно сказать, что применение водяных мельниц в Элладе было довольно ограниченным – технические потребности того времени вполне обеспечивались энергетически мускульной силой рабов и домашних животных.
Первое упоминание о водяной мельнице в Центральной Европе относится к 340 году – тогда одна из них была запущена на Мозеле. В VI веке водяная мельница появляется во Франции – она заработала в Дижоне. В Англии водяная мельница появилась примерно в VIII веке.
Первое упоминание о гидросиловой установке в Москве относится к 1389 г.: Дмитрий Донской завещает своей жене село с мельницей на реке Яуза. Первое упоминание об использовании водяного колеса не для помола зерна, а для производства бумаги в нашей стране датируется 1564 г. Недавно в Москве на берегу реки Хапиловки, убранной в трубу, сооружен памятник легендарному мельнику Хапило, который изображен на фоне водяного колеса.
По всей вероятности толчком для создания помимо необходимости иметь устройство для помола зерна явилось наблюдение за действием потока воды на подвижные и неподвижные деревянные предметы: стволы деревьев, перегородки каналов, опоры мостов и т. д. Витрувий довольно подробно описывает устройство и изготовление водяного колеса для мукомольной мельницы. К валу из тщательно обтесанного или обточенного на токарном станке бревна прикрепляются радиально четыре или восемь досок, которые соединяются с двумя плоскими кольцевыми щеками. Между щек укрепляются радиально или с наклоном плоские лопасти или лопатки. Часто, при малых размерах, щеки отсутствуют. Концы вала обиваются железом. Вал устанавливается на станине в подшипниках, которые изнутри также обиваются железом. Вал может располагаться вертикально (тогда колесо вращается в горизонтальной плоскости) или горизонтально (тогда колесо вращается в вертикальной плоскости. В первом случае вода к колесу подводится по специальному каналу, во втором случае колесо находится непосредственно в реке. Вертикальный вал легко соединяется с мельничными жерновами, однако скорость вращения водяного колеса (до 8 оборотов в мин.) мала для большинства орудий. В случае же применения зубчатой передачи преимущество колес с горизонтальной осью становится бесспорным. Поэтому этот вид водяного колеса стал очень быстро основным. Иногда вместо боковых щек вал соединялся с цилиндрическим ободом, на наружной поверхности которого размещались лопатки.
Мощность горизонтально расположенного колеса с вертикальным валом не превышала 1 л.с., коэффициент полезного действия составлял от 5 % до 15 %.Наибольшее распространение получили подливные или нижнебойные колеса и наливные или верхнебойные. Первые были проще и требовали меньше затрат на изготовление. Подливные колеса могли работать в любых потоках при умеренной величине скорости воды. Наиболее эффективны они были в узких протоках и каналах. Мощность нижнебойного колеса обычно составляла 3–5 л.с., а кпд – 20–30 %. В верхнебойных колесах вода падала сверху на лопатки или на черпаки, приделанные к ободу колеса. Колесо приводилось в движение как за счет ударного действия струи воды, так и под действием силы тяжести. Для работы верхнебойных колес нужно поднимать уровень воды при помощи плотин, поэтому затраты на сооружение мельницы были больше, чем при использовании подливных колес. Разумеется, повышались и показатели эффективности. При высоте падения воды от 3 до 12 метров верхнебойные колеса имели коэффициент полезного действия 50–70 % при мощности до 40 л.с.
Иногда применялись среднебойные колеса, в которых вода подводилась сверху, но не к верхней точке колеса, а к средней. Такие машины требовали меньших строительных затрат. Самое мощное в мире водяное колесо (450 л.с.) было построено по этой схеме в России в г. Нарве. Диаметр колеса был 9,2 м., ширина – 7,6 м. При напоре около 5 м. частота вращения достигала 4 оборотов в минуту.
Первые водяные колеса делались целиком из дерева. В XIX в. появились металлические колеса, они были более быстроходными: до 20 оборотов в минуту у колес для прокатных станов.
Рис. 4.2. Средневековое водяное колесо
В X в. «Сен-Бертинские анналы» описывали сооружение аббатом водяной мельницы близ Сент-Омера как «дивное зрелище нашего времени». В XI–XIV вв. происходит интенсивное распространение водяных мельниц в Европе. Так в X в. в одном из кварталов Руана существовало две мельницы, в XII в. появляются пять новых, в XIII – еще пять новых, а в XIV в. – еще четырнадцать. Духовная аристократия побуждала в какой-то мере развивать техническое оснащение монастырей для уменьшения времени на материальные затраты. Монашеские ордена часто находятся в авангарде усовершенствования водяных и ветряных мельниц, сельскохозяйственных орудий. В Раннем Средневековье тому или иному святому подчас приписывали изобретение водяной мельницы, хотя он просто поставил ее в этом районе. Водяная мельница сначала применялась только для помола зерна. В соответствии с уставом Бенедикта Нурсийского монахи должны быть изолированы от мирян, ведя самостоятельное хозяйство, занимаясь как физическим трудом, так и духовными делами – размышлениями, чтением книг и молитв. Механизация таких трудоемких работ, как помол зерна, позволял иметь больше свободного от тяжелых работ времени. Феодалы также способствовали развитию техники, заставляя своих крепостных привозить зерно только на свои мельницы. Монополия первоначально ограничивалась только помолом зерна, затем она распространилась и на другие виды работ. Согласно «Книге Страшного суда» (1086 г.) в Англии в конце XI в. насчитывалось 5624 мельницы. Мельница являлась центром общения, ибо крестьяне, свозившие туда свое зерно, должны были поджидать в очереди муку. Можно с большой долей вероятности предположить, что там обсуждались нововведения. Оттуда же они начинали распространяться. На мельницах, возможно, созревали мысли о восстаниях против власти. Два факта: статуты монашеских орденов предписывали монахам собирать на мельницах пожертвования. Проститутки столь часто посещали окрестности мельниц, что монахам предписывалось заниматься там борьбой с этим пороком.
Постепенно приложения гидроэнергетики расширялись: в сукновальном деле, для обработки конопли, дубления кожи, в пивоварении, для заточки инструментов. Эти процессы шли не синхронно, иногда наблюдался регресс. Англия переживала подлинный расцвет лишь с конца XIII в., и в этом видят самую настоящую «промышленную революцию». Железоделательная мельница знаменует подъем кузнечного дела в XIII в., хотя первое упоминание о ней датируется 1197 г. для одного монастыря в Швеции. Первая бумажная мельница существовала с 1238 г. в Ятове (Испания), в Италии она появилась в 1268 г. (Фабриано), во Франции – в 1338 г. (Труа), а в Германии – в 1390 (Нюренберг). Гидравлическая пила в 1240 г. была еще диковиной. Соединение водяного колеса с кулачковыми или с кривошипными механизмами позволило значительно расширить сферу его применения. К XVI столетию энергия воды использовалась не менее чем в 40 различных производственных процессах. К 1750 году тенденция продолжала сохраняться. Для увеличения мощности стали применяться групповое размещение колес. Поэтому начавшаяся в конце XIX в. замена водяных колес на паровые машины не принесла существенных изменений в промышленности, так как мощность первых паровых машин была не свыше 20 л.с. Начало промышленной революции связано с широким применением энергии воды в первую очередь для хлопкопрядильного производства. Одновременно с расширением областей применения происходило усовершенствование конструкции самого колеса. Так в 1826 г., когда появилась первая водяная турбина, французский механик и инженер Понселе (Poncelet, Jean-Victor) предложил новый гидравлический двигатель с изогнутыми колесами и центростремительным движением воды: от периферии колеса к центру. Да и классические водяные колеса за счет наивыгоднейшего сочетания размеров и формы достигали постепенно предела своих возможностей. Наиболее значительные работы связаны с именем видного английского инженера Джона Смитона (Jhon Smeaton), современника изобретателя паровой машины Уатта. Поэтому водяные колеса продолжали строиться в XIX и даже в XX в., постепенно уступая свое место другим энергетическим машинам. Так, по материалам переписи 1861 г. на уральских заводах работало свыше 1600 водяных колес общей мощностью около 30 КВт. В горных районах Европы на малых реках водяные мельницы продолжают обслуживать людей в наши дни, неустанно и бесшумно вращаясь под журчащим потоком прозрачной струи.
Рис. 4.3. Колесо Понселе
Рис. 4.4. Водяное колесо Смитона
4.2. Наиболее интересные сооружения с водяными колесами
В XVI–XVII вв. в Европе для водоснабжения городов часто применялся привод поршневых насосов от водяных турбин, установленных под арками моста. Впервые такой комплекс был сделан в 1570 г. в Данциге, а в 1582 году голландский инженер Петер Морис (Peter Morice) предложил эту систему лорду-мэру и олдерменам Лондона. Воду получали верхние этажи самых высоких зданий, а при первых испытаниях струя воды поднялась выше шпиля церкви святого Магнуса, находившейся поблизости. Водоподающая станция у Лондонского моста произвела такое впечатление на современников изо всех слоев общества, что изобретателю и его наследникам было дано право на аренду моста сроком на 500 лет. В дальнейшем для подачи воды стали использовать насосы конструкции Сэмюэля Морленда – дипломата и изобретателя эпохи Английской буржуазной революции. Они отличались большим ходом, поршень был выполнен из меди, а чугунный цилиндр снабжен кожаной манжетой.
В XVII в. по приказу короля Людовика XIV грандиозный комплекс был построен вблизи Версаля в Марли на реке Сене. Проект был представлен в октябре 1678 двадцатилетним офицером Арнольдом де Вилье (Arnold D’villier), затем была построена модель. Строительство под руководством фламандского инженера Р. Суаля (Soulle) продолжалось с 1679 по 1686 г. Плотина отводила воду к 14 подливным (нижнебойным) колесам. Каждое колесо имело диаметр 11 м. и ширину 2,3 м. С помощью системы коромысел и кривошипных механизмов колеса приводили в движение 259 поршневых насосов, разбитых на три группы и установленных на трех уровнях. Первая группа подавала воду на высоту 50 м., вторая – еще на 75 м, наконец, третья группа перекачивала воду в акведук, находившийся в километре от реки, на высоту 152 м. Затем вода самотекам поступала к знаменитым фонтанам Версаля.
«Машина Марли» была самой мощной установкой своего времени, однако при мощности на валу в 500 л.с. к насосам поступало только 150. Остальное терялось в громоздком передаточном механизме.
Рис. 4.5. Гидротехнический комплекс в Марли
В 20-х годах XVIII в. на Урале в Екатеринбурге была построена громадная дамба, обеспечивающая работу 50 верхнебойных колес. Индустриальный комплекс на базе этой энергетической установки обеспечивал работу 22 молотов, 107 мехов и 10 волочильных станов. Большой вклад в дело строительства гидроустановок на Урале внес выдающийся горный инженер В. И. Рожков. Водяные колеса уральских заводов обычно размещались внутри производственных мастерских для обеспечения эксплуатации во время суровых русских зим.
Венцом русской и мировой энергетики на базе верхнебойных водяных колес являются знаменитые установки русского инженера К. Д. Фролова на Алтае. Для получения предельной мощности Фролов построил самые большие в мире водяные колеса с наружным диаметром до 19 метров (так называемое «слоновое колесо»). В России плотницкое дело всегда было развито, но деревянное колесо таких размеров нельзя было построить без основательных знаний, полученных в горнозаводской школе и на опыте прежних созданий на Урале, в Петербурге и на ставшем родном Алтае. Поражали современников и остальные части сооружения в Змеиногорских рудниках: насосы, приводы к ним, плотины и пруды с запасом воды. Некоторые насосы подавали воду на большое расстояние к другим водяным колесам меньшего размера и мощности. Таким образом, К. Д. Фролов создал одну из первых гидропередач. На руднике энергия воды обеспечивала откачку воды, подъем руды и ее промывку, перемещение вагонеток. Приведем описание восхищенного современника: «Кто посещал Змеиногорский рудник, тот, конечно, с удовольствием осматривал производимые на оном работы, превышающие, кажется, силы человечества, и механические устройства, облегчающие труды рудокопателей при извлечении сокровищ из недр земных. Удивленный путешественник спросит невольно: кем устроены в глубоких храминах земли сии огромные колеса, каких не существует ни в одном из российских рудников? Изобретатель сего механизма есть берг-гауптан 6-го класса Кузьма Дмитриевич Фролов» («Горный журнал», кн. 7, стр. 159, 1827).
Рис. 4.6. Гидротехнический комплекс К. Фролова
4.3. Водяные или гидравлические турбины
В 1750 г. венгр Янош Сегнер (Segner), работавший с 1735 по 1755 г. профессором физики и математики Геттингенского университета предложил на суд общественности водяное колесо нового типа. Оно напоминало по принципу действия известный с античности эолипил Герона. Сегнерово колесо (это название сохранилось до наших дней) состоит из вертикальной подводящей трубы, к которой прикреплены свободно вращающиеся горизонтальные трубы с горизонтальными же отогнутыми в противоположные стороны открытыми концами. Через отверстия вытекает жидкость, приводя во вращение колесо в соответствии с законом сохранения импульса. В настоящее время это устройство применяется как демонстрационная машина и для полива растений. В Европе изобретение Сегнера вызвало большой интерес, так как известные типы водяных колес уже не удовлетворяли растущих потребностей промышленности. Однако коэффициент полезного действия этой машины был лишь около 50 %.
Рис. 4.7. Сегнерово колесо
По всей вероятности поэтому член Петербургской Академии наук Леонард Эйлер в 1751–1755 гг. провел анализ рабочего процесса колеса Сегнера, создав основы теории лопаточных или лопастных машин. Эйлер предложил также свою конструкцию гидравлического двигателя с неподвижным направляющим аппаратом и рабочим колесом с криволинейными лопатками. Он получил небольшое распространение, так как его энергетическая эффективность несущественно отличалась от эффективности известных ранее машин при большей сложности и дороговизне конструкции.
Следует отметить, что в 1745 г. в Лондоне была опубликована книга Дезагюлье, в которой дано детальное описание водяного двигателя изобретенного в Англии Баркерсом практически одинакового по конструкции с Сегнеровым колесом.
И колесо Сегнера, и колесо Баркерса устраняли главный недостаток старых конструкций: использование для подвода и отвода воды только части окружности рабочего колеса. Очевидно, верхнебойное или нижнебойное колеса не смогут работать при полном погружении в воду.
В 1823 г. Общество содействия национальной промышленности Франции объявило конкурс и назначило награду за усовершенствование водяного колеса. Это мероприятие умножило усилия изобретателей. Во Франции в это время сложилась инженерная школа с хорошей теоретической подготовкой и солидными практическими знаниями по созданию надежных быстроходных конструкций.
В 1826 г. французский профессор Бурден (Burdin), очевидно знакомый с работами Эйлера, предложил гидравлический или водяной двигатель, впервые названный им турбиной. Латинское слово turbo, turbinus означает волчок. С тех пор этот термин применяется во многих языках. В русском языке наряду с термином лопаточная машина используется эквивалентный термин турбомашина. В двигателе Бурдена имеются два основных рабочих органа, присущих всем современным турбинам (гидравлическим, паровым, газовым), – подвижное рабочее колесо (иногда называемый ротором турбины) и неподвижный направляющий аппарат. Вода подводится внутрь направляющего аппарата и направляется к периферии рабочего колеса, это – центробежная машина. Бурдену не удалось найти надлежащую форму лопаток турбины, поэтому коэффициент ее полезного действия был низок. Тем не менее, ему в 1827 г. вручили часть награды.
Рис. 4.8. Турбина Фурнейрона
Действительную заслугу по созданию первой водяной турбины, получившей промышленное значение, принадлежит ученику Бурдена Фурнейрону (Fourneyron), который построил в 1827 г. турбину мощностью 6 л.с. Коэффициент полезного действия этой турбины был таким же, как и у лучших водяных колес (около 70 %), но при значительно меньших габаритах. Расход воды через турбину легко регулировался при помощи цилиндрического щита, перемещающегося между рабочим колесом и направляющим аппаратом. Турбина Фурнейрона, как и турбина Бурдена, является центробежной машиной с внутренним подводом воды, однако автору впервые удалось достаточно точно рассчитать форму лопаток в соответствии с параметрами потока. Более совершенную разновидность такой турбины мощностью 50 л.с. для привода кузнечного молота он построил в 1832 г. и получил за это вознаграждение в 6000 франков. Габариты водяных турбин стали быстро увеличиваться, их мощность к 1855 г. возросла до 800 л. с (усовершенствованная турбина Фурнейрона). В дальнейшем гидравлические турбины стали применяться главным образом для получения электроэнергии. Вертикальная турбина Фурнейрона строилась до начала XX в. с различными модификациями: подвод воды позже осуществлялся снизу, подводные опоры были заменены надводными, улучшалась система регулирования, применялась схема с двумя рабочими колесами и несколькими направляющими венцами. Турбина Фурнейрона применялась и для низких и для высоки напоров, недостижимых для прежних водяных колес (до 100 м.). Она хорошо работала и над и под водой при значительном превышении нижнего уровня над колесом, что не имело места у водяных колес традиционной конструкции.
Рис. 4.9. Турбина Сафронова
Первая водяная турбина в России была построена на Алапаевском чугуноплавильном и железоделательном заводе. Эта турбина, мощностью в 35 л.с. сконструирована и построена плотинным мастером И. Е. Сафоновым в 1837 г. Она представляла собой чисто радиальную турбину с внутренним подводом воды. По всей вероятности, это изобретение можно считать самостоятельным достижением уральского мастера, так как описание турбины Фурнейрона на русском языке появилось только в 1839 г. в Горном журнале.
На протяжении последующих пятидесяти лет в Европе и Северной Америке появилось много новых систем турбин. Больше всего на развитие гидротурбостроение оказали осевая турбина Жонваля (Jonvalle, 1843 г.), радиальная турбина Френсиса (Fransis, 1847 г.), активная тангенциальная турбина Пельтона (Pelton, Lester Allan).
Рис. 4.10. Турбина Жонваля
Турбина Жонваля кроме направляющего аппарата и рабочего колеса имела третий основной рабочий орган – отсасывающую трубу. Она нашла широкое применение, и строилось рядом заводов около 60 лет, постепенно вытесняя турбину Фурнейрона. Эти турбины строились одновенечными, двух- и трехвенечными. Они могли иметь либо вертикальную, либо горизонтальную ось. До 1890 г. максимальная единичная мощность турбин Жонваля не превышала 500 кВт при частоте вращения до 200 об. в мин., так как часто они отдавали свою механическую энергию через трансмиссии (зубчатые, ременные или канатные) к машинам-орудиям, которые располагались поблизости от турбин. После получения после 1891 г. возможности передачи электрической энергии на большие расстояния в связи с созданием трансформаторов, турбины стали напрямую соединяться с генераторами. Мощность турбин возросла за десятилетие в более чем в два раза, достигнув величины до 1200 кВт. В России осевые турбины Жонваля строились в Риге, Москве и на заводах Урала.
Конец ознакомительного фрагмента.