История науки и техники. Энергомашиностроение

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.