Вода льется—и мелет, толчет, пилит, кует и откачивает воду

текст Владимир Алтунин, кандидат технических наук, доцент МАДИ-ГТУ

Валерий Волшаник, доктор технических наук, профессор, Московский государственный университет природообустройства

Сергей Пьявкин, руководитель сектора проектирования НКС "Волга"

Ольга Черных, кандидат технических наук, профессор, РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева

Использование энергии речных потоков началось в России еще в глубокой древности. В весьма ранних памятниках русской письменности встречаются такие термины, как "мельник", "мельница". Водяные мельницы в России строили сначала для переработки продуктов сельского хозяйства, прежде всего для привода мукомольных поставов, а затем крупорушек и сукновален. В не столь давние времена практически весь урожай зерновых в России перерабатывался в муку исключительно на водяных и ветряных мельницах; одна мельница строилась на 15-20 сельских домов, а то и чаще.

Но уже в XVI в. водяной двигатель в России используется не только для переработки сельскохозяйственной продукции, но и в металлургии, добыче полезных ископаемых, обработке камня. Примерный перечень технологических операций, выполнявшихся в России в XVIII веке с помощью водяных двигателей, приведен в таблице 01 .

Наибольшее распространение получили именно мельницы. Внешний вид здания мельницы существенно зависел от места ее постройки и от компоновки основного оборудования и назначения мельницы, а также от строительных конструкций сооружения. Так, для северных земель, Карелии характерна простая деревянная конструкция, без каких-либо архитектурных изысков. Мельницы европейской части России имеют отличия в архитектуре от своих северных аналогов. Здание мельницы, построенное в черте города, могло быть выполнено из кирпича или камня, что свидетельствовало о состоятельности владельца.

Принципиальная схема работы водяной мельницы с верхней подачей воды показана на рисунке 01. Вода, поступающая из лотка, падает на большое колесо [01], состоящее из двух ободов одинакового диаметра, соединенных перегородками "лопатками", образующими ковши. Вода, попавшая в верхний ковш, под действием силы тяжести толкает колесо и выливается по мере движения вниз. Отметим, что верхний способ подачи воды обеспечивает большую мощность на вале колеса, но требует строительства гидротехнических сооружений (плотина, запруда) для накопления и подъема воды на высоту колеса.

Вместе с колесом [01]на горизонтальном валу закреплено зубчатое колесо [02]меньшего диаметра, приводящее в движение шестерню [03]на вертикальном валу. На нижнем конце вертикального вала жестко крепился верхний, подвижный жернов (бегун), в то время как нижний (лежняк) оставался неподвижным. Зерно, попадая между камнями, перемалывалось в муку, а тонкость помола определялась зазором между камнями. Жерновые камни изготавливались из особых пород мелкозернистого кварцевого камня или песчаника или же из искусственной смеси.

На соприкасающихся поверхностях бегуна и лежняка создавались достаточно сложные по конфигурации системы бороздок, обеспечивавших перемещение зерна и муки от центра жернова к его периферии, а также вентиляцию и охлаждение жернова. Расстояние между камнями регулировалось специальным механизмом. Размеры камней и частота вращения бегуна выбирались в зависимости от требуемой производительности мельницы и вида размалываемого материала.

Работы по толчению органических и минеральных материалов на мельницах выполняются с помощью толчеи — измельчающей или шелушильной машины ударного действия. Рабочий орган толчеи — пест, совершающий прямолинейное возвратно-поступательное движение в ступе или, чаще на мельницах, системе ступ (как правило, бревен), линейно укрепленных на горизонтальном поворачивающемся валу и оканчивающихся внизу над деревянным слабо наклоненным лотком.

Устройство песта более жесткого и с большей скоростью удара позволяет создавать механизм для обработки металла ударным воздействием. Конструирование механизмов с формой движения рабочего органа, обеспечиваемой исполнительными органами водяной мельницы, — вращательной или возвратно-поступательной, позволяет обеспечить выполнение разнообразных операций.

На рисунке 02 показана простейшая схема преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное. Такое преобразование требовалось, например, в пилорамах.

Общим для перечисленных в таблице 01 операций является наличие только механической энергии, которая и вырабатывается водяными колесами путем использования вечно возобновляющейся экологически чистой энергии водных потоков.

Использование энергии воды для совершения повторяющихся механических операций получило в России новое развитие во время промышленного подъема на Урале в начале XVIII века. Водяные двигатели на металлургических заводах, построенных по указу Петра I общим числом более двухсот, приводили в движение меха, подающие воздух в печь, и молоты. Для достижения требуемой мощности таких двигателей, существенно превосходящей мощность мельничного колеса, возникала необходимость в строительстве гидротехнических сооружений для повышения уровня воды, некоторые из которых — пруды, каналы, тоннели, каменные плотины — сохранились до сих пор и в настоящее время являются памятниками культуры, охраняемыми государством.

Вторая половина XVII века и XVIII век — золотое время водяных двигателей, в России и в мире. На Сене построили грандиозную установку для питания водой фонтанов Версаля, состоявшую из 14 колес диаметром 12 метров. От колес приводились в действие поршневые насосы, поднимавшие 3000 тонн воды в сутки на высоту около 200 метров. В Шотландии на бумагопрядильной фабрике работало колесо диаметром около 20 метров и шириной 4 метра. В России в конце XVIII века действовало несколько тысяч гидросиловых установок, главным образом на горных заводах. Самая известная из них — машина для откачки воды из шахт, построенная русским механиком Козьмой Фроловым в 1785 г. на Змеиногорском руднике на Алтае.

Поступление воды в шахты было одной из главных проблем, мешающей работе рудокопов. Без использования машин воду приходилось поднимать вручную; этим непрерывно занимались водоносы, передающие друг другу вверх полные ведра, вниз — пустые. Это была тяжелая и опасная работа, не связанная к тому же непосредственно с добычей руды. Кроме того, постоянно поступающая вода ограничивала глубину шахт. Необходимость в машине для откачки воды на Змеиногорском руднике возникла после истощения верхних слоев земли, ранее богатых золотой и серебряной рудой. Рудник был собственностью царской семьи, так что уменьшение притока в казну драгоценных металлов представляло собой государственную проблему.

Гидросиловая установка Фролова — одна из самых больших, когда-либо созданных в мире. Вода откачивалась отсасывающими насосами, каждый из которых мог поднимать воду не более чем на 10 метров — столб воды такой высоты создает давление, равное атмосферному. Соответственно, для откачки со дна шахты требовался целый каскад насосов — нижний насос откачивал воду в большое корыто, из которого верхний поднимал ее в корыто на следующем уровне. Поршни насосов приводились в движение водяными колесами, самое большое из которых достигало в диаметре 15 метров. Чтобы обеспечить необходимую мощность водяного потока для вращения колес, речку Змеевку перегородили плотиной длиной больше 100 метров и высотой около 25 метров. Образовался пруд площадью несколько квадратных километров.

С запуском машины Фролова рудник в Змеиногорске получил вторую жизнь, добыча драгоценных металлов на нем велась еще около ста лет. Энергия падающей воды использовалась не только для осушения шахт, но и для подъема руды на поверхность и ее обогащения: такую машину Фролов построил на Преображенском руднике.

В XIX веке гидросиловые установки постепенно вытесняются паровыми двигателями. Их преимущества — отсутствие привязки к рекам, возможность обеспечить высокую скорость на валу двигателя, компактность, мобильность и более высокая мощность при сравнимых массе и размерах — оказались решающими. Однако и в начале XX века энергия воды еще использовалась достаточно широко: анкета русского технического общества, проведенная в 1912 г., зарегистрировала 45449 гидросиловых установок общей установленной мощностью 686856 л.с., из них 470962 л.с. вырабатывались водяными колесами.

В конце XIX века водяные двигатели неожиданно получили шанс на возрождение. 30 сентября 1882 г. в США заработала первая в мире гидроэлектростанция. Водяное колесо приводило в движение динамо-машину. Вырабатываемая ею электроэнергия использовалась для освещения жилых домов и производственных помещений на местной фабрике. Со временем водяные колеса заменили турбинами, обладающими более высоким коэффициентом полезного действия и позволяющими использовать не только потенциальную энергию воды, падающей с некоторой высоты, но и кинетическую энергию ее движения. Примечательно, что гидротурбины начали создавать задолго до первых электростанций. В России первые турбины строил в 30-40-х годах XIX века уральский крепостной мастер Игнатий Сафонов, их использовали на заводах. В настоящее время гидротурбины, имеющие размер, сравнимый с размером водяных колес, превосходят их по мощности в сотни раз.

Сегодня новую жизнь гидросиловым установкам дает малая гидроэнергетика. Микро- и мини-ГЭС постепенно получают распространение, особенно в труднодоступных районах, где затруднено централизованное электроснабжение. Конечно, энергию падающей воды используют уже не для помола зерна, а для выработки электричества. На смену деревянным водяным колесам пришли металлические турбины, гидросиловые установки стали более компактными, надежными и менее шумными. С учетом того, что альтернативная энергетика во многих странах поддерживается на государственном уровне, малая гидроэнергетика имеет неплохие перспективы.

Большое колесо маленького острова

Самое большое в мире действующее водяное колесо находится на одном из островов Ирландского моря в деревне Лакси. Его диаметр — 22 метра, а высота — 18 метров. Колесо было построено в середине XIX века для откачки грунтовых вод из рудников, где добывали свинец, цинк и другие металлы. К тому времени паровые двигатели уже потеснили водяные, однако на острове не было угля, а его доставка стоила довольно дорого. Необходимую энергию для работы насосов, откачивающих воду, могли дать многочисленные горные речки острова. Идею построить водяной двигатель осуществил местный инженер Роберт Кэйсмент. Большие размеры колеса обусловлены тем, что из шахт требовалось поднимать около тонны воды за минуту с глубины в полтора километра. Мощность, развиваемая колесом, должна была составлять порядка мегаватта, или немногим больше тысячи лошадиных сил.

Сейчас колесо для откачки воды уже не используют, его запускают время от времени только для туристов.