Энергетика феодального периода

Если в предыдущий период развития общества рост произ­водительных сил определялся преимущественно освоением новых материалов из арсенала природы (камень, бронза, железо и т.д.), то значительный рост производительных сил феодального перио­да в значительной мере был обусловлен заменой мускульной энергии человека и животных энергией неорганических источни­ков природы — воды и ветра, широким применением в качестве двигателя водяного колеса. Использование энергии воды и ветра вызвало необходимость создания различных технических уст­ройств, воспринимающих, направляющих, распределяющих и ис­пользующих эту энергию. Следовательно, в эпоху феодализма из трех частей машины, указанных Марксом, получают развитие двигатель (водяное колесо) и разнообразные передаточные ме­ханизмы.

Использование водяных и ветровых двигателей расширяется по мере роста масштабов производства таких мануфактур, как размол зерна, подъем воды, дробление руды, нагнетание воздуха в плавильные печи. Что же касается мелких мастерских и цехо­вых предприятий, то там в основном использовалась мускульная энергия человека.

Ветровая энергия все шире стала применяться прежде всего для движения судов под парусами, которые ранее (при пользо­вании в качестве двигательной силы мускульной энергии рабов) имели только вспомогательное назначение. Отказ от рабов уве­личил полезную грузоподъемность судов и способствовал выра­ботке приемов использования не только попутного, но и боковых направлений ветра. Ветряные мельницы, громоздкие даже при незначительной мощности и зависящие от ежечасных изменений скорости ветра, получили в качестве стационарных двигателей преобладающее применение там, где не было возможности использовать энергию водных потоков (например, в Голландии).

Водяное колесо, применение которого было известно еще при рабовладельческом строе, получает все более широкое распространение в качестве двигателя.

Рис. 3-1. Речное водоподъемное колесо. Колесо приводится во вращение течением воды; на ободе колеса размещены черпаки, поднимающие воду и выливающие ее в от­водной жолоб.

Рис. 3-2. Привод от водяного колеса к двум мельничным поставам. От главного вала, соединенного с водяным колесом, движение передается посредством цевочных передач на вал каждого из по­ставов с увеличением числа оборотов (на чертеже дана схема передачи; в действи­тельности оба постава расположены рядом).

Одно из самых ранних применений водяного колеса было вы­звано энергоемкой работой полива посевов. Вода, протекающая в непосредственной близости от возделываемой земли, служила и источником энергии и использовалась для орошения. Водяное колесо (рис. 3.1) устанавливалось на сваях, забитых в дно по­тока; никаких гидротехнических сооружений в виде запруд или плотин еще не применялось. Черпаки для подъема воды в форме глиняных сосудов укреплялись непосредственно на водяных ко­лесах, и во всей этой установке трудно еще отличить собственно Двигатель от механизма передачи работы и от орудия—потре­бителя этой работы.

В приведенной конструкции насущное требование заменить Малопроизводительный труд человека машиной легко сочеталось с простой возможностью удовлетворить этому требованию: изго­товление водяного колеса не требовало от человека ни особой квалификации, ни значительных затрат; был очевиден и принцип работы колес, которые «...просто и очевидно умеренною силою падающей на них воды в порядочное приводятся действие...», как писал о них русский теплотехник И. И. Ползунов.

Другим энергоемким процессом, требовавшим от человека функций двигателя, являлся процесс размола зерна в зерновых мельницах, осуществлявшийся прежде рабами, а в феодальный период—водяным или ветровым двигателем (рис. 3.2). В отли­чие от старых, ручных мельниц новые (мельницы стали назы­ваться ветряными или водяными.

С распространением водяного колеса на другие производственные процессы понятие «мельница» получило более широкое содержание: под ним стали подразумевать любые установки, приводимые в движение водяным двигателем, как, например, пильная мельни­ца, бумажная мельница и др.

Подобно тому как человек вначале просто присваивал про­дукты природы, а позднее начал воздействовать на природу с целью увеличения ее продуктов, в области энергетики также осу­ществлялся .постепенный переход к активному воздействию на природу. В гидроэнергетике это воздействие выразилось в све­дении естественного падения горизонта реки, растянутого на много километров, к искусственному падению путем устройства плотин, запруд, деривационных каналов, водостоков — пер­вых гидротехнических сооружений, позволивших использовать энергию движения воды не только в горных, но и в равнинных реках.

Водяное колесо постепенно совершенствовалось. Сооружение плотин позволило перейти от свободно стоящих в потоке колес к средненаливным (рис. 3.3), а с ростом плотин — и к верхне­ наливным колесам (рис. 3.4), дающим более высокий КПД и позволяющим получать большую мощность.

Стремление избегуть усложнения передаточного механизма при передаче движения с горизонтального вала водяного колеса на вертикальный вал мельничного постава нашло свое выраже­ние в конструкциях водяных двигателей с вертикальным валом, у которых позднее стали устраиваться не плоские, а ковшеобраз­ные лопатки, явившиеся прототипом изогнутых лопаток совре­менных активных гидравлических турбин (рис. 3.5).

Рис. 3.3. Средненаливное водяное Рис. 3.4. Верхненаливное водяное колесо. колесо.

Рис. 3.5. Водяное колесо с вертикальным валом и ковшеобразными лопатками.

В связи с ростом потребления энергии и освоением сооруже­ния плотин стало возможным устанавливать водяные колеса большей ширины, большего диаметра, дающие значительную мощность. Отвечая потребностям практики, стали строить и ре­версивные водяные колеса, могущие давать рабочее вращение вала в обе стороны (рис. 3.6).

Начиная с XIV—XV -вв., число гидросиловых установок в раз­ных странах Европы значительно увеличивается. По сохранив­шимся архивным данным наиболее ранние упоминания о приме­нении водяных колес в нашей стране относятся к XIV в. О во­дяных мельницах упоминается в грамоте «подольского князя, от­носящейся к 1375 г. В завещании Дмитрия Донского, датиро­ванном 1389 г., упоминается о мельницах, устроенных на p. Яузе и Ходынке под Москвой. Водяные мельницы на p. Яузе и Не­глинной отмечаются в завещании одного из князей, относящемся к 1440 г. По данным летописи на р. Неглинной в 1519 г. рабо­тали три зерновые мельницы и толчейная установка. На севере во владениях Соловецкого монастыря в 1560 г. было сооружено водяное колесо, а через 6 лет действовали уже три водяных ко­леса. По своему техническому устройству наиболее ранние гидро­силовые установки в нашей стране состояли, повидимаму, из подливных колес, установленных на сваях или на лодках в текучей воде; особых гидротехнических сооружений не возводили. Позднее все большее распространение стали получать гидросиловые установки с устройством плотин. Так, согласно летописи 1524 г. была сооружена гидросиловая установка на р. Волхове: «В Великом Новгороде,— гласила летопись,— замысли архиепископ Макарий мельницу поставите, где никогда не бывало, на славной реце Волхове, пониже мосту». Эта установка сооружалась под руководством Невежи Псковитина, который устроил плотину из дубовых клеток—ряжей, заполненных камнями.

О достижениях гидроэнергетики периода феодализма можно судить по таким сооружениям, как, например, Лондонская водокачка, водоподъемное устройство в Марли (Франция) и гидросиловая установка К. Д. Фролова на Алтае.

Лондонская водокачка,введенная в эксплуатацию в1582 г., представляла собой устройство из пяти подливных колес, диаметром каждое от 6 до 7 м, установленных на р. Темзе. Эти колеса приводили в действие насосы, подымавшие воду из реки (18 000 м³ в сутки) в резервуар, из которого она самотеком распределялась между потребителями по водопроводной сети из свинцовых труб. Эта установка просуществовала вплоть до 1831 г.

Водоподъемная установка в Марли для фонтанов Версаль­ского дворца (1685 г.) имела 14 подливных колес диаметром 12 м, которые приводили в действие 235 насосов, подымавших воду из р. Сены на высоту 162 ж, откуда она самотеком распре­делялась между фонтанами Версальского дворца. Система рас­ходовала до 3 000 м³ воды в сутки. В 1817 г. после 132-летней эксплуатации установка была демонтирована и заменена паро­силовым устройством.

Рис. 3.6. Подъемная машина с реверсив­ным водяным колесом (по Агриколе). Колесо имеет две системы лопастей. При на­правлении воды на лопасти одной системы колесо вращается в одном направлении; с пе­реключением подачи волы на другую систему колесо вращается в обратном направлении.

Обе описанные гидросиловые установки не предназначались для обеспечения энергией какого-либо производственного пред­приятия — мануфактуры. Между тем с развитием мануфактур энергетика водяного колеса значительно расширила свои мас­штабы и области применения. Водяные колеса стали все более и более часто привлекаться к приводу воздуходувных устройств, толчей, мешалок и подобных энергопотребителей на мануфак­турных предприятиях. Применение водяных колес для нужд ма­нуфактурного производства получило в разных странах, в том числе и в нашей стране, значительные масштабы уже в XVII в. Так, в первой половине этого столетия (1632 г.) были построены металлургические мануфактуры на .р. Тулице (1632 г.) для при­вода воздуходувок и молотов. В 1653 г. Каширский завод под Москвой использовал гидравлический каскад с четырьмя плоти­нами, обеспечивавший приведение в действие 12 .водяных колес. К 1690 г. там уже образовалось семь заводов с 30 водяными колесами. Значительное развитие получила в XVII и XVIII в-в. гидроэнергетика на Урале, богатом рудными залежами, лесом и быстрыми реками. Только за один пятилетний период (1722— 1727 гг.) видный специалист по устройству горнорудных пред­приятий В. И. Геннин построил на Урале 12 крупных заводов, ко­торые обеспечивались энергией от гидроустановок. К середине XVII в. на Урале было уже 22 завода, потребность которых в механической энергии также удовлетворялась гидросиловыми установками.

Гидросиловые установки при горнорудных, металлургических и металлообрабатывающих мануфактурах были устроены также в Олонецком крае, в Сибири и на Алтае. Уже к концу первой четверти XVIII в. в России действовали 45 металлургических и металлообрабатывающих заводов, успешная работа которых выдвинула Россию на первое место в мире то выплавке метал­ла. Все эти заводы использовали гидросиловые установки для получения энергии.

Особенного внимания заслуживают крупнейшие и наиболее оригинальные для второй половины XVIII в. гидросиловые уста­новки на Алтае, сооруженные К. Д. Фроловым. Алтайский гор­ный округ был крупнейшим средоточием выплавки цветных ме­таллов (свинец, цинк, серебро и др.). Уникальная гидросиловая установка была сооружена К. Д. Фроловым на Змеиногорском руднике. Сооружение К. Д. Фролова имело следующие отличи­тельные особенности. Прежде всего это была крупнейшая в ми­ре гидросиловая установка, предназначенная для чисто производ­ственных целей в горнометаллургической мануфактуре; в ней были использованы верхненаливные колеса, обладающие более высоким к. п. д., чем средненаливные и подливные колеса; на установке впервые был применен деривационный канал; было осуществлено последовательное использование энергии одной и той же массы воды на нескольких уровнях, т. е. осуществлен энергетический каскад; подвод воды к колесам осуществлялся на значительном (протяжении по подземным наклонным вырабо­танным штольням. Примененные К. Д. Фроловым колеса имели исключительно большие размеры, почему и назывались «сло­новыми» (диаметр наибольшего колеса равнялся до 17 м). К. Д. Фролов устроил разветвленную систему передаточных ме­ханизмов, благодаря чему удалось распределить энергию, разви­ваемую на валу водяных колес, между большим числом отдель­ных агрегатов и механизмов.

Использование энергии от гидросиловых установок не огра­ничивалось металлургическими и металлообрабатывающими ма­нуфактурами. Гидроэнергетика стала широко распространяться и на другие отрасли производства. Так, в 1727 г. в России чис­лилось 233 мануфактуры, использовавшие водяную энергию, в 1762 г. их было около 1 000, а к концу XVIII в.— около 3 000. Среди них стекольные заводы (первый пущен в эксплуатацию в 1634 г.), суконные мануфактуры (с 1650 г.), бумажные мельни­цы (с 1654 г. на р. Пахре около Москвы), шелкоткацкие, полот­няные и пр. В 1760 г. в г. Серпейске (около Калуги) Родион Глинков соорудил групповой привод от водяного колеса на «во­додействующей» механической прядильне; в 1763 г. была уст­роена гидросиловая установка на ситценабивной фабрике.