Как ни бедно наследство в области водного хозяйства, оставленное царским правительством Стране Советов, было бы неправильно ограничивать историю русской гидротехники и гидроэнергетики и связанного с ними изучения водной сети последними десятилетиями Архивные документы сохранили нам память о ряде относящихся к XVI—XVIII вв. выдающихся творений наших далеких предшественников, которые, идя оригинальными творческими путями, во многом опередили мировой опыт.
Важным и необходимым этапом исследований водоносности рек и стока является изучение путей стока, т е речных систем. Летописи и исторические документы свидетельствуют, что изучение рек и озер как путей сообщения было начато еще в древние времена. К середине XVI в гидрографическая сеть была довольно правдиво и подробно дана на карте «Большой чертеж» и описана в «Книге Большому чертежу», составленной в Москве в начале XVII в и содержащей исключительно ценные гидрографические сведения о нашей Родине.
Уже в летописях начала XVI в встречается описание смелой попытки некоего псковитянина использовать энергию такой крупной реки, как Волхов запрудить реку в районе Новгородского кремля и построить при ряжевой запруде мукомольную мельницу. В этот же период начинается строительство не только ряжевых, но и каменных плотин. В XVII в строятся заводы с машинами, приводимыми в движение силой воды. Нельзя не отметить своеобразную схему полного использования водных ресурсов (12-ступенчатый каскад мельничных установок), принятую в XVII в у Каширы, свидетельствующую о знакомстве русских техников с принципами экономического использования рек.
В начале XVIII в гидротехник-самоучка М. И. Сердюков создает первое крупное водохранилище для целей судоходства — «Заводское водохранилище», регулировавшее сток рек Цны и Шлины и питавшее водой как Волжскую, так и Мстинскую ветви Вышневолоцкой системы, которая соединила Волжский бассейн с Балтийским морем. Водой этого водохранилища, имевшего площадь зеркала 70 км2 и объем сливной призмы 170 млн. м1, питались многочисленные гидромеханические установки, обслуживавшие различные производства, отсюда и название его — «Заводское водохранилище». Оно существует в реконструированном виде до настоящего времени.
Регулирование стока получило широкое развитие в гидроустановках уральских заводов петровского времени с перепуском воды из разных водосборных бассейнов в один, что обеспечивало высокую нагрузку на одно, преимущественно наливное колесо. В связи с этим были осуществлены гидравлические туннели протяженностью до километра и более.
В качестве регулятора стока широко использовались озера. Особый интерес представляет схема Пыскорского завода, сооруженного в 1723 г на одном из притоков р Камы Каскад состоял из трех плотин, причем верхняя установка имела водохранилище, служившее сезонным регулятором всего каскада Каскадное регулирование было применено и на Олонецком заводе, в трех водохранилищах собиралось до 75 млн. м3 воды, питавших восемь колес на 165 л с. Крупнейшие водохранилища того времени — Воткинское, Верхне-Исетское, Кыштымское (на Урале) — обладали полезным объемом до 100 млн. м3 и площадью зеркала до 70 км2.А водохранилище Верхне-Нейвянского завода имело полезный объем 125 млн. м3.
Большой интерес представляют конструкции водоспусков и ледоспусков при земляных плотинах петровских времен, в них применялись трамплинные водобойные полы, идея которых впоследствии (1920 г) была использована фирмой Лейфер-Пфлетчингер.
Вспомним работы отца русской науки — М. В. Ломоносова, проявившего свой замечательный гений и в области гидроэнергетики. Своими трудами он способствовал развитию гидросиловых установок в России, сам их проектировал и лично руководил сооружением Усть-Рудицкой гидросиловой установки Практическая деятельность Ломоносова сопровождалась углубленной теоретической и экспериментальной работой по изучению осуществленных им гидросооружений и методов улучшения их работы.
Необходимо вспомнить совершенно забытого современника Ломоносова, замечательного гидротехника, крупного специалиста по инженерным и гидротехническим сооружениям и строительству каналов А. П. Ганибала (1696—1781), прадеда А. С. Пушкина, внесшего большой вклад в дело водохозяйственного строительства и теоретические вопросы гидротехники.
В нашей стране впервые разработаны и осуществлены деривационные гидроустановки.
Рис 1. Змеиногорская плотина, построенная на Алтае в 1787 г К Д Фроловым (по акад В. В. Данилевскому).
1 — одерновка; 2 — каменная кладка насухо с перевязкой швов до отметки 11 0 м.
Их идея принадлежит гениальному изобретателю паровой мамины И. И. Ползунову, который в 1754 г построил на р. Корбалихе (Алтай) первую деривационную гидросиловую установку. Десять лет спустя, в 1765 г, выдающийся гидротехник XVIII в К. Д. Фролов пустил на той же реке вторую деривационную установку, более совершенную и мощную Центральный двигатель этой установки — водяное колесо — обслуживал целую систему рабочих механизмов. Это была новая ступень в развитии гидроэнергетики. В 1787 г в Змеиногорске К. Д. Фролов завершил строительство замечательной по своим масштабам и схеме четырехступенчатой подземной гидросиловой установки со «слоновыми» колесами рекордных размеров, диаметром от 4 до 17 м. Подвод воды осуществлялся по туннелям. Четырехступенчатый каскад имел общую длину деривации 2200 м и подземные выработки глубиной более 20 м.
До наших дней служит промышленности земляная плотина этой установки, построенная К. Д. Фроловым 180 лет назад (рис. 1). Общая длина плотины по верху 158 м, а по низу — 86 м. Ширина по гребню колеблется от 12 до 20 м, по низу — 82 м. Объем тела плотины до 100 тыс. м3. Образуемое водохранилище имеет площадь зеркала 6,5 км2 при ширине до 2,5 км. Имея высоту 18 м, Змеиногорская плотина по своему профилю более смелая, чем некоторые современные земляные плотины. Интересно отметить использование здесь шлаков в качестве фильтров-дренажей в конце низового откоса плотины.
В XVIII в создаются своеобразные энциклопедии строительного искусства и гидроэнергетики, например рукописная книга В. Геннина «Абрисы» (1737), классический труд М. В. Ломоносова «Первые основания металлургии или рудных дел» (1763), «Книга мемориальная о заводском производстве» Г. Махотина (1776), многотомный труд В. А. Левшина «Всеобщее и полное домоводство» (1795), посвященный устройству плотин и прудов и др.
Эти труды показывают, что русским техникам уже в XVII— XVIII вв. были известны принципы рационального водохозяйственного проектирования, комплексного использования водных ресурсов, выбора створа и компоновки гидросооружении, создания водохранилищ для регулирования стока, ими применялись оригинальные схемы концентрации напора, эффективно использовавшие местные топографические условия, впервые в мире были осуществлены каскадные установки, схемы с переброской стока из смежного бассейна для пополнения водных ресурсов, гидравлические туннели большой протяженности, водяные колеса, рекордные по размерам и мощности.
Оценивая с точки зрения современной техники мероприятия по обеспечению гидроустановок водой, практиковавшиеся русскими гидроэнергетиками двести лет назад, нельзя не признать, что они носят тот же характер, что и мероприятия, выполняемые в наше время, хотя в XVIII в не имелось точных инструментов для изысканий и отсутствовали необходимые данные по стоку.
Таким образом, гидроэнергетика России XVIII в занимала ведущее место в мире по уровню использования водной энергии, по сложности и масштабам созданных гидросиловых установок.
* * *
Основой энергетики в мануфактурный период являлись водяные колеса Вместо нижнебоиных, маломощных и громоздких колес, чаще всего применявшихся в Западной Европе, в России уже в первые десятилетия XVIII в широкое распространение на заводских установках получили верхненаливные колеса Преимущества таких колес перед подливными были известны русским гидротехникам уже в начале XVIII в., т.е. раньше, чем появились за границей теоретические работы. Большое распространение получили в России многоагрегатные установки. Так, на Нижне-Тагильском заводе в 80-х годах XVIII в было установлено 57 водяных колес общей мощностью 610 л с.
Высшим достижением техники строительства гидравлических колес в России явились двигатели бумагопрядильной Кренгольмской мануфактуры на р Нарове. Для приведения в действие станков были построены четыре колеса, мощностью по 50 л с каждое. Размеры колеса диаметр 9,15 м, ширина 7,6 м, расход воды 9 м/сек, число оборотов в минуту 4—4,2, напор воды 5,2 м Кренюльмское полуналивное колесо уступало по своему диаметру более чем в два раза крупнейшим действовавшим в то время зарубежным водяным колесам, но по своей мощности превосходило их в два раза — результат, говорящий о превосходстве отечественной расчетной мысли того времени над иностранной.
Однако водяные колеса были прикованы к берегам рек, а это тормозило развитие энергетической техники.
Естественно, что творческая мысль человека стремилась к созданию более совершенного водяного двигателя, который при малых размерах давал бы большую мощность.
В середине XVIII в в Петербургской Академии наук М. В. Ломоносов решал наиболее общие вопросы физики и механики жидкостей. В стенах той же Академии, используя галилеево-ньютоновскую механику и понятие давления жидкости, Даниил Бернулли дает энергетическую оценку движения жидкости, а Леонард Эйлер создает аналитический метод механики жидкости - «классическую гидромеханику». Одновременно Л. Эйлер выводит турбинное уравнение, оказавшее большое влияние на гидромашиностроение, и впервые выдвигает проект реактивного гидродвигателя, имеющего рабочее колесо и направляющий аппарат, т. е. основные части современной водяной турбины. Таким образом, к появлению нового водяного двигателя были созданы все предпосылки.
В 30-х годах XIX в появляются первые практически пригодные турбины, применение которых освободило «промышленную эксплуатацию водяной силы от многих прежних ограничений».
Наша страна, наряду с Францием, является родиной первой в мире водяной турбины промышленного типа. В 1837 г уральский плотинный мастер И. Е. Сафонов независимо от французского инженера Бенуа Фурнейрона, самостоятельно построил на Алапаевском заводе первую в России гидротурбину для действия прокатного стана мощностью 36 л. с.И. Е. Сафонов оборудовал турбинами ряд уральских заводов, причем довел коэффициент полезного действия турбин до сравнительно большой для его времени величины (70%).
Простые и вместе с тем универсальные формулы, годные для расчета различных типов турбин, предложил в 1839 г инж. Л. Н. Узатис, основоположник русской школы горной механики Необходимость в такого рода формулах настоятельно ощущалась, потому что, как указывает в своем труде А Н Узатис, опубликованные Фурнеироном правила определения параметров турбины «оказались не соответствующими своему назначению, и турбины, построенные по ним в Германии, бывали всегда неудачны, самое развитие его формул не совершенно точно».
Дальнейшим углублениям теоретических знаний о турбинах способствовали работы воспитанника Казанского университета А И Нератова, который в 1841 г дал первую не только в русской, но и в мировой гидроэнергетической литературе «кривую для работы двигателя», иначе турбинную характеристику. Напомним, что за рубежом такие графики внедрились в практику лишь с 1847 г , после испытаний турбин Френсиса.
В 50—60-х годах XIX в постройка турбин в России осуществлялась на многих уральских заводах собственными средствами заводов, в соответствии с проектами, разработанными по указаниям и при содействий инженеров В. И. Рожкова, И. А. Тиме и их последователей — И. А. Шилоносова, Колпача, А. И. Пермякова и др.
В 1855 г В. И. Рожков спроектировал и установил в Екатеринбурге первую сдвоенную осевую турбину с горизонтальным валом и двумя отсасывающими трубами — тип турбины, получившим широкое распространение на уральских заводах Интересно отметить, что сведения об этой турбине были опубликованы впервые не в России, а за рубежом известный немецкий ученый Юлий Вейсбах поместил в своем труде «Механика» лестный отзыв о турбине Рожкова, «как о лучшей из гидротурбин такого типа».
Значительные усовершенствования гидротурбин иностранного изготовления предложил проф. И. А. Тиме. Большая модель сконструированной им турбины получила первую премию на Всемирной выставке в Вене в 1873 г.
В 1877 г механик одного из уральских заводов И. А. Шилоносов, руководствуясь теорией И. А. Тиме, самостоятельно построил турбину системы Жирара, мощностью 75 л. с., для привода листокатального стана Турбинное колесо диаметром 3,4 м. было отлито цельным, что для 70-х годов XIX в явилось огромным достижением, за рубежом не было примеров столь крупных отливок. Турбины Шилоносова сменили действовавшие до того трубины французского конструктора Фонтеня.
Вскоре в России появились специализированные гидротурбостроительные заводы, число которых к концу XIX в возросло до двенадцати. Наиболее крупными были заводы Доброва в Москве, Пирвица, Мантеля и Мейера в Риге, проф. Тиме в Опочке (Псковская губ ) Завод Доброва и Набгольц изготовил с 1865 г для разных районов России значительное число турбин «Эта фирма,— записано в отчете о Всероссийской промышленной выставке, состоявшейся в 1882 г. вполне установила и упрочила в России эти усовершенствованные гидравлические двигатели, без которых совершенно невозможно пользоваться, в значительных размерах, механической работой, заключающейся в течении рек Введение в России этой отрасли машиностроения составляет большую заслугу фирмы» 2
Один из крупнейших заводов дореволюционной России — «Пирвиц» в Риге — занимался постройкой турбин с 1877 г, первоначально системы Жонваля Жирара и комбинированных, а с начала XX в — радиально-осевых и ковшевых До 1917 г этот завод изготовил более 900 турбин с единичной мощностью 100— 400 л. с. для промышленных и сельскохозяйственных гидроустановок.
Турбины отечественного производства по своему качеству уступали лучшим зарубежным образцам, а в ряде случаев и превосходили их. Это неоднократно отмечалось в русской и зарубежной печати и в отчетах всемирных выставок, в которых принимали участие русские турбостроительные заводы.
Обращаясь к сравнительной диаграмме торможения вертикальной радиально-осевой турбины с диаметром колеса 500 мм, изготовленной рижской фирмой «Пирвиц», и распространенных в то время в нашей стране американских гидротурбин, можно видеть преимущества турбин отечественного производства перед заграничными, при частичном открытии.
С 1882 по 1913 г Россия импортировала 910 турбин с суммарной мощностью 60 тысяч л. с., что составляло около 40% общей мощности всех установленных в стране гидротурбин.
