От водяного колеса до водяной турбины

От водяного колеса до водяной турбины

От водяного колеса до водяной турбины
Cтраницы истории уральской гидроэнергетики

XVIII век, когда широко развернулось строительство горнозаводских предприятий, был периодом расцвета русского плотиностроения. На Урале в этот период было построено более 200 плотин. Вода от плотины подавалась на колеса, колеса приводили в движение заводские механизмы: воздуходувные меха, молоты и прокатные станы. Водяные колеса приводились в движение преимущественно действием веса воды, заключенной в ковшах или между лопатками одной стороны колеса; другая сторона, имея пустые ковши, была легче первой; благодаря этой разнице в весе получалось вращение. Использовался, главным образом, статический напор воды или потенциальная энергия и только лишь в «пошвенных» водяных колесах частично использовался удар, т.е. живая сила водного потока — кинетическая энергия.

Известны водяные колеса вертикальные и горизонтальные. Среди распространенных горизонтальных конструкций различались колеса: наливное (верхнебойное), среднебойное, подливное (нижнебойное или «пошвенное») и плавучее.

 • В наливном (верхнебойном) колесе поток воды, подведенной жолобом, действовал на верхнюю его часть, вода падала струей в ковши верхней части и выливалась из них внизу.
• В среднебойном вода била около середины задней половины колеса и вытекала из жёлоба через водослив.
• В подливном (нижнебойном, «пошвенном) колесе поток действовал на его нижнюю часть; при выпуске из жёлоба вода получала значительную скорость, т.е. использовалась, главным образом, ее живая сила.
 • Плавучее колесо было разновидностью подливного и устанавливалось (между козлами или на двух барках) на быстрой реке; нижние лопасти колеса увлекались водой и вращали его.

Показательно, что уже первые уральские заводы широко использовали в качестве двигателей наливные (верхнебойные) колеса, имевшие самый высокий коэффициент полезного действия, опережая на десятилетия западноевропейскую гидротехнику.

Русские гидротехники принимали сложные и смелые решения, приспосабливая колесо к обслуживанию нескольких механизмов, т.е. превращая его в пределах цеха или даже завода в центральный двигатель. Одной из первых таких попыток было выделение гидравлического колеса, обслуживавшего механизмы кузнечной фабрики Екатеринбургского завода, крупнейшего предприятия XVIII в., оснащенного самой передовой техникой того времени. Это колесо диаметром 5,7 м — одно из самых больших на заводе — было установлено в особом помещении за пределами кузнечной фабрики. Через систему трансмиссий оно приводило в движение 24 меха 12-ти кузнечных горнов и с помощью палечного колеса вращало шестерню вала с точилами и шлифовальными кругами. Таким образом, оно представляло собою как бы центральный двигатель, своеобразную «силовую станцию».

 В 1763-1765 гг. уральский гидротехник Козьма Дмитриевич Фролов впервые в мире заставил колесо приводить в действие машины и транспорт в пределах целого предприятия. Созданная К.Д. Фроловым на Алтае, на реке Корбалихе, установка действовала как совершенная система механизмов, по отношению к которым водяное колесо играло роль основного центрального двигателя. Переработка руд механизмами и передвижение вагонеток здесь осуществлялось автоматически.

Поистине чудом техники XVIII в. было другое его гениальное сооружение - грандиозный завод-автомат, который действовал от гигантской гидросиловой системы.

Находясь под землей, чтобы зимой, когда река скована льдом, работа воды не останавливалась, Змеиногорская установка К.Д. Фролова приводила в действие пильную мельницу, рудоподъемные устройства, рудничный транспорт. К.Д. Фролов построил здесь самые мощные в мире водяные колеса. Это были верхнебойные колеса, в диаметре 16, 17 и 19 метров.

Изобретения Фролова помогли рудничному хозяйству Алтая повысить ежегодную добычу серебра до 670 с лишним пудов, а золота – до 21 пуда.

От водяного колеса до водяной турбины

 Гидросиловая установка К.Д. Фролова: 1. Плотина
2. Пильная мельница
3. Канал
4. Здание рудоподъёмника Екатерининской шахты
5. Кунстштат Екатерининской шахты
6. Кунстштат Екатерининского водоподъёмника
7. Екатерининская шахта
8. Надшахтный сарай Вознесенской шахты
9. Вознесенская шахта
10. Кунстштат Вознесенского рудо-водоподъёмника

 Сам К.Д. Фролов родился в Полевском заводе в семье мастеровых, окончил Екатеринбургскую горнозаводскую школу, после чего 18 лет проработал на горных заводах Урала, пройдя путь от подмастерья до старшего горного инженера. С 1863 года императорским указом был переведен на Алтай, где за введение своих гидротехнических изобретений получил чин берг-гауптмана VI класса и назначен управляющим всех Колывановских горных заводов.

От водяного колеса до водяной турбины

С развитием металлургии, в 1830-х годах русская гидротехника сделала смелый шаг от усовершенствования колес к постройке водяных турбин заводского действия. Первая водяная турбина — двигатель промышленного типа — была построена на Алапаевском железоделательном заводе в 1837 году. Ее изобретателем и строителем был уральский умелец, плотинный мастер Алапаевских заводов Игнатий Евстафиевич Сафонов.

От водяного колеса до водяной турбины

Существенное отличие турбин от водяного колеса заключается в следующем. В турбине вода входит на одну кромку лопатки, проходит по лопатке и сходит с другой кромки, не меняя направления своего движения. В водяном колесе вода входит и выходит в одном и том же месте, совершая перемещение на лопатке в обратную сторону; вследствие этого как скорость, так и направление движения воды в некоторой точке лопатки различны в разные моменты времени.

 В турбине вода от входных до выходных кромок течет непрерывно и в каждой точке лопатки скорость ее одинакова по направлению и отличается только по величине. Так как вода имеет возможность поступать в рабочее колесо теоретически с любой скоростью, то турбина может, во-первых, применяться в широком диапазоне напоров и, во-вторых, развивать большее число оборотов. Кроме того, в турбине вода проходит одновременно по всем лопаткам рабочего колеса, а в водяном колесе - лишь по небольшой их части, что приводит к уменьшению размеров турбины по сравнению с водяным колесом. Меньшие размеры и вес турбины при большей скорости позволяют сделать всю конструкцию более компактной и упрощают передаточные механизмы.
 Турбина И.Е. Сафонова расходовала воды столько же, сколько и верхнебойное колесо, но мощность развивала в 2 раза больше, коэффициент полезного действия был равен 53%. В 1849 г. все хвостовые молоты Алапаевских заводов перевели на привод от турбин. Вслед за Алапаевским заводом Сафонов установил еще более совершенные водяные турбины: на Ирбитском заводе - в 1839 г., на Нейво-Шайтанском заводе - в 1841 г. Коэффициент полезного действия здесь составлял 70-75%.
 
 В то время на Урале считали, что наиболее совершенные водяные колеса действуют на Нижне-Исетском заводе под Екатеринбургом, где три верхнебойных колеса, работавших при напоре 6,4 метра, требовали для своей работы в общей сложности 800 литров воды в секунду. Нейво-Шайтанская турбина Сафонова работала при напоре порядка 3,5 метра и расходовала около 240 литров воды в секунду, выполняя большую работу, чем все три нижнеисетских колеса. При этом диаметр турбины был невелик – чуть более 2-х метров, в несколько раз меньше диаметра водяного колеса.

 Уральские мастера-изобретатели внесли большой вклад в развитие российской промышленности, а их имена вписаны в мировую историю гидротехнической инженерии.

Дата публикации: 10.02.2015 16:51:00 Теги: История, Урал
По материалам Музея энергетики Урала

  • 12.02.2015
Возврат к списку
array(12) { ["ID"]=> string(3) "441" ["IBLOCK_ID"]=> string(1) "1" ["NAME"]=> string(37) "От водяного колеса до водяной турбины" ["IBLOCK_SECTION_ID"]=> NULL ["IBLOCK"]=> array(88) { ["ID"]=> string(1) "1" ["~ID"]=> string(1) "1" ["TIMESTAMP_X"]=> string(19) "17.02.2014 15:27:07" ["~TIMESTAMP_X"]=> string(19) "17.02.2014 15:27:07" ["IBLOCK_TYPE_ID"]=> string(15) "boxsol_business" ["~IBLOCK_TYPE_ID"]=> string(15) "boxsol_business" ["LID"]=> string(2) "s1" ["~LID"]=> string(2) "s1" ["CODE"]=> string(18) "boxsol_articles_s1" ["~CODE"]=> string(18) "boxsol_articles_s1" ["NAME"]=> string(11) "[s1] Статьи" ["~NAME"]=> string(11) "[s1] Статьи" ["ACTIVE"]=> string(1) "Y" ["~ACTIVE"]=> string(1) "Y" ["SORT"]=> string(3) "500" ["~SORT"]=> string(3) "500" ["LIST_PAGE_URL"]=> string(10) "/articles/" ["~LIST_PAGE_URL"]=> string(10) "/articles/" ["DETAIL_PAGE_URL"]=> string(33) "#SITE_DIR#/articles/#ELEMENT_ID#/" ["~DETAIL_PAGE_URL"]=> string(33) "#SITE_DIR#/articles/#ELEMENT_ID#/" ["SECTION_PAGE_URL"]=> NULL ["~SECTION_PAGE_URL"]=> NULL ["PICTURE"]=> NULL ["~PICTURE"]=> NULL ["DESCRIPTION"]=> string(0) "" ["~DESCRIPTION"]=> NULL ["DESCRIPTION_TYPE"]=> string(4) "text" ["~DESCRIPTION_TYPE"]=> string(4) "text" ["RSS_TTL"]=> string(2) "24" ["~RSS_TTL"]=> string(2) "24" ["RSS_ACTIVE"]=> string(1) "Y" ["~RSS_ACTIVE"]=> string(1) "Y" ["RSS_FILE_ACTIVE"]=> string(1) "N" ["~RSS_FILE_ACTIVE"]=> string(1) "N" ["RSS_FILE_LIMIT"]=> NULL ["~RSS_FILE_LIMIT"]=> NULL ["RSS_FILE_DAYS"]=> NULL ["~RSS_FILE_DAYS"]=> NULL ["RSS_YANDEX_ACTIVE"]=> string(1) "N" ["~RSS_YANDEX_ACTIVE"]=> string(1) "N" ["XML_ID"]=> string(18) "boxsol_articles_s1" ["~XML_ID"]=> string(18) "boxsol_articles_s1" ["TMP_ID"]=> string(32) "c4ad9947de189b0964699c2b1185bfa1" ["~TMP_ID"]=> string(32) "c4ad9947de189b0964699c2b1185bfa1" ["INDEX_ELEMENT"]=> string(1) "Y" ["~INDEX_ELEMENT"]=> string(1) "Y" ["INDEX_SECTION"]=> string(1) "N" ["~INDEX_SECTION"]=> string(1) "N" ["WORKFLOW"]=> string(1) "N" ["~WORKFLOW"]=> string(1) "N" ["BIZPROC"]=> string(1) "N" ["~BIZPROC"]=> string(1) "N" ["SECTION_CHOOSER"]=> string(1) "L" ["~SECTION_CHOOSER"]=> string(1) "L" ["LIST_MODE"]=> NULL ["~LIST_MODE"]=> NULL ["RIGHTS_MODE"]=> string(1) "S" ["~RIGHTS_MODE"]=> string(1) "S" ["SECTION_PROPERTY"]=> NULL ["~SECTION_PROPERTY"]=> NULL ["VERSION"]=> string(1) "1" ["~VERSION"]=> string(1) "1" ["LAST_CONV_ELEMENT"]=> string(1) "0" ["~LAST_CONV_ELEMENT"]=> string(1) "0" ["SOCNET_GROUP_ID"]=> NULL ["~SOCNET_GROUP_ID"]=> NULL ["EDIT_FILE_BEFORE"]=> NULL ["~EDIT_FILE_BEFORE"]=> NULL ["EDIT_FILE_AFTER"]=> NULL ["~EDIT_FILE_AFTER"]=> NULL ["SECTIONS_NAME"]=> string(7) "Разделы" ["~SECTIONS_NAME"]=> string(7) "Разделы" ["SECTION_NAME"]=> string(6) "Раздел" ["~SECTION_NAME"]=> string(6) "Раздел" ["ELEMENTS_NAME"]=> string(8) "Элементы" ["~ELEMENTS_NAME"]=> string(8) "Элементы" ["ELEMENT_NAME"]=> string(7) "Элемент" ["~ELEMENT_NAME"]=> string(7) "Элемент" ["PROPERTY_INDEX"]=> NULL ["~PROPERTY_INDEX"]=> NULL ["CANONICAL_PAGE_URL"]=> NULL ["~CANONICAL_PAGE_URL"]=> NULL ["EXTERNAL_ID"]=> string(18) "boxsol_articles_s1" ["~EXTERNAL_ID"]=> string(18) "boxsol_articles_s1" ["LANG_DIR"]=> string(1) "/" ["~LANG_DIR"]=> string(1) "/" ["SERVER_NAME"]=> string(17) "turbaza-porogi.ru" ["~SERVER_NAME"]=> string(17) "turbaza-porogi.ru" } ["LIST_PAGE_URL"]=> string(10) "/articles/" ["~LIST_PAGE_URL"]=> string(10) "/articles/" ["SECTION_URL"]=> string(0) "" ["SECTION"]=> array(1) { ["PATH"]=> array(0) { } } ["IPROPERTY_VALUES"]=> array(2) { ["ELEMENT_META_TITLE"]=> string(58) "От водяного колеса до водяной турбины | База отдыха Пороги" ["ELEMENT_META_DESCRIPTION"]=> string(189) "От водяного колеса до водяной турбины. База отдыха в Порогах и дома у горы Иремель: туры выходного дня и многодневные туры по Уралу круглый год. Наш телефон в Челябинске: +7 (351) 750-27-09" } ["TIMESTAMP_X"]=> string(19) "31.05.2018 15:21:37" ["META_TAGS"]=> array(4) { ["TITLE"]=> string(37) "От водяного колеса до водяной турбины" ["BROWSER_TITLE"]=> string(58) "От водяного колеса до водяной турбины | База отдыха Пороги" ["KEYWORDS"]=> string(0) "" ["DESCRIPTION"]=> string(189) "От водяного колеса до водяной турбины. База отдыха в Порогах и дома у горы Иремель: туры выходного дня и многодневные туры по Уралу круглый год. Наш телефон в Челябинске: +7 (351) 750-27-09" } }