Водяное колесо зерновых мельниц
Несколько более сложным было применение водяного колеса для зерновых мельниц. В этом случае между жерновом и водяным колесом необходимо было сооружать передаточный механизм, так как в силу естественных условий водяное колесо должно было вращаться вокруг горизонтальной, а жернов — вокруг вертикальной оси.
Стремление обойтись без сложной механической передачи .между валами, расположенными под прямым углом что привело к изысканию для привода мельничных поставов водяных колес с вертикальным валом. Для того чтобы струя воды, направляемая на лопатку такого колеса, не отклонялась силой тяжести, струе пришлось придать значительную скорость. Вход струи на плоскую лопатку с большой относительной скоростью приводил к сильному разбрызгиванию воды, и для того, чтобы избежать этого, стали делать изогнутые лопатки. Так возник прототип современных активных гидравлических турбин.
Увеличение числа гидросиловых установок, накопленный опыт, а главное недостаток в реках с достаточно большой скоростью движения воды, необходимой для работы свободно стоящих колес, поставили задачу перехода от присвоения энергии в готовой форме к воздействию на природу с целью наиболее целесообразного использования водных энергетических ресурсов. Началось сооружение плотин или деривационных каналов, сводивших естественное падение горизонта потока, растянутого на много километров, к одному пункту, что позволило использовать медленно текущие равнинные реки и создавать условия для эффективной утилизации гидроресурсов. При сооружении плотив можно было использовать не только скоростной элемент располагаемой энергии потока, но и энергию положения, конструируя средненаливные и верхненаливные водяные колеса. Верхненаливные колеса явились в то время наиболее эффективными и их к. п. д. Достигал 75%. Именно в этой форме гидравлический двигатель стал элементом быстро развивавшейся энергетики Феодального общества.
На территориях, не располагавших гидравлическими энергоресурсами, утилизировалась энергия воздушных потоков при помощи ветровых двигателей, преимущественно Для привода мельничных жерновов. В Голландии, являвшейся классической страной ветродвигателей в силу ее равнинного положения, эти двигатели широко применялись на водоотливных работах в многовековой борьбе голландского народа по отвоеванию суши у моря.
Ветровые установки и до настоящего времени не вышли из фазы присвоения, поскольку остается в силе невозможность воздействовать на направление и силу ветра. Крайняя неравномерность и низкая концентрация природной «готовой» ветровой энергии вместе с трудностью эффективно аккумулировать механическую энергию никогда не выводили ветровую энергию на заметное место в общем энергетическом балансе мира.
В сооружении водяных колес был достигнут значительный успех. Немецкий ученый Агрикола (1490—1555 гг.) дал описание реверсивного водяного колеса (рис. 2-37), применявшегося для подъема руды из рудника. В 1582 г.; была пущена в работу на р. Темзе лондонская водоподъемная установка, состоявшая из пяти подливных (нижне-бойных) водяных колес диаметром 6—7 м, приводивших в движение ряд насосов и перекачивавших в сутки 18 000 м3 воды. В 1685 г. на р. Сене во Франции была сооружена водоподъемная установка для питания водой фонтанов дворцового парка Версальского дворца, состоявшая из 14 подливных колес диаметром 12 м, приводивших в действие 235 поршневых насосов, которые поднимали 3 ООО м3 воды в сутки на высоту 162 м. Б середине XVIII в, на Алтае К. Д. Фролов соорудил уникальную гидросиловую установку для привода подъемных и транспортных устройств двух рудников. Установка представляла собой каскад с последовательным использованием воды на колёсах, наибольшее из которых имело диаметр 17 м. Эта установка явилась высшим достижением гидроэнергетики своего времени.
Водяное колесо являлось основной энергетической базой производства в.течение примерно 14 веков (с IV по XVIII в.). Во второй половине XIX в. гидроэнергетика утратила свое качественно ведущее значение, уступив его теплоэнергетике. Новый подъем гидроэнергетики, переход гидроэнергетики на новую качественную ступень наметился в самом конце XIX в. в связи с решением проблемы передачи энергии на большие расстояния электрическим током. Но и водяное колесо, потеряв в XVIII в. свое значение как основы энергетики, сравнительно медленно уступало свои позиции. Так, например, к 1917 г. в России было установлено 46 000 водяных колес; их суммарная мощность достигала 40%' всей установленной в стране мощности (за исключением транспорта). В экономически отсталых странах Африки, Азии и др. и сейчас еще работает большое число водяных колес.
Кризис энергетики водяного колеса начал проявляться не в приводе зерновых мельниц натурального и мелкотоварного хозяйства, где водяные мельницы существует и теперь, а в металлургии и рудном деле в связи с ростом потребности в орудиях труда и материалах для изготовления этих орудий, главным образом в железе. Для получения железа люди копали руду, дробили ее в ступах, плавили в «домницах», нагнетая в них воздух, а полученное железо проковывали под молотами. Двигателем, приводившим в движение песты дробильных ступок, мехи «домниц», молоты кузниц, был сам человек. Поскольку привод в движение перечисленных производственных агрегатов не требовал специальных званий и навыков, человек имел возможность заменить себя более мощным двигателем— водяным колесом. С заменой живого двигателя водяным колесом стало возможным увеличить размеры агрегата, которые ранее определялись мощностью человека-двигателя, а следовательно, увеличить и производство железа. Так, «домница» выросла в домну, ручной молот— в громадный молот, поднимаемый энергией водного потока, и т. п. Теперь Границы роста размеров Пестов, домен, молотов определялись только мощностью водных потоков. Но в горнорудном деле и металлургии, кроме энергии, необходимыми элементами производства являлись руда и горючее (дрова). Природа редко сосредоточивает в одном географическом пункте ресурсы руды, топлива и водной энергии. Поскольку водная энергия нетранспортабельна, транспорт руды и топлива к месту источника водной энергии становился элементом производства, в значительной степени определявшим себестоимость продукции. Так, энергетика водяного колеса начинала приходить в конфликт с вызванными ею же новыми производственными возможностями.