Водяные колеса
Водяные колеса к началу XIX в. получили широкое распространение, но являясь локально связанными, не могли обеспечить потребной энергией места, удаленные от водных источников. Иногда не исключалась возможность отведения воды из русла реки к месту потребления энергии, но необходимые для этого гидротехнические сооружения были слишком дорогими. Применение тепловых двигателей позволяло снабдить сравнительно дешевой механической энергией установки, расположенные вдали от источников энергии; поэтому с конца XVIII в. возрастает число паросиловых установок. Область применения водяных колес стала, таким образом, заметно ограничиваться, особенно с развитием горнорудных промыслов и металлургических мануфактур.
Водяное колесо могло работать только в условиях малых напоров (до 8 м), которыми обладали равнинные реки. Между тем громадные запасы гидравлической энергии были заключены в водных потоках со средними (8—25 ж) и высокими (более 25 м) напорами. В этих условиях водяное колесо вообще не могло быть установлено. Единственная возможность для освоения громадной энергии средне-напорных и высоконапорных водных потоков заключалась в создании гидравлического двигателя, принципиально отличного от водяного колеса. Водяные колеса приводились во вращение действием веса воды или ударом струи в лопасти. Но можно было использовать и другое физическое явление — силу реакции, создаваемой потоком воды на лопастях рабочего колеса. Таким двигателем была водяная турбина.
Толчком к развитию новых идей в области гидравлических двигателей явились труды швейцарского математика Даниила Бернулли, работавшего некоторое время в Петербургской Академии наук. В своей работе «Гидродинамика», опубликованной в 1738 г., Бернулли обобщил ряд своих исследований по вопросам гидравлики и гидродинамики и вывел уравнение, устанавливающее на основании закона «живых сил» связь между давлением и скоростью в каждой точке потока несжимаемой капельной жидкости:
Тем не менее и в несовершенном реактивном двигателе Сегнера Л. Эйлер усмотрел большие практические возможности и занялся изучнием процессов, протекающих в этом двигателе. Результаты его исследований были изложены в трех докладах; сделанных Берлинской академии наук. Уже в первом докладе (1750 г.) Эйлер дал анализ процессов в сегнеровом колесе и указал, что его низкий к, п. д. получается вследствие потерь энергии, которые могут быть значительно снижены. Потери при входе воды в колесо, происходящие от резкого изменения скорости и направления течения воды (потери на удар), могут быть уменьшены, если подводить воду к колесу в направлении вращения сосуда и со скоростью этого вращения. На выходе воды также имеются потери, так как часть энергии уносится с выходной скоростью воды. В связи с этим Эйлер высказал мысль о необходимых конструктивных изменениях .в реактивном гидравлическом двигателе, чтобы уменьшить потери и добиться более эффективной работы двигателя. Эйлер заменил горизонтальные водовыпускные трубки, которые вставлял Сегнер в цилиндр, трубками криволинейной формы, идущими сверху вниз. В них уже не было нужды и делать отверстие сбоку для выпуска воды, так как можно было просто оставлять открытым нижний конец загнутой трубки. Здесь Эйлер определенно подчеркнул, что в сегнеровом колесе может быть использована и превращена в механическую энергию почти вся энергия, которой располагает вода, пропускаемая через колесо.
Во втором докладе (1751 г.) под названием «Применение гидравлической машины Сегнера ко всякого рода работам и о ее преимуществах перед другими обычно применяемыми гидравлическими машинами» Эйлер углубляет сопоставление сегнерова колеса с водяными колесами. Он указывает, что если эти машины применять при одинаковом расходе воды и равных напорах, то сегнерово колесо дасТ эффект, «в несколько раз превосходящий эффект прежних водяных колес, даже если водяные колеса при этом буДУт поставлены в самые благоприятные условия».