Водяная мельница с малым водохранилищем на реке Полоте

К середине XIX века в центральной и северной России одна водяная мукомольная мельница приходилась примерно на тысячу жителей, в начале XX века в Смоленской губернии на 1 056 000 жителей было 1 275 водяных мельниц мощностью по 10 – 12 лошадиных сил.

Плотность размещения мельниц иногда поражает: на речке Сохге Кадниковского уезда Волгоградской губернии на протяжении полутора верст стояло в свое время двенадцать водяных мельниц.

Самым трудоемким и рискованным делом при устройстве мельниц было сооружение на реках плотин, необходимых для создания нужного напора воды. Плотина строилась из вколоченных поперек реки деревянных свай или из плотной дернины. Некоторые плотины имели затвор для пропуска весеннего паводка и льда. На реках побольше строили ряжевые плотины. 

Зачастую в плотинах устраивались водопропускные отверстия – «прорезы». Поверхностные водосливы для пропуска паводковых вод называли «вешняк» или «вешник». Расход воды через вешники можно было регулировать или по схеме истечения из-под плоского затвора, или при переливе через закладные брусья (шандоры). В вешниках могло быть несколько водопропускных отверстий, разделенных стойками.

Вода в нижний бьеф сбрасывалась либо по многоступенчатым перепадам, либо по наклонным лоткам (типа быстротока). Перепады и быстротоки укреплялись брусьями и досками. В те времена слово «понуро» означало «наклонно», отсюда возник термин «понур».

Вода от плотины к водяным колесам могла подводиться лотками с переменной шириной – «ларями». Лари зачастую закрывали перекрытиями из брусьев и даже засыпали землей, чтобы предотвратить замерзание воды зимой. Производственные помещения, в которых производились работы, назывались «анбарами» – «доменный анбар», «молотовый анбар», «сверлильно-пушечный анбар».

С петровского времени в Россию приезжали и иноземные мастера. Сподвижник Петра выдающийся инженер и знаток горнозаводских дел Вилим Геннин только за один пятилетний период (1722 – 1727 годы) построил на Урале 12 крупных заводов, ко­торые обеспечивались энергией от гидроустановок. К середине XVIII веке 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 века в России действовали 45 металлургических и металлообрабатывающих заводов, успешная работа которых выдвинула Россию на первое место в мире по выплавке метал­ла. Все эти заводы использовали гидросиловые установки для получения энергии.

Однако В. Геннин считал, что в России таких плотин как в Европе строить нельзя. В 1735 году он писал:

«А понеже в России климат не таков, как в Германии, но в зимние времена бывает стужа великая, и ежели здесь по-германски рвы вести на версту или больше не глубокие и не широкие, то от жестоких морозов в тех рвах вода может вся до пошвы вымерзать.

Или, хотя некоторая часть оной и будет ход свой иметь под лед, не на колеса имеет проходить весьма мало, от чего и действительной силы иметь не будет, к тому же студеная, и от того могут колеса обмерзать. И для того всегда будет надобен в колеснице огонь великий держать, чтоб колеса не обмерзли и не остановлялись».

Геннин привел еще много доказательств для того, чтобы убедить в полной невозможности в России подавать воду по напорным каналам к гидросиловым установкам. Он писал:

«Сверх того, в таких рвах запасной воды держать нельзя, которыми весною оная напрасно будет проходить и пропадать без действия; к тому же при таких рвах много фабрик строить невозможно...»

Свои обстоятельные рассуждения В. Геннин завершил категорическим утверждением, что вообще сооружение деривационных установок в русских условиях решительно невозможно: «...в России... тот... манир здесь не годен».

Однако русские мастера своими делами опровергли такое утверждение Геннина. На одном из алтайских рудников – Змеиногорском – в начале 50-х годов XVII века И. И. Ползуновым (изобретателем паровой машины) впервые в России была построена гидросиловая установка с деривационным (обходным) каналом для подвода воды к водяному колесу. Здесь же недалеко от Змеиногорской плотины на берегах речки Корбалихи К. Д. Фролов в 60-х годах XVIII века достойно ответил утверждениям Геннина, что в России нельзя строить деривационные каналы и что, во всяком случае, в России «при таких рвах много фабрик строить невозможно». К. Д. Фролов, и напорный канал построил, и установил на нем три предприятия, действовавшие многие десятки лет и доказавшие на деле, что в России «при таких рвах» не «невозможно», а вполне возможно строить много предприятий.

Замечательные успехи в строительстве вододействующих или гидросиловых установок в России были достигнуты в XVIII веке в горнорудной промышленности на Урале и Алтае. Гидросиловые установки были неотъемлемой частью металлургического, лесопильного, бумажного, ткацкого и др. производств. К концу XVIII века в России было уже около 3000 мануфактур, использовавших водную энергию рек.

Особенного внимания заслуживают крупнейшие и наиболее оригинальные для второй половины XVIII века гидросиловые уста­новки на Алтае, сооруженные талантливым механиком Кузьмой Дмитриевичем Фроловым (1726–1800 годы). 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. В 1787 году он построил комплекс гидротехнических, горнозаводских сооружений, не имевший аналогов в мире. На реке Змеевке были построены:

• плотина, поддерживавшая напор 6,5 м;

• водозабор из водохранилища перед плотиной;

• от плотины вода шла по подземной штольне и открытому каналу длиной 535 м до пильной мельницы, где приводила в действие водяное колесо лесопильной установки;

• отработавшая вода снова поступала в подземный канал длиной 107 м, подводивший воду ко второму водяному колесу рудоподъемной машины на Екатерининский шахте диаметром в 4,3 метра;

• отработавшая вода по подземному каналу длиной 62 м, подводилась к третьему водяному колесу диаметром 17 м Екатерининской водоподъемной машины с глубиной шахты 102,4 м;

• от Екатерининского водоподъемника вода по каналу длиной 320 м поступала к четвертому водяному колесу диаметром 16 м Вознесенской водоподъемной машины с глубиной шахты 60 м и одновременно к Вознесенской рудоподъемной машины;

• приведя в действие Вознесенский водо- и рудоподъем, вода утекала по Крестительской штольне длиной 1050 м, в которую сбрасывались также воды, поднятые насосами из нижних горизонтов рудника. Через устье в конце Крестительской штольни воды вытекали обратно в речку Змеевку много ниже плотины.

Общая длина пути движения воды от водозабора до водосброса составляла 2200 м. Комплекс сооружений, построенный К. Д. Фроловым исключительно из местных материалов: дерева, глины, камня, железа – проработал без существенных изменений около ста лет. Плотина Змеиногорского рудника высотой 18 м, длиной по гребню 128 м, шириной 12 м сохранилась до настоящего времени.

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 КПД, 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, то есть, 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.

Интересно сравнение сооружения, созданного К. Д. Фроловым с общепризнанным европейским «чудом французских королей» Марли на реке Сене.

На признаваемой зарубежными исследователями наиболее совершенной для тех дней установке в Марли действовали водяные колеса диаметром в 12 метров. Фролов создал колеса диаметром до 17 метров.

Колеса Марли были сооружены и работали на земной поверхности. Водяные колеса Фролова были построены под землей и установлены в огромных подземных камерах, имевших высоту до 21 метра. В такой подземной камере может свободно поместиться пятиэтажный дом.

Колеса в Марли были нижнебойными, то есть с наименьшим коэффициентом полезного действия. Змеиногорские колеса были верхнебойными, то есть с наибольшим коэффициентом полезного действия.

В Марли каждый кубический метр воды, пройдя через плотину, действовал только один раз и только на одно какое-либо колесо. В Змеино-горске каждый кубический метр воды последовательно действовал на целую систему колес, расположенных в порядке нисходящего каскада.

Неуклюжей системе тяг и передаточных механизмов Марли К. Д. Фролов противопоставил простые и изящные конструктивные решения, осуществляя передачу энергии на огромные по тому времени расстояния.

Установка в Марли работала значительно хуже, чем предполагали ее строители, и часто выходила из строя. Она была рассчитана на подачу в сутки пяти тысяч кубических метров воды, но даже в лучшие годы давала не более половины этого количества.

Установка Фролова в Змеиногорске работала именно так, как рассчитал строитель, и притом без перебоев. Творение русского новатора решительно во всем превзошло знаменитое инженерное сооружение, считавшееся самым совершенным для того же времени на Западе.

Вот как описал творение К. Д. Фролова его биограф А Карпинский в работе «Биографическое известие о жизни К. Д. Фролова», опубликованной в 1827 году в «Горном журнале»:

«Надобно быть на самом месте, дабы убедиться, с какой обдуманностью и решительностью устроены водопроводы и изысканы способы для сбережения воды: огромной величины плотина, просеченный в горах водопровод на 241 сажень длины и обращение одной и той же воды из-под одной машины на другую, суть предметы, обращающие на себя удивленное внимание путешественника...

Вода приводит в движение сначала колесо при шахте Преображенской для подъема руды, из-под оного протекает через 60 сажен на рудоподъемное колесо Екатерининской шахты, с оного чрез 90 сажен на водоотливное колесо, при сей шахте построенное, а отсель обращается подземным ходом 195 сажен на колесо Вознесенское.

Водяное колесо для шахтных устройств, сооруженное

Кузьмой Фроловым в 1886 году

Гидравлическая машина К. Д. Фролова на Змеиногорском руднике

Схема А подъемных устройств Фролова в Змеиногорске

Схема Б подъемных устройств Фролова в Змеиногорске

Екатерининское колесо имеет в диаметре до 8 сажен; поднимая воду из 100 сажен глубины, оно пропускает оную под машину Вознесенскую, а сия по поднятии провожает воду из рудника подземным ходом, называемым Крестительской штольней, 500 сажен длины имеющей. Сии устройства увенчались успехом во всем пространстве сего слова».

Рудоподъемная машина, построенная Кузьмой Фроловым в 1785 году

России принадлежат и многие другие исследования и открытия в области гидротехники.

В XVIII веке за использование на новый лад водных сил боролся Михаил Васильевич Ломоносов (1711 – 1765 годы). В «Первых основаниях металлургии или рудных дел» (1742 год), как он назвал первый горнозаводский учебник, данный им стране, он привел немало описаний и чертежей гидросиловых установок для горного дела и металлургии. В нем приведены детальное описание и чертежи: рудоподъемной машины, приводимой в действие водяным колесом; установки с ручными насосами; насосных поршневых и четковых установок, приводимых в действие водяными колесами; водоподъемной машины с приводом ее от водяного колеса, расположенного на значительном расстоянии.

Свои теоретические работы М. В. Ломоносов реализовал на практике, построив в 1754 году на реке Рудице фабрику по производству цветного стекла. На ней работала гидросиловая установка с тремя водяными колесами: «…первое для двух рам пильных, чтобы пилить доски к фабричному строению и впредь для пристроек, починок и ящиков под материалы; второе колесо для машин, которыми толочь, молоть, и мешать материалы, в стекло потребные, и шлифовать мозаику, для которых кругов в мельнице два покои особые; третьим колесом ходят жернова для молотья хлеба, на котором содержат фабричных людей».

Строитель отличной ряжевой плотины на Усть-Рудицком заводе, Ломоносов трудился и как теоретик, изучая условия работы гидротехнических сооружений и стремясь изыскать способы улучшить ее. Об этом говорит запись Ломоносова в 1754 году: «Деланы опыты при пильной мельнице в деревне, как текущая вода по наклонению течение свое ускоряет и какою силою бьет».

России также принадлежит честь выполнения в ее пределах в XVIII веке работ мирового значения в области гидравлики. Это труды членов Российской Академии – Даниила Бернулли (1700 – 1783 годы) и Леонарда Эйлера (1707 – 1783 годы).

Начиная с 1726 года, Бернулли поместил на эту тему много исследований в «Комментариях» Академии наук в Петербурге. В 1730 году в результате петербургских трудов он смог обобщить свои основные мысли и составил предварительный текст сделавшего эпоху исследования, опубликованного в 1738 году. На титульном листе книги он написал:

«Даниила Бернулли. Гидродинамика, или записки о силах и движении жидкостей. Академический труд, выполненный автором во время работы в Петербурге».