«Каждый уральский завод использовал энергию
падающей воды и мог существовать при наличии
плотины, держащей большой запас прудовой воды.
Чем больше развивалось производство, тем больший
запас воды требовался»
В.М.Слукин. Тайны уральских подземелий.
Урал как экономическая единица и, как было признано позже, хребет России, начал свой отсчет с допетровских времен, когда стали активно осваиваться минеральные богатства гор. Сначала соляные, а затем и рудные. Металлургических заводов на Урале, начиная с конца восемнадцатого века, было построено более двухсот, и каждый нуждался в прудовой воде. До сих пор существуют и работают десятки основанных сотни лет назад прудов, плотин, каналов и прочих сооружений. Но здесь не о людях, выбравших удачное место для запруживания реки и не о тех, кто делал плотины. Оставим в стороне Невьянскую башню с затопленными подвалами, которые уже столько лет не удается откачать, это отдельный разговор. Здесь мы припомним некоторых из изобретателей водных чудес, занимающих особое место в технологии энергообеспечения уральских заводов.
Начнем с восемнадцатого века. Процитируем В.Данилевского, который в книге «Русская техника» рассказал об уральском горном гидротехнике. Итак, Полевской завод.
«В 1728 г. здесь родился творец самых выдающихся инженерных сооружений XVIII в. Козьма Дмитриевич Фролов. Каждый день юный Фролов видел здесь размеренные движения воздуходувных мехов у металлургических печей и слушал стук молотов Полевского завода, приводимых в действие водяными колесами. Каждое утро его пробуждение встречал скрип тяг и шатунов штангового рудничного водоподъемника, позволявшего трудовому люду все глубже врезываться в недра Думной горы в поисках подземных богатств, скрытых в царстве «хозяйки Медной горы».
К.Д. Фролов
В горнозаводской школе в Екатеринбурге, созданной Василием Никитичем Татищевым, прошли годы учения Фролова, записанного в число учеников «из мастерских детей ведомства Екатеринбургской канцелярии».
С 1744 г. шестнадцатилетний Фролов начал работать на производстве как горный ученик.
Он быстро стал выдающимся знатоком горнозаводского дела и много помог развитию первых в России золотых промыслов, история которых началась в Березовске в 1745 г. В 1757 г. Фролов работал на Березовских золотых промыслах в звании штейгера…
…построил по собственному своему изобретению промывальную машину, на которой вымывка производилась гораздо успешнее и с уменьшением противу прежнего более двух третей рабочих и сбережением расходов до 3400 рублей» (в год). Эта сумма по тому времени была очень большой».
Успех новатора отметили: Фролов был назначен «бергмейстером по всем Екатеринбургским золотым промыслам». О нем стало известно в Петербурге, и не случайно, что в 1762 году Козьму Дмитриевича отправили на Алтай, где действующие рудники и заводы составляли личную собственность российских императоров. Там в то время добывали золото и серебро.
Главным в то время на Алтае золото- и серебродобывающим преприятием был Змеиногорский рудник. На нем Фролов и развернул свой инженерный талант. Им была создана система горно-обогатительных участков – похверков, где добытую руду измельчали и перерабатывали. Затем он соорудил новую облегченную плотину на реке Корбалихе и длинный канал с тремя рукавами, отводившими воду на отдельные предприятия. Но самым интересным было сооружение водяного колеса, которое наряду с приведением в действие воздуходувных мехов, молотов стало обслуживать толчейные и промывальные механизмы, а также с помощью системы канатов транспортировать по заводу вагонетки с рудой. Тем самым был создан прообраз завода-автомата.
План Змеиногорского рудника
Снова процитируем В.Данилевского:
«В мировой литературе принято считать, что первыми предприятиями, представлявшими систему машин, приводимых в действие центральным мотором, были прядильные фабрики, основанные в семидесятых годах XVIII в. в Англии предприимчивым капиталистом Аркрайтом.
Текстовые и графические документы, найденные и изученные нами в архивах Ленинграда, Сибири, Алтая, а также обследование остатков предприятий Фролова на речке Корбалихе, произведенное в 1938-1939 гг., позволяют внести поправку в общепринятые представления. Задолго до того, как Аркрайт начал свои работы в промышленности, еще в первой половине шестидесятых годов XVIII в. Козьма Дмитриевич Фролов создал систему машин, приводимую в действие центральным мотором.
Возникшие в следующем десятилетии фабрики Аркрайта располагали новыми рабочими машинами, которых еще не было в России. Это были машины нового качества, производившие революцию в производстве в процессе перехода от ремесла и мануфактуры к крупной машинной индустрии. Наличие названных рабочих машин на предприятиях Аркрайта было огромным прогрессом, но фабрики Аркрайта были вторыми, а предприятия Фролова — первыми предприятиями, в которых действовала система машин.
Кроме того, Фролов включил в свою систему машин и рабочие, и транспортные механизмы, введя даже рельсовые внутризаводские пути, не только неизвестные Аркрайту, но очень долго неизвестные и многим другим.
Труды Фролова справедливо оценил передовой русский деятель Андрей Иванович Порошин, стоявший тогда во главе алтайских рудников и заводов. В декабре 1765 г. Порошин сообщил в Петербург, что предприятия Фролова на речке Корбалихе действуют успешно».
В 80-е годы XVIII века Козьма Фролов вместе со своим сыном соорудил на Змеиногорском руднике сложную систему гидротехнических устройств для подъема руды и откачивания воды из глубоких шахт. На поверхности построили плотину и образовали пруд, вода из которого по штольне длиной 750 метров подводилась к водоподъемным механизмам. Например, 17-метровое колесо Екатерининской шахты приводило в работу насосы, откачивавшие воду с глубоких горизонтов.
Подземная гидросиловая установка Фролова на Змеиногорском руднике:
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
На сервере туристов и путешественников «Скиталец», раздел «Спелеотуризм», опубликовано описание поездки новосибирских спелеологов в район Змеиногорска с посещением сохранившихся остатков сооружений К.Фролова. Конечно, сооруженные им технологические цепочки не работают, но сохраняют свою целостность. До сих пор существует пруд, созданный полевчанином в результате построения плотины, в подземных выработках действует внедренный им дренаж и обнаруживаются фрагменты многометровых водяных колес. Многие работы К.Фролов вел со своим сыном, который впоследствии на возглавлявшемся им руднике спроектировал и построил первую в мире чугунную железную дорогу для перевозки руды.
Хорошо иллюстрированный отчет о путешествии группы новосибирцев по остаткам старинных разработок размещен здесь.
Снова обратимся к В.Данилевскому и вспомним еще одного уральского изобретателя.
«Водяные колеса, бывшие основными двигателями в промышленности на протяжении предшествующих веков, не могли удовлетворить новым потребностям производства в XIX в. даже там, где продолжало оставаться целесообразным использование именно водной энергии. Никакие видоизменения громоздких и тихоходных колес не могли помочь делу. Необходимо было создать какой-то новый водяной двигатель».
Идея ротационного водяного двигателя привлекала внимание еще Леонардо да Винчи и многих ученых более поздних времен. В XVIII в. проводил исследования Д.Бернулли, позднее теорию водяных турбин разработал Л.Эйлер. Наконец первую опытную водяную турбину построил в 1834 году Б.Фурнейрон, но и она была еще далека от промышленных требований.
«Свой вклад в развитие нового двигателя внес русский изобретатель Игнатий Сафонов, работавший на Урале плотинным мастером на Нейво-Алапаевском заводе.
Примечательные выводы позволяет сделать сопоставление творчества Фурнейрона и Сафонова, возможно прочитавшего только краткую заметку о французском изобретении, опубликованную в «Московских ведомостях». Такая заметка, впрочем, могла дать только общее представление об идее нового двигателя. Однако самая идея была известна много лет, но никакие идеи не помогли тому же Бюрдэну создать практически пригодную водяную турбину. Также известно, что Фурнейрон, использовав труды своего учителя Бюрдэна, затратил много лет, пока добился практического успеха. Иначе пошло дело у Сафонова, работавшего в неизмеримо худших условиях.
За короткий срок он преодолел все трудности, создал и установил в 1837 г. водяную турбину, расходовавшую воды не больше, чем верхнебойное колесо, и развивавшую вдвое большую мощность. Первая русская водяная турбина превзошла все ожидания. Сафонов не ограничился первым успехом. Вслед за Алапаевским заводом он установил еще более совершенные водяные турбины: на Ирбитском в 1839 г. и в 1841 г. на Нейво-Шайтанском заводах.
Турбина Сафонова
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. Это был отнюдь не опыт, а большое практическое дело. Турбины Сафонова были успешно применены для привода важнейших горнозаводских механических агрегатов. Нейво-шайтанская турбина приводила в действие плющильный, листокатальный и резной станы.
Турбины Сафонова действовали так хорошо, что в 1849 г. все хвостовые молоты Алапаевских заводов перевели на привод от турбин. Перевод полностью оправдал себя.
Игнатий Сафонов не только создал, но и уверенно ввел в практику водяные турбины в России».
Памятник Сафонову в Алапаевске
Современников Игнатия Сафонова поразило то, что новый водяной двигатель при большой мощности был сравнительно невелик. Диаметр турбины Сафонова был немногим более двух метров – в несколько раз меньше диаметра водяного колеса, а работу она выполняла такую же, как и водяное колесо. Кроме того, турбина позволяла точнее регулировать мощность и число оборотов вала и расходовала гораздо меньше воды. В 1839 и 1841 годах Сафонов построил на Урале ещё две турбины, одна из них приводила в действие листопрокатный, плющильный и резной станы на Нейво-Шайтанском заводе.
Первая турбина Сафонова полезно использовала примерно такую же часть энергии воды, как и хорошее колесо, - коэффициент её полезного действия был равен 53%. В машинах, построенных Сафоновым позже, коэффициент полезного действия достигает уже 70-75%.
Так родилась водяная турбина. Правда, она появилась тогда, когда энергия воды перестала быть единственным видом энергии, используемой в промышленности. Была уже изобретена паровая машина, которая во многих случаях была удобнее водяной турбины. И всё же водяная турбина сыграла видную роль в развитии промышленности. К слову, с помощью аналогичных турбин вырабатывают электроэнергию на современных гидроэлектростанциях.
Последующие примеры в основе своей имеют общую причину, заставившую придумывать что-то особенное для увеличения объема воды в заводском пруду. Однако решения проблемы различны, хотя и основаны на попытках использовать для этого воду соседних, а иногда и не входящих в ту же систему рек.
Начнем с попытки пополнить ресурс Верх-Исетского пруда, произошло это в самом начале девятнадцатого века. Кому принадлежит идея позаимствовать для этого чусовскую воду неизвестно, но в 1815 году управитель Верх-Исетскими заводами Григорий Зотов (да-да, тот самый Зотов – Кыштымский зверь, смотрите труд В.Слукина об уральских подземельях) начал сооружать канал между притоком Исети Решеткой и Чусовой. Было уже готово две версты канала, когда работы были остановлены из-за опасений начальства нехватки воды в самой Чусовой. Позднейшие исследования показали необоснованность таких опасений, а новая история вообще их опровергла, во всяком случае, не одно десятилетие Екатеринбург потреблял чусовскую воду по решетскому каналу. Итак, первая попытка была неудачной, но идея впоследствии была воплощена.
В середине девятнадцатого века еще на одном демидовском заводе – Черноисточинском – возникла необходимость увеличения водных запасов одноименного пруда. Имя человека, решившего эту задачу, история сохранила – это нижнетагильский крестьянин, демидовский крепостной Клементий Константинович Ушков. Он предложил устроить на реке Черной запасной пруд с плотиной и пропустить из него воду через особый канал в Черноисточинский заводской пруд. Идея такая не была новой, заводское начальство на основании заключения французских специалистов считало ее невыполнимой. Тем не менее, в 1847 году Ушков заявил, что берет на себя исполнение этого плана. Он не запросил от начальства денег и подрядился сделать канал своими силами: «За каковое исправление сей для заводов полезной цели я, не говоря о себе, но только детям моим, двум сыновьям, Михаилу с женой и детьми его и холостому Саше прошу от заводов дать свободу. И сверх того выдать мне деньгами ассигнациями пятнадцать тысяч рублей и всем сим вознаградить меня тогда, когда я все сие приведу в действие неотложно. Однакож с тем о сем по чистой моей совести я изъясняю, что, если без удовольствия моего в том, что не может детям моим от заводов вольная, то я за наличную сумму не согласен взяться сие исправить поистине и за пятьдесят тысяч рублей».
Ушков выполнил принятый труд. Он создал плотину, почти пятикилометровый канал и вспомогательные сооружения, обеспечившие «провод воды в Черновский пруд» (Черноисточинский). Однако, как доказывает жалоба Ушкова, обращенная в 1856 г. к главному начальнику заводов Уральского хребта В. А. Глинке, Демидовы так и не расплатились с ним. Однако имя в истории осталось - сооруженный канал и на современных картах носит название «Ушковская канава», а станция узкоколейки в тех местах – просто «Канава». Неудивительно, что сооружение входит в перечень исторических и культурных памятников девятнадцатого века и охраняется государством, канал действует до сих пор.
Схема Ушковской канавы
Кстати сказать, Ушков имел аналогичные предложения по другим заводам. В 1856 г. он разработал «для пользы казны и отечества» проект «относительно провода реки Туры» в Кушву: стоящий здесь завод испытывал постоянный недостаток в воде. Настаивая на поручении ему этого дела, он ссылался на успешное сооружение устройств для подачи воды в Черноисточинский пруд на Нижне-Тагильских заводах, а также на то, что к 1856 г. прошло более тридцати лет его успешных занятий «устройством мельниц и других гидравлических устройств». К сожалению, предложение Ушкова не поддержали, видимо, испугались, что сооружение канала Тура – Кушвинский пруд требовало водоподъема.
Более подробно об ушковской канаве можно прочитать у Е.Федорова в трилогии «Каменный пояс».
Следующий пример аналогичен по проблеме, но отличен по решению. Дефицит воды стал испытывать Полевской пруд. Питало его несколько речек – Полевая, Черная, Светлая, но дебит их был недостаточен. Более полноводной была речка Глубокая, но вот беда – она самостоятельно падала в Чусовую, и в заводской пруд никак не попадала. Проблему решил инженер Ф.А. Хвощинский. На Глубокой соорудили пруд, а от него по подземному тоннелю длиной в версту вода поступала в реку Светлую. Тоннель строили вручную комбинированным способом: сначала пробили 11 шахт-колодцев, из которых вручную же навстречу друг другу отдельными отрезками пробили тоннель, пробивку вели «на стук», т.е. ориентируясь на звуки работ из соседней шахты. Стены тоннеля обшили лиственничными плахами.
Строительство шло более десяти лет, тоннель был пущен в 1879 г., и расчеты оправдались – дефицит воды был покрыт. Первая проверка тоннеля была осуществлена почти через сто лет. Обследование 1965 г. показало, что разрушений в тоннеле нет, единственное, что от времени обвалилась только шахта. За все время существования тоннеля чистили его однажды - в 1961 году. Поскольку возраст сооружения перевалил сотню лет, на смену ему строят железобетонный тоннель, а прежний, как и Ушковская канава, занесен в перечень исторических памятников.
Схема Глубоченского тоннеля
За прошедшее время имеются случаи и неэффективных, ошибочных и даже вредных инженерных решений водных проблем. Достаточно вспомнить настоящее экологическое преступление – перекачку значительного водного ресурса уникального озера Увильды за несколько километров в Аргазинское водохранилище на р. Миасс для снабжения водой предприятий города Челябинска. Или обеспечение завода «Уралмаш» активной откачкой подземных вод, в результате чего практически исчезло озеро Шувакиш. Такая же беда грозила озеру Шарташ, когда 1756 г. для обеспечения водой золотопромышленных участков через так называемый Александровский ров пытались отвести его воды, а сотней лет позже частично осушить озеро через калиновскую штольню. Но это предмет заслуживает отдельного обсуждения с участием специалистов-гидрологов, историков, экологов, экономистов и т.д.
Задачи нынешних уральских гидростроителей имеют, можно сказать, не столько производственные (об этом хорошо позаботились старые мастера) сколько социальные. Снабжение мегаполиса, каковым признан Екатеринбург питьевой водой в последние годы испытывает большие трудности. В военное время на Чусовой создано Волчихинское водохранилище, из которого вода поступала в Исеть по решетскому пути (опять вспомним Зотова), хотя это в значительной степени обусловливалось эвакуацией предприятий из западной части страны. Но водный дефицит вызвал необходимость строительства выше на той же Чусовой резервного, ныне уже практически опустошенного Верхнее-Макаровского водохранилища а несколько позже – перекачки в Чусовую воды из р.Уфы. Рост городов в Челябинской области потребовал сооружения Долгобродского водохранилища в верхнем течении р. Уфы и планируется построить выше еще одно. Последние планы водоснабжения г. Екатеринбурга включают сооружение двух водохранилищ на притоках среднего течения реки Чусовой – р. Большой Шишим и р. Сулём. Что-то будет дальше? Но и это предмет отдельного обсуждения.
И последнее. Трудно понять и оправдать нашу бесхозяйственность, с которой мы выбрасываем на ветер уральские энергоресурсы. Речь идет о тех же до сих пор существующих прудах, на плотинах которых не установлено ни одной гидротурбины, вырабатывающей электроэнергию. Если не считать, конечно, Саткинской плотины, построенной в начале двадцатого века именно в гидроэлектроэнергетических целях и которая до сих пор обеспечивает электричеством окружающие населенные пункты (между прочим, не входя в РАО ЕЭС). На соответствующий вопрос автора в областную администрацию был получен ответ, что ситуация не столь драматична, поскольку на Серовском пруду ведутся эксперименты. Вопрос, похоже, получился риторическим.
© Владимир РАСТЯПИН
UraloVed.ru
Смотрите также:
