От водяного колеса — к первой водяной турбине

Таким образом, одним из решающих факторов при выборе места постройки завода была вода — наличие реки, позволяющей создавать вододействующие устройства, причем этот фактор действовал в течение почти двухсот лет. Заводы строились на реках, в местах удобных для сооружения плотин. Строительство завода обычно начиналось с плотины. Вода от плотины подавалась на колеса, колеса приводили в движение заводские механизмы— воздуходувные меха, молоты, прокатные станы.

XVIII век, когда широко развернулось строительство горнозаводских предприятий, был периодом расцвета русского плотиностроения. В течение XVIII столетия только на одном Урале было возведено свыше двухсот заводских плотин. Строителями их были русские плотинные мастера. Значение плотин выдвинуло плотинного мастера на ведущее место в строительстве заводов. В петровскую эпоху сложились кадры талантливых плотиностроителей. Архивные документы называют в числе искусных строителей первых заводских плотин имена Семена Викулина, коему «велено для указывания плотинного строения быть на вер-хотурских заводах»; Ермолая Неклюдова, сооружавшего плотину для Каменского завода; Леонтия Злобина, присланного с демидовских заводов на постройку плотины Екатеринбургского завода; мастера Пожарова, назначенного быть «у показывания» как строить плотину Синячихинского завода; Ивана Астраханцева, Тимсфея Бурцева, Лариока Грамматчикова и многих других. В архивных делах упоминаются имена первых заводских конструкторов Никифора Клеопина и Константина Гордеева, успешно выполнивших чертежи сооружений Екатеринбургского завода, а затем руководивших строительством верхней и нижней плотин.

Опираясь на вековой опыт русских «водяных людей», плотинные мастера выработали самобытную, оригинальную отечественную технику плотиностроения, не превзойденную по совершенству нигде в мире. Эта техника, в силу своеобразия физико-географических условий России, и в частности особенностей русских рек, не только исключала применение западноевропейского опыта, но и превосходила его, в чем убеждались на деле сами зарубежные специалисты. Попытки строить плотины на «иностранный манир» немцев Блюера и Михаэлиса на Урале, шотландца Гаскойна при сооружении Александровского завода (г. Петрозаводск) и других неизбежно кончались катастрофой; возводимые ими плотины сносились могучими паводками наших рек. Иностранец на русской службе Вильям де-Геннин вынужден был признать, что за границей «... таких плотин, как здесь в России есть, не далаетца».

Талантливые русские техники непрерывно совершенствовали технику плотиностроения, обогащали ее новыми оригинальными решениями. Широтой замысла и целесообразностью поражают первые деривационные сооружения великих деятелей техники И. И. Ползунова и К. Д. Фролова, созданные ими на Алтае и позволявшие строить заводы в местах, где заводским устройствам не могли угрожать разрушения, причиняемые половодьем рек.

Опыт строительства гидросиловых установок, накопленный русскими гидротехниками-практиками, был настолько обширен и разнообразен, что возникла необходимость его обобщения. Уже в XVIII в. в столицах и горнозаводских центрах появились печатные и рукописные книги передовых исследователей-гидротехников. К числу наиболее примечательных из них относится рукописный труд Григория Махотина—«Книга мемориальная о заводском производстве», — сохранившийся в делах Свердловского областного государственного архива, не утративший интереса для современных энергетиков. В «записке с очевидного дела, как надлежит под строение заводов места осматривать и по осмотре с какою предусмотрительностью строение плотины назначивать» автор повествует о выработанных русскими плотинострсителями самобытных приемах комплексного изучения технических и экономических условий с целью наиболее целесообразного строительства плотин, — о том большом вкладе, который они внесли в теорию гидротехнических сооружений.

Сотни добротных плотин, построенных искусными русскими плотинными мастерами в XVIII и XIX вв., выдержали испытание временем. Замечательными памятниками творчеству русского народа-гидротехника стоят прекрасно сохранившиеся до наших дней Невьянская, Нижне-Тагильская, Екатеринбургская (в центре г. Свердловска), Сысертская, Алапаевская и другие плотины — выдающиеся образцы отечественного плотиностроения.

Глубина и размах творческой мысли русских гидротехников прошлого сказались также в области совершенствования первых водяных двигателей — колес, которые более полутораста лет были единственными заводскими двигателями.

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 пловучее. 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 жолоба через водослив. В подливном (нижнебойном, «пошвенном) колесе поток действовал на его нижнюю часть; при выпуске из жолоба вода получала значительную скорость, т. е. использовалась, главным образом, ее живая сила.

Пловучее колесо было разновидностью подливного и устанавливалось (между козлами или на двух барках) на быстрой реке; нижние лопасти колеса увлекались водой и вращали его.

В совершенствовании конструкций колес горнозаводская техника России XVIII в. опиралась на исконный опыт русских «водяных людей», который всегда опережал зарубежную практику. Когда в Европе преобладало так называемое водоступательное колесо, в России применялись различные подливные колеса. Колеса многих древнерусских водяных мельниц были нижненаливными (подливными),
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. Во Франции, гидротехника которой в XVIII в. считалась наиболее развитой, примерно вплоть до последней четверти столетия господствовало наименее производительное из всех колес — подливное (нижнебойное). Известная французская Энциклопедия» Дидро, изданная в пятидесятых годах, могла выразить лишь надежду, что должно наступить время замены нижнебойных колес среднебойными. Очевидно, в те годы французские промышленники еще не помышляли о верхнебойных колесах.

Русские гидротехники настойчиво искали и находили пути повышения коэффициент а полезного действия водяных колес: увеличивали их диаметр, количество оборотов, производственную мощность. Водяное колесо в России и заграницей обычно приводило в действие, как правило, какой-то один заводской механизм. 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» (цеха) 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, кроме того, 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. великий русский гидротехник К. Д. Фролов впервые в мире заставил колесо приводить в действие машины и транспорт в пределах целого предприятия, опередив на несколько лет английского промышленника Аркрайта, устроившего в 1771 г. первую за рубежом прядильную фабрику с центральным водяным приводом. Созданная К. Д. Фроловым на далеком 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 гениальное сооружение К. Д. Фролова — Змеиногорская рудничная гидросиловая установка, затмившая славу, действовавшей в 80-х годах на Западе, установки в Марли (Франция), которая подавала воду фонтанам дворцов Версаля, Марли и Трианона и которой так кичились дворцовая французская камарилья и зарубежные техники. Находясь под землей, 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, диаметром 16, 17 и 19 м. В то же время установка в Марли имела лишь нижне-бойные колеса диаметром 12 м.

Однако оригинальные гидротехнические установки великого новатора техники К. Д. Фролова и наиболее совершенные конструкции гидравлического двигателя других гидротехников XVIII в., творивших в крепостнической стране, не получали и не могли получить тогда широкого распространения. Крепостническое правительство, раболепствовавшее перед иностранщиной, не верило в творческие силы русского народа, не оказывало никакой поддержки отечественным техникам. Хотя русская мануфактура и преимущественно металлургия, основывавшаяся на принудительном крепостном труде, достигла в XVIII столетии большого расцвета и опережала зарубежную мануфактуру, выдающиеся открытия отечественной техники часто гибли в условиях абсолютистско-феодального строя. Так погибла «огненная машина» И. И. Ползунова — прообраз современного универсального теплового двигателя. Так было ограничено пределами реки Корбалихи и Змеиногорского рудника применение гидроустановок К. Д. Фролова, на двести лет опередившего американскую технику; с течением времени установки великого изобретателя были заброшены, разрушены и забыты.

Но надо отдать должное воле к техническому творчеству передовых деятелей русской техники. Вопреки всем препятствиям, героически преодолевая их, они даже в крайне тесных рамках крепостнического строя продолжали творить, обогащая отечественную технику новыми выдающимися открытиями и изобретениями. И в первых рядах этих борцов за прогресс в технике всегда шли русские гидротехники.

Громадное влияние на развитие творческой мысли гидротехников, как и всех передовых деятелей техники прошлого, оказывали труды прогрессивных представителей русской науки.

Классики марксизма отводят большое место роли науки в развитии гидротехники. Известное положение К. Маркса говорит: «Почти все великие математики, начиная с середины XVII столетия, поскольку они занимаются практической механикой и подводят под нее теоретическую основу, исходят из простой водяной мельницы для зерна», В подтверждение этого вывода Маркс приводит следующие соображения: «в мельнице с самого начала, с тех пор как была создана водяная мельница, имелись все существенные элементы организма машины. Механическая движущая сила. Первичный двигатель, который она приводит в действие; передаточный механизм; и, наконец, рабочая машина, захватывающая материал; все эти элементы существуют независимо друг от друга. На основе мельницы было создано учение о трении, а вместе с тем были проведены исследования о математических формах зубчатой передачи, зубьев и т. д. На ее же основе впервые., было разработано учение об измерении: величины движущей силы, о лучших способах ее применения и т. д.»*
Над учеными, о которых говорит Маркс, возвысилась в XVIII в. фигура великого корифея русской науки М. В. Ломоносова — гениального физика и химика, математика и механика, геолога и металлурга, философа и историка, которого А. С. Пушкин называл «первым нашим университетом» и который — «все испытал и все проник». М. В. Ломоносов сделал громадный теоретический вклад в гидротехнику. Изучая условия работы гидротехнических сооружений и стремясь изыскать способы улучшения их, он исходил из водяной мельницы. Об этом говорит запись М. В. Ломоносова, относящаяся к 1754 г.: «Деланы опыты при мельнице в деревне, как текущая вода по наклонению течение свое ускоряет и какою силою бьет»
М. В. Ломоносов первый широко применил гидросиловые установки в стекольной промышленности,— на известной Усть-Рудицкой фабрике, где находились водяная мельница и ряжевая плотина.

Создав первый русский учебник горнозаводского дела — «Первые основания металлургии или рудных дел»,— великий ученый уделил в нем большое внимание гидротехнике,— привел много описаний и чертежей гидросиловых горных и металлургических установок. Так, им подробно описано применение водяных колес для подъема руды из шахт. М. В. Ломоносов писал:
«Из самых глубоких ям подымают руду и камни особливыми большими машинами, которыя движутся лошадьми или водою... Водою движимая машина состоит из колеса АВ с ящиками (отсеками А.А.), в которые вода из жолобов С и D вливаясь, колесо вертит (фиг. 3).

Фиг. 3. Рудоподъемное устройство с водяным двигателем XVIII в.

Перья (т. е. ящики-лопатки А. А.) на колесе разделены в два ряда, так что в одне с той, а в другие с другой стороны воду вливать надлежит; и, следовательно, естьли вода из жолоба С на ряд перья EF литься станет, то будет колесо на правую руку обращаться; и, напротив того, когда вода из жолоба D на ряд перья GH течет, тогда должно колесу вертеться на левую сторону.

На валу укреплена шестерня К, около которой цепь ходит и на обеих концах по бадье имеет.

Движение колеса управляет работник, который на верьху в будке сидит... Когда работник рычагом задвижку М поднимет, то проливается вода жолобом D на часть колеса GH, и его обращает на левую руку, что
дотоле продолжается, пока бадья из шахта выйдет. А после того кричит работник (опорожняющий бадью — первому работнику) управляющему на верьху машину, чтобы он жолоб М запер, а сам одерживает бадью железным крюком, захватив за кольцо цепное. Пока он из бадьи руду выкладывает, в ту пору в низу шахта находящиеся работники другою половиною цепи опущенную бадью нагружают, или прежде нагруженную прицепляют.

После того правящий машину работник поднимает рычагом Q задвижку N и выпускает воду жолобом С на часть колеса EF, от чево она на правую руку обращаться станет, и порожжая (т. е. порожняя) бадья к низу, а нагруженная к верьху пойдет; итак, переменяя движение колеса, можно одну бадью подымать, а другую опускать, и тем беспрерывно продолжать работу».

Двойные водяные колеса с двойным подводом воды позволили одно и то же водяное колесо вращать в разные стороны. Это дало возможность применить водяные колеса к подъемнику для поднятия руды из шахты.

Своими трудами М. В. Ломоносов значительно расширил область применения водяных двигателей, введя в их устройство простейшие по исполнению, исключительно оригинальные конструктивные изменения.

Классические труды М. В. Ломоносова по металлургии, горному делу, химии, гидротехнике служили руководством для творческой деятельности новаторов отечественной техники.

Большие надежды великий корифей науки возлагал на пытливых исследователей и передовых техников горнозаводского Урала — центра русской металлургии России. Горячим призывом к творческим исканиям и упорному труду звучат стихотворные строки его известного обращения:
Пройдите землю и пучину,
И степи, и глубокий лес.
И нутр Рифейский*, и вершину,
И саму высоту небес,
Везде исследуйте всечасно,
Что есть велико и прекрасно,
Чего еще не видел свет;
Трудами веки удивите»...
Призыву М. В. Ломоносова следовали, на его классических трудах учились великий русский теплотехник И. И. Ползунов, великий русский гидротехник К. Д. Фролов и многие горнозаводские деятели XVIII и XIX вв.— геологи, металлурги, гидротехники и другие.

С развитием металлургии, ее гидротехнического хозяйства все более росла потребность в дальнейшем усовершенствовании водяных Двигателей. Вместе с тем для передовых горнозаводских деятелей становилось все яснее, что как бы ни было совершенно водяное колесо, присущие ему органические недостатки остаются.

Коэффициент полезного действия наливных верхнебойных колес был низок и редко превосходил 0,5—0,6, т. е. использовалась примерно половина мощности водяного потока. У подливных (нижнебойных) колес этот коэффициент колебался в пределах 0,35—0,40. При этом коэффициент полезного действия, вследствие недостаточной регулируемости и колебаний верхнего и нижнего уровня воды, был подвержен сильным изменениям.

Водяные колеса имели ограниченные возможности в использовании напоров и количества воды. Используемый напор был всегда меньше диаметра колеса.

В то же время количество пропускаемой воды ограничивалось размерами ковшей (ящиков) на ободьях колес. При больших ковшах колесо (вместе с водой в них) становилось тяжелым. Это приводило к утяжелению конструкции, к громоздким размерам колес и удорожало их. Нагрузка на подшипник сильно возрастала, а отсюда увеличивалась бесполезная работа трения.

Мощность и число оборотов водяных колес поддавались лишь ограниченному регулированию, причем обороты регулировались с помощью задвижек, действовавших на количество расходуемой воды, но не автоматически и в весьма малых пределах. Возможная максимальная мощность колес колебалась в пределах 450—500 л. с.

С повышением нижнего уровня воды, т. е. уровня реки ниже плотины, водяные колеса, с затоплением их, останавливались или работали с пониженной мощностью и очень низким коэффициент ом полезного действия; повышение же уровня воды в пруде, например во время половодья, использовать было невозможно.. Водяные колеса были тихоходными, делали небольшое количество оборотов (от 4 до 10 в минуту). Это вызывало дополнительное сооружение передаточных устройств и снижение и без того низкого коэффициент а полезного действия колес. В водяных колесах наблюдалась значительная утечка воды через большие зазоры. Наконец, во время сильных холодов водяные колеса обмерзали, вследствие чего нередко останавливалось заводское производство.

Все это побуждало гидротехников настойчиво искать новые типы водяных двигателей, Которые были бы более-эффективными и более подходящими для разнообразных условий использования водяной энергии как природных; так и искусственных водоемов.

Русские гидротехники стремились построить такой двигатель, который бы: во-первых, имел повышенный коэффициент полезного действия, т. е. возможно полнее использовал природную мощность потока воды; во-вторых, был бы пригоден для использования каких угодно напоров и количеств воды; в-третьих, имел бы простую; по возможности автоматическую регулировку мощности; в-четвертых, мог бы работать при значительных колебаниях уровня воды в пруде и в-реке; в-пятых, развивал бы возможно большее число оборотов и, в-шестых> исключал бы утечку воды.

Творческая русская техническая мысль упорно и долго работала над поисками конструкции совершенного водяного двигателя. Обогатили гидротехников труды русского академика Даниила Бернулли. Его труд «Гидродинамика» 1738 г., рассказавший о законах движения жидкостей вооружил практиков знанием теории, способствовал Правильному решению задач гидротехнического строительства.

Идея совершенного водяного двигателя возникла в стеках Российской Академии наук.

Среди академиков в XVIII в. наряду с Бернулли выделялся своими трудами русский математик, астроном и физик Эйлер (1707—1783 гг.). Наряду с математикой он уделял в своих исследованиях много внимания теоретической и практической механике, морским наукам, гидравлическим машинам, мельницам. В середине XVIII столетия Эйлер пришел к мысли о создании водяного двигателя, работающего не от давления водяной струи, а от реакции этого давления. Другими словами, водяное колесо по мысли Эйлера должно было состоять из двух частей — самого механизма, сообщающего энергию для заводских целей, и агрегата, передающего энергию падающей струи воды механизму, причем этот агрегат мог работать, устанавливаясь самопроизвольно в зависимости от уровня водяной поверхности. Так впервые в мире была разработана теория водяной турбины и составляющих ее — ротора и направляющего аппарата. Эйлер первый предложил колеса с кривыми лопатами и изобрел направляющий прибор. Вода в реактивное колесо конструкций Эйлера перед входом на вращающиеся поверхности (ковша) проходила через неподвижные каналы, придававшие ей теоретически наивыгоднейшие направления и скорость. Эйлер дал основные уравнения гидравлики, которые и в наши дни являются теоретической основой для гидротехников.

Вместе с вкладом академика Эйлера внесли много ранее свой вклад в основы гидротурбостроения русские «водяные люди» — строители древних мельниц. Водяные колеса мутовчатых мельниц, о которых говорилось выше, хотя и не имели еще направляющего аппарата, предусмотренного Эйлером, но были уже горизонтальными,— имели кривые лопатки. Мутовчатые мельницы явились как бы прообразом водяной турбины.

Идея академика Эйлера оказалась весьма заманчивой. Многие западноевропейские ученые и изобретатели — Баркер, Сегнер, Бюрден, Фурнейрон и другие — работали над созданием турбины по его принципу. Однако дальше робких экспериментов дело у них не пошло.

Пока идея Эйлера была осуществлена, прошло не одно десятилетие. Потребности производства между тем все более росли, предъявляя повышенные требования к водяному колесу, особенно к его скорости. Увеличения числа оборотов колеса требовали более производительные прокатные станы, цилиндрические воздуходувные меха, хвостовые молоты, плющильные и резальные машины, появившиеся на некоторых заводах во второй половине XIX столетия. Русские гидротехники продолжали совершенствовать водяные колеса. Если прежде колеса, как видно из чертежа фиг. 4, делали в основном из дерева, то в XIX в. все чаще стали появляться металлические колеса. Некоторые колеса давали уже до 12 оборотов в минуту.

Фиг. 4. Чертеж устройства раскатной машины (прокатного стана) Алапаевского завода (1837 г.)

Улучшая водяные колеса, горнозаводские техники использовали все, чем могла их обогатить передовая техническая мысль того времени. В Свердловском областном государственном архиве имеется интересное дело об устройстве при Екатеринбургском Монетном дворе «водоналивного колеса по способу, изъясненному в книге сочинений профессора Чижова». В январе 1834 г. пом. горного начальника Екатеринбургских заводов, видный инженер-исследователь И. И. Варвинский писал главной заводской конторе: «В сочинении профессора Чижова, под названием «Практическая механика» показаны различные видоизменения наливных колес, из коих об одном виде говорится, что при одной и той же силе колеса, потребно для приведения его в оборот половинное количество воды противу наливных колес обыкновенного устройства. И. д. горного начальника Гороблагодатских заводов воспользовался сею мыслию и устроил у себя подобное колесо, нашел его совершенно соответствующим показанию книги Чижова». Варвинский указывал, что решил «довести до сведения своего начальства сие обстоятельство с тем, что может быть и оно воспользуется сим способом, тем более, что выгода от того происходящая весьма очевидна». Главная контора екатеринбургских заводов предложила конторе Монетного двора «устроить одно водоналивное колесо и донести немедленно о пользе его, дабы можно было воспользоваться устройством оного и другим заводам».

Известный инженер-гидротехник В. И. Рожков, сообщая в «Горном журнале» об успехах усовершенствования водяных колес на Урале перед появлением турбин, отмечал, что «наши колеса обращаются скорее» чем западноевропейские, — и «притом ящики наполняются совершенно».

В 30-х годах XIX в. русская гидротехника сделала смелый шаг от усовершенствования колес к постройке водяных турбин заводского действия. Первая водяная турбина — двигатель промышленного типа — была построена на Алапаевском чугуноплавильном и железоделательном заводе в 1837 году. Изобретателем и строителем ее был уральский умелец, плотинный мастер Алапаевских заводов Игнатий Егорович Сафонов. Этому замечательному сыну нашей Родины впервые удалось осуществить идею русского ученого Эйлера, воплощавшую многовековой опыт великого народа-гидротехника.

 

 

Мир есть механизм» — главный принцип промышленного мышления. Такое понимание бытия даёт человеку право преображать вселенную и определяет методы этого преображения. Горнозаводская индустрия базировалась на том, что основные, самые большие и могучие машины Урала были сооружены не из брёвен и железа, а «из природы». На горных заводах работали «натуральные машины».

 

                   ВОДОБОЙНЫЕ КОЛЁСА

Музей «Невьянская башня»: макет водобойного колеса.

Старые заводы Урала все были вододействующие, потому что только сила падающей воды могла привести в движение тяжёлое заводское оборудование.
Доменным печам требовались огромные поленницы дров, и дрова пилили пильные мельницы. Горы руды тоже надо было расколотить в мелкий камень, и руду дробили хвостовыми молотами с многопудовыми бойками. При выплавке металла в вулканическое чрево печи необходимо закачивать воздух, чтобы достичь нужной температуры, и воздух качали объёмистыми кожаными насосами вроде гармони — мехами. А потом отлитые «крицы» или «штыки» отковывали от шлака, превращая чугун в железо, а чёрную медь — в красную.

Эти агрегаты — пильные мельницы, молоты, меха — работали от водобойных колёс. Колёса крутились в особых каналах или желобах-водоводах и через систему шестерней, рычагов и тяг передавали момент движения на агрегаты.

Чем мощнее был завод, тем больше он имел колёс. Обычно заводы строились десяти–двадцатиколесные. Могучая демидовская Ревда вертела целых тридцать три колёса. А вот на Екатеринбургском заводе, крупнейшем в мире, вращались шестьдесят колёс. Колёса по размерам были разные. «Рядовые» — в рост человека. Самые важные, самые производительные и надёжные,— до шести метров диаметром.

Выставка горной техники в Нижнем Тагиле: хвостовой молот

Вековая мечта заводов Урала — преодолеть зависимость от колёс. В 1860 году, когда домны достигли пика экономичности, близ Верхнеуральской крепости промышленники Чупин и Бок построили маленький чугунолитейный заводик всего-то на одну печь-вагранку. Хозяева изготовляли детали для золотопромывальных машин и были уверены, что в «золотую лихорадку» не останутся без заказов. Но вот оборудование этого предприятия было на конной тяге, и она оказалась слишком дорогой по сравнению с колёсами. Заводик требовал табунов Чингисхана и потому в 1863 году обанкротился.

Водобойные колёса были побеждены только паровыми машинами.

Музей истории реки Чусовой: реконструкция водобойного колеса

                              ДУША И ПЛОТИНА

Главная и самая большая «натуральная машина» любого горного завода — это система «плотина — пруд». Водослив был энергетическим сердцем завода.

Для строительства завода выбирали небольшую речку в более-менее высоких берегах: большую реку в те времена просто не смогли бы перегородить. В самом узком месте долины возводили плотину. Она вставала враспор между двумя горами, поэтому заводы и называли «горными». Плотина перекрывала речку и удерживала пруд. Под плотиной дымил завод.

Плотина кажется простым сооружением: в детстве все строили на ручьях запруды, никаких хитростей. Но плотина не забава. Летом 1994 года на Башкирию обрушились ливни, и переполнился пруд Тирлянского завода графини Пашковой. Завод и плотина были построены в 1803 году, то есть простояли 191 год. Плотина не выдержала, лопнула. Пруд с гулом опрокинулся на завод и посёлок. По речке Тирлян, вращая, понесло сорванные крыши деревенских домов. В потоке погибли двадцать девять человек. И сейчас у водосброса отремонтированной плотины Тирлянского пруда над руинами завода стоит чёрный обелиск в память о жертвах рукотворного селя.

Стена плотины Катав-Ивановского завода

В основе любой плотины был ряд тяжеленных бревенчатых срубов — ряжей, заполненных камнями. Ряжи перегораживали долину, словно стена деревянного острога из клетей-городней. Сверху на ряжи насыпали земляной вал. В среднем длина плотины уральского завода была пятьсот–семьсот метров, высота — до пятнадцати метров, ширина основания — до тридцати метров. Плотину обсаживали деревьями, и со временем улица, что проходила поверху, превращалась в прекрасный бульвар вдоль пруда. Если завод входил в силу, внешний скат насыпи часто одевали в камень.

В туше плотины для прохода воды оставляли несколько проёмов. Главным был вешняк — ворота для реки. Вешняк сооружали в виде короба из могучих лиственничных плах: они в воде не гниют, а каменеют. Со стороны пруда этот канал закрывали воротами, а с внешней стороны придвигали водосливной мост, необходимый для безопасности водобойных колёс. Вешняк был нужен для сброса излишней, дикой воды — чаще всего вешней, талой.

Для работы заводских механизмов через плотину прокладывали более узкие водоводы: жёлобы или трубы. Сквозь них потоки воды вылетали на деревянные лари, в которых тоже вращались водобойные колёса. Системы ларевых водоводов опутывали весь завод. Вообще, завод «рос» вокруг пруда и водоводов, как оазис — вокруг колодца и арыков.

В горнозаводском мире плотина не была простым техническим сооружением. Она была символом воли, которая и удерживает мир в гармоничном напряжении. Линия «пруд — река» — это линия природы и стихии. А перпендикулярная ей линия плотины — линия человека и разума. Плотину понимали как подобие тетивы у лука: она создавала динамику выстрела — выброса кинетической энергии пруда через водоводы.

Люди горных заводов без слов осознавали, что плотина — дело жизни и смерти, а плотинный мастер вкладывает в неё свою душу. И потому на Урале живуче было страшное убеждение, что под каждую хорошую плотину для верности положен мертвец — какой-нибудь бродяга или беглый каторжник. Ощущение необходимости человеческой жертвы пришло на Урал из язычества.

Музей истории реки Чусовой: реконструкция плотинного ряжа

 

ЛЕОНТИЙ ЗЛОБИН

Гений плотинного дела — Леонтий Злобин. Он родился на Вологодчине в 1677 году. Сбежал из дома, бродяжничал, и судьба забросила его на Урал, на строительство Невьянского завода. Злобина потрясло, как человек хомутает реку. И Леонтий осел в Невьянске насовсем. Через годы он стал лучшим плотинным мастером Урала. Получив Невьянск. Злобин возвёл Демидовым десятки плотин, в том числе для могучего Нижнего Тагила. Акинфий сдавал Леонтия в аренду властям, и Злобин соорудил надёжные пруды всем главным казённым заводам Урала: Кушве и Югу, Полевскому и Северскому. Плотины мастера Леонтия стоят нерушимо уже почти три столетия. Именно Злобин в 1722 году воздвиг огромную плотину Екатеринбургского завода — на то время самого большого завода человечества.

Барельеф «Первому строителю города» возле плотины Екатеринбургского завода

ЗАВОД ПОРОГИ

Завод Пороги — одно из самых сильных впечатлений Урала. Облик этого завода искажён только обветшанием, но могучий завод не выглядит умирающим, потому что он аккумулирует в себе мощь всегда живой природы.

Пруды и плотины, эти «натуральные машины», держали горные заводы намертво прикованными к себе. Революция пара освободила промышленность: паровые машины позволили предприятиям уйти от прудов и плотин. Однако в отношении заводов паровые агрегаты оказались подобны динозаврам: они стали грандиозным тупиком индустриальной эволюции. В пересчёте на электричество прадедовские «натуральные машины» давали больше энергии, чем паровые.

Электричество примирило «натуральные машины» со свободой заводов. И в промышленности новой эпохи воскресла старая схема горного завода: «натуральная машина» превратилась в ГЭС (в гидроэлектростанцию), а комбинат держится возле неё на высоковольтной привязи ЛЭП (линии электропередач).

Дивный и дикий завод Пороги, возведённый в 1910 году, — переходная ступень между горным заводом и современным металлургическим предприятием. Здесь клёпаные трубы сквозь каменную плотину подают поток воды из пруда на гидротурбины, которые, гудя, вырабатывают электричество, а уже оно приводит в действие заводские механизмы и раскаляет сталеплавильные печи. Плотина и завод, энергетика и металлургия тут пока что не разошлись наособицу: разные отрасли обвенчаны традицией, будто молодожёны по воле родителей.

Завод Пороги — квинтэссенция тяжёлой индустрии ХХ века: микро-ДнепроГЭС и микро-Магнитка в одной упаковке. У зелёных камней этой плотины, рядом с её водопадами, становится видно, как в современную промышленность вмонтирована та идея, что откована ещё «натуральными машинами» на горных заводах.

 

«НЕУПИВАЕМАЯ ЧАША»

Система «пруд — плотина» была «натуральной машиной» горного завода, его двигателем, и пруд для этого двигателя играл роль бензобака. От ёмкости пруда зависела мощность завода и продолжительность его работы: от половодья — на сколько? На полгода? На три сезона? Или воды в пруду хватит заводу на весь год?

Только в России заводы были с прудами, да и в России — в основном лишь на Урале. Так распорядилась природа: на Урале частые невысокие горы любовно сочетаются со многими мелкими речками. В Европе же горные заводы XVII–XVIII веков были «деривационными», то есть стояли на каналах, а не под плотинами. «Деривационным», как в Европе, был лишь один уральский завод — Всеволодо-Вильвенский господ Всеволожских. Его построили в 1818 году, а закрыли в 1884-м.

Европейский горный завод не собирал реку в пруд, а расплетал на ручейки. Поэтому больше нигде в мире и не сформировался особый тип селения — «город-завод». И даже сейчас, в XXI веке, главным генетическим признаком «города-завода» является не сам завод («иных уж нет, а те далече»), а именно пруд.

Пруды имели весьма внушительные размеры. Например, на Верх-Нейвинском заводе, построенном в 1762 году, пруд соединился с озером Таватуй и разлился в «ужасную обширность»: двадцать вёрст в длину, три версты в ширину. Получилось почти водохранилище, гигантский рукотворный водоём.

Горный завод смотрелся в свой пруд, как в зеркало, и молился на него, как на икону, на «неупиваемую чашу».

Главным механиком «натуральной машины», состоящей из плотины и пруда, был плотинный мастер. Он следил за уровнем воды в пруду, за состоянием тела плотины, за исправностью вешняка и водосливного моста, ларей и водобойных колёс. Плотинный мастер контролировал, чтобы вода не убегала из пруда сквозь открытые затворы просто так и чтобы колёса не вертелись вхолостую на износ.

А ныне пруды и плотины былых заводов уже утратили своё энергетическое зн