Перші гідравлічні установки відображали ранні форми взаємини людини з навколишнім його природою: привласнення готової енергії природи (без впливу на неї).
Ранні водяні двигуни дуже просто сполучаються з водопідйомними пристроями: водяне колесо, встановлене на палях, вбитих в дно річки, наводилося в рух потоком води; на ободі колеса розміщувалися черпаки, що піднімають і виливають воду в відвідної жолоб. Таким чином об'єднувалися енергетична і транспортна машини. Вільно стоять ( «плавучі») водяні колеса використовували тільки швидкісну складову енергії води [2].
Більш складним було застосування водяного колеса для зернових млинів: між жорнами і водяним колесом споруджувався передавальний механізм, що забезпечував обертання водяного колеса навколо горизонтальній осі, а жорна - навколо вертикальної осі.
Прагнення обійтися без складної механічної передачі між валами, розташованими під прямим кутом, привело до створення (для приводу млинових поставів) водяних коліс з вертикальним валом. Щоб струмінь води, яку направляють на лопатку такого колеса, не відхилялася силою тяжіння, струмені довелося надати значну швидкість. Струмінь, падаючи на плоску лопатку з великою швидкістю, викликала сильне розбризкування; щоб уникнути цього лопатки стали робити вигнутими. Так виник прототип сучасних активних гідравлічних турбін (рис. 1.2).
Збільшення числа гідросилових установок, накопичений досвід, а головне - недолік в річках з великою швидкістю течії зажадали переходу до більш доцільного використання водних енергетичних ресурсів. Почалося спорудження гребель і дериваційних каналів, що дозволило використовувати повільно поточні рівнинні річки і створювати умови для більш ефективної утилізації гідроресурсів. При спорудженні гребель використовувалася не тільки швидкість потоку, а й енергія положення: конструювалися середньо- і верхненалівние (рис. 1.3) водяні колеса. Верхненалівние колеса були в той час найбільш ефективними: їх ККД досягав 75%. Саме в цій формі гідравлічний двигун став використовуватися в швидко розвивалася енергетиці феодального суспільства.
На територіях, які не мали в своєму розпорядженні гідравлічними енергоресурсами, споруджувалися метрові двигуни, переважно для приводу млинових жорен. Однак крайня нерівномірність і низька концентрація природного, «готової», вітрової енергії, а також труднощі ефективного акумулювання механічної енергії не дозволили енергії вітру зайняти помітне місце в загальному енергетичному балансі.
У спорудженні водяних коліс був досягнутий значний успіх. Німецький вчений Г. Агрікола (XVI ст.) Дав опис реверсивного водяного колеса (рис. 1.4), що застосовувався для підйому руди з рудника. Колесо мало дві системи лопатей.
При подачі води на лопаті однієї системи колесо оберталося в одному напрямку, з перемиканням подачі напрямок обертання змінювалося. У 1582 р була пущена лондонська водопідйомна установка (на р. Темзі), що складалася з п'яти подлівних (нижне- бойних) водяних коліс діаметром 6-7 м, що приводили в рух ряд насосів, що перекачують в добу 18000 м води.
У 1685 році у Франції на р. Сені була споруджена водопідйомна установка для харчування водою фонтанів парку Версальського палацу, що складалася з 14 подлівних коліс діаметром 12 м, що приводили в дію 235 поршневих насосів, які піднімали 3000 м3 води на добу на висоту 162 м.
В середині XVIII ст. на Алтаї К. Д. Фролов спорудив унікальну гідросилових установку для приводу підйомних і транспортних пристроїв двох рудників. Установка була каскад з послідовно розташованими колесами, найбільше з яких мало діаметр 17 м. Ця установка стала вищим досягненням гідроенергетики свого часу.
Дослідження вчених показали, що вигнуті лопатки більш ефективні, ніж плоскі, так як вони дають можливість здійснити ненаголошений вхід води, що підвищувало КПД; металеві водяні колеса з вигнутими лопатками набули широкого застосування.
Водяне колесо було основною енергетичною базою виробництва протягом приблизно 14 століть (з IV по XVIII ст.). У другій половині XIX ст. гідроенергетика втратила провідну роль, поступившись її теплоенергетиці. Новий підйом гідроенергетики і перехід її на новий якісний щабель намітився в кінці XIX в. в зв'язку з вирішенням проблеми передачі енергії на великі відстані електричним струмом.
Обмеженість енергетичного потенціалу водяного колеса насамперед позначилася в металургії і рудному справі. Для отримання заліза люди добували руду, дробили її в ступах, плавили в домницях, нагнітаючи в них повітря, а отримане залізо проковували під молотами. Двигуном, які приводили в рух песто дробильних ступок, міхи домниц, молоти кузень, був сам людина. Так як для приводу в рух перерахованих виробничих агрегатів не було потрібно спеціальних знань і навичок, людина змогла замінити себе більш потужним двигуном - водяним колесом. Це дозволило збільшити розміри агрегатів, які раніше визначалися потужністю людини-двигуна, а отже, збільшити виробництво заліза. Так, Домниця виросла в домну, ручний молот - в величезний молот, що піднімається енергією потоку води, і т. П. Тепер кордону зростання розмірів Пестов, домен, молотів визначалися тільки потужністю водних потоків.
У гірничорудному справі і металургії крім енергії необхідними елементами виробництва були руда і пальне (дрова). Природа рідко зосереджує в одному географічному пункті ресурси руди, палива і водної енергії. Оскільки водна енергія нетранспортабельна, доставка руди і палива до місця джерела водної енергії ставала елементом виробництва, в значній мірі визначав собівартість продукції. Таким чином «енергетика водяного колеса» прийшла в конфлікт з викликаними нею ж новими виробничими можливостями, що зумовило потребу в новій енергетиці, особливо гостро проявилася в рудниковому водопідйому. Однак водяне колесо, втративши в XVIII в. своє значення як основи енергетики, порівняно повільно поступалося свої позиції. Так, наприклад, на 1917 р в Росії було встановлено 46 000 водяних коліс, сумарна потужність яких досягала 40% всієї встановленої в країні потужності (за винятком транспорту). В економічно відсталих країнах і сьогодні ще працює велика кількість водяних коліс.
Історія електротехніки та електроенергетики
