2.2. Гідроенергетика

В древніх землеробських державах за ІІІ тис. рр. до н.е. на Нилі, Євфраті, Янцзи для подачі води на поля використовувалися плавучі водяні колеса, що приводили в дію раби. У I в. до н.е. римський письменник Марк Вітрувій Поліон у книзі "Архітектура" описав самодійне водопідйомне колесо, яке окрім ємностей, що піднімають воду, мало лопаті, які силою води обертають колесо [15, 16, 20].

Пізніше водяне колесо одержало поширення в приводах млинів. Це відзначив історик Страбон. Від древніх греків млин перейшов до древніх римлян і з II в. досить помітно розповсюдився. Водяне колесо стало використовуватися для вичавлювання олії і подачі води у водопровід Рима.

У феодальний період історії водяні колеса поширилися в Центральній Європі. Перше згадування про водяний млин на р. Мозель відноситься до 340 р. Наприкінці VI в. млини з'явилися у Франції, у VIII в. - в Англії.

З XI - XIII вв. водяне колесо почало використовуватися для шахтного водопідйому і привода технологічних машин - шаповалень, паперових та дробильних млинів, повітродувних міхів, лісопилень і т.п. Водяні колеса стають основним двигуном для мануфактурної промисловості. Ставилися вони не тільки на ріках. У 1044 р. на узбережжі Адріатичного моря були споруджені колеса, що приводились в рух енергією припливу. Пізніше вони з'явилися в Англії (Дувр, 1066 р.), Франції, Росії й Америці. Збереглася охоронна грамота Івана Грозного видана Микиті Павлову на припливні млини в Усть-Золотиці на березі Білого моря. В Америці такий млин був побудований у 1640 р.

Поступово, у зв’язку із необхідністю підвищення ефективності водяного колеса як джерела механічної енергії відмовилися від його установок у вільному потоці води і перейшли до спорудження гребель, що збільшують напір води. У залежності від величини напору застосовувалися три типи водяних коліс (рис. 2.1):

- нижньобійні (вільні) із ККД 30...35%;

- середньобійні з ККД 60...65%;

- верхньобійні (наливні) із ККД 60...65% (при виконанні в металі - 75...80%).

П

а

отужність коліс досягала декількох десятків кіловат, частота обертання - 10 об/хв. До XVIII в. поступово відбувся перехід до верхньобійних коліс, що виготовлялись в основному з металевих елементів.

В

б

одяні колеса приводили в дію досить складні і потужні споруди. У 1582 р. на ріці Темзі Пітером Морісом споруджена Лондонська водопідйомна установка, яка працювала від п'яти підливних коліс діаметром 7 м і перекачувала 18000 м³ води за добу. У 1682 р. А. Де Віль і Р. Салем побудували на р. Сені в Парижі установку з 13 коліс діаметром 8 м і загальною шириною 34 м. Колеса приводили 235 поршневих насосів продуктивністю 3000 м³ води за добу з напором 163 м для живлення фонтанів Версаля і Марлі.

Потужне гідротехнічне спорудження побудував у 1783 - 1789 рр. К.Д. Фролов на алтайських Коливано -Воскресенських рудниках. Воно включало греблю висотою 17,5 м і довжиною 128 м, а також колеса діаметром 4,3 і 17 м, що приводили лісопильну раму, машину для підйому руди з глибини 102 м і насоси для відкачування води з глибини 213 м.

Машини Кренгольмської мануфактури в м. Нарва приводилися від водяного колеса діаметром 10 м, шириною 8 м і потужністю до 450 к.с. В усті р. Клайд (Шотландія) на папіропрядильні працювало металеве колесо діаметром більше 21 м і шириною 4 м.

Незважаючи на окремі успіхи в створенні і використанні водяних коліс, назрівала енергетична криза, пов'язана з розбіжністю місця розташування джерел гідравлічної енергії і сировини з промисловими підприємствами, рудниками і шахтами. Розвиток виробництва вимагав потужного, універсального і керованого джерела енергії, що могло бути легко доставлене до місця використання і дозволило би звільнити промисловість від привязки до рік. Дана задача була вирішена зі створенням теплового (парового) двигуна.

Втративши своє монопольне положення джерела енергії, водяне колесо та гідроенергетика зберегли свої переваги там, де це дозволяли природні умови. За ККД і вартістю експлуатації гідродвигун був набагато вигіднішим парового, тому що не вимагав витрат на паливо. Згодом продуктивність і число обертів технологічних машин підвищилися і привод від звичайних водяних коліс вже не відповідав вимогам. Технічні параметри гідродвигуна - число обертів, потужність та інші - потрібно було також поліпшувати.

У XVII в. з'явилося горизонтальне водяне колесо з ковшеподібними лопатями - прообраз активної турбіни. Швидкість його була вища, ніж у

звичайного колеса. Д. Бернуллі (1700 - 1782 рр.) досліджував динаміку водяного потоку й навів залежності для потенціальної (енергії тиску) і кінетичної (енергії швидкості) складових енергії потоку на прикладі водяних коліс з ковшеподібними лопатями. У 1745 р. Баркерс у Великобританії і Я. Сегнер (1704 - 1777 рр.) в Угорщині запатентували реактивну турбіну з підвищеним числом обертів. У 1751 -1755 рр. Л. Ейлер (1707 -1783 рр.) проаналізував турбіну Сегнера і запропонував варіант реактивної турбіни з напрямним апаратом, що підвищив її ККД. У 1832 р. за ініціативою К. Бюрдена (1790 - 1873 рр.), який ввів термін "турбіна", був оголошений конкурс на кращий гідравлічний двигун. У 1834 р. учень Бюрдена Б. Фурнейрон (1802 - 1867 рр.) сконструював швидкохідну реактивну турбіну з напрямним апаратом і внутрішнім підведенням води радіально від центра турбіни. ККД агрегата досяг 70%. Турбіна широко використовувалася в XIXв. Аналогічний апарат в 1837 р. побудував на Алопаєвському заводі (Урал) І.Е. Сафонов (1806 - 1850 рр.). У 1838 р. у США Ховд створив радіальну реактивну турбіну із зовнішнім підведенням води й усмоктувальною трубою, що дозволило розмістити робоче колесо над нижнім рівнем води і підвищило ККД.

У 1838 р. Ж. Понселе (1788 - 1867 рр.) опублікував теорію турбін, що послужило поштовхом до створення нових конструкцій. У 1837 р. К. Геншель (1780 - 1861 рр.) у Німеччині й у 1843 р. Жонваль у Франції запропонували реактивні осьові турбіни з напрямним апаратом над робочим колесом.

Слідом за ними у 1850 р. з'явилися активні турбіни: радіальна - Швамкруга (рис. 2.3) в Німеччині і осьова - Жирара у Франції.

У 1847 - 1848 рр. Д. Френсіс (1815 - 1892 рр.) доопрацював конструкцію Ховда і побудував радіально-осьову реактивну турбіну, яка отримала широке розповсюдження (рис. 2.4).

У турбіні Френсіса струмені води заходять через всмоктувальну трубу і далі змінюють напрямок руху з радіального на осьовий за допомогою спеціально вигнутих лопатей. Турбіна Френсіса модернізувалася Свайном в 1869 р., Корніком у 1876 р. і іншими. У результаті був створений ряд апаратів різної швидкохідності. Модифікації коліс радіально-осьових турбін показані на рис. 2.5.

У 1880 р. професор Фінк запропонував радіальний напрямний апарат з лопатей, що повертаються і регулюють тим самим витрати води в турбіні. Це підвищило ККД турбін, а також ефективність їх регулювання. У 1886 р. на заводі Фойта (Австрія) була виготовлена спіральна камера підведення води до напрямного апарата. Її вигляд показаний на рис. 2.6.

Для великих напорів води в 1880 р. А. Пельтоном (1829 - 1908 рр.) була спроектована активна ковшова турбіна (робочий напір води до 1800м). Робоче колесо цієї турбіни показане на рис. 2.7.

Таким чином, в результаті удосконалення гідравлічних турбін у 1871 - 1900 рр. і створення електрогенераторів, зявилась можливість розпочати

будівництво гідроелектростанцій (ГЕС). Останнім кроком в поліпшенні конструкції гідротурбін була розробка В. Капланом (1876 - 1934 рр.) у 1912р. осьової реактивної турбіни пропелерного типу з поворотними лопатями (рис. 2.8). Аналогічні турбіни запропонували Наглер і Ловачек.

В даний час широко використовуються поворотнолопатеві і пропелерні апарати. Прикладом перших можуть бути турбіни Саяно-Шушенської ГЕС, що мають при напорі 220 м і частоті обертання 93,8об/хв потужність 720 МВт і ККД 95,8%, прикладом других - турбіни Зейської ГЕС потужністю до 220 МВт при напорі 78 м і діаметрі робочого колеса 6 м. При напорі 27 м у складі капсульних агрегатів турбіна має колесо діаметром 9,5 м і потужність 178 МВт (ГЕС Джердап-Залізні Ворота).