3.3. От водяного колеса к гидротурбине – развитие теории, создание и применение гидротурбин

Уже в древности закономерности использования водной энергии интересовали ученых и философов, что нашло отражение в трудах древнегреческого мыслителя Аристотеля (384–322 до н.э.), великого математика и механика Архимеда (287–212 до н.э.).

Архимед – один из гениальнейших ученых всех времен и народов. Он был замечательным математиком, выдающимся инженером и родоначальником математической физики. Архимед настолько опередил науку своего времени, что по-настоящему некоторые его работы были поняты только через 18 веков в Европе, где на его математических трудах учились творцы новой математики – анализа бесконечных малых. К сожалению, до нас дошли лишь немногие из его сочинений, изобретений и приборов. Из сочинений можно назвать две книги «О шаре и цилиндре», две книги «О равновесии плоскости», «Об измерении круга», «О коноидах и сфероидах», «О спиралях», «О числе песчинок», «О квадратуре параболы», «Послание Эратосфену о некоторых теоремах механики», две книги «О плавающих телах», «Отрывки». Исследуя законы центра тяжести как точки, при подвешивании за которую тело остается в равновесии во всех положениях, Архимед установил, что тяжелое тело будет оставаться в равновесии, когда точка подвеса и центр тяжести тела остаются на одной вертикали. Он дал понятие механического момента силы. Учение Архимеда о центре тяжести актуально и сейчас и применяется в разных областях техники – машиностроении, кораблестроении, аэронавтике, архитектуре.

Условие равновесия рычага изложено у него в четкой математической интерпретации: «соизмеримые величины уравновешиваются, если длины, на которых они подвешены, находятся в обратном отношении к тяжестям». Изложение этого закона и сейчас считается образцовым и с течением времени в нем ничего не было изменено.

Архимед разработал основы статики и гидростатики, ввел понятие удельного веса. Знаменитый его закон о выталкивающей силе жидкости был изложен им в специальном сочинении «О плавающих телах».

Сам закон Архимед формулирует так: «тело, более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, погружается настолько, чтобы объем жидкости, соответствующий погруженной части тела, имел вес, равный весу всего тела». С открытием этого закона стало возможным определять подъемную способность строящегося судна. Для этого нужно только вычислить объем вытесняемой им воды при погружении до определенной глубины. Вычтя из веса вытесненной воды вес самого судна, получают вес груза, который может быть принят им. Но нужно ещё знать, не опрокинется ли оно. Понимая это, Архимед рассмотрел условия, от которых зависит устойчивость равновесия плавающих тел. Этот закон лег в основу научного конструирования судов.

Человек разносторонне одаренный и на редкость эрудированный, Архимед был одним из первых инженеров в самом широком понимании этого слова. Он изобрел машину для подъема воды, так называемый «архимедов винт» (рис. 3.14), построил мосты собственной конструкции, под его руководством были воздвигнуты дамбы для регулирования разливов Нила, построен «корабль Гиерона» для перевозки зерна, ещё в ранней молодости он изготовил искусный планетарий, который приводился в движение водой. Впервые для поднятия тяжестей Архимед стал применять систему рычагов и блоков.

Рис. 3.14. Архимед и «архимедов винт»

Инженерная деятельность Архимеда ярко отразилась в его математических работах, в которых он остроумно решал задачи на вычисление длин кривых, площадей и объемов, дал формулы для определения длины окружности, объема и поверхности шара и его частей, пло3 щади сегмента параболы и другие.

Архимед был автором очень многих практических изобретений. Некоторые из них хорошо известны нам. Например, его идея винта используется ныне в насосах, шнеках и простых мясорубках. А применялся ли архимедов винт в древности? Ответ на этот вопрос находим в одном из трудов древнегреческого путешественника, историка и географа Страбона (63 до н.э. – 24 н.э.).

В 25 г. до н.э. он посетил Египет в составе экспедиции, искавшей путь в Индию. В его описании содержится рассказ о том, как подавали воду из Нила в одно военное укрепление. Был прорыт канал, конец которого упирался в возвышение. Там поставили деревянные винты Архимеда, которые вручную вращались 50 рабами. Тем самым вода попадала в другой канал, который был прорыт на возвышенной части.

Развитие промышленности, накопление новых практических знаний в XV–XVI вв. в эпоху Возрождения привели к неслыханным взлетам человеческой мысли. В этот период заложены основы современной науки. Важнейшую роль в совершенствовании водяных двигателей, создании гидравлических турбин сыграли научные исследования в области гидравлики и теории гидравлических двигателей.

Неоценимый вклад в развитие гидравлики, гидротехники и гидравлических двигателей внес Леонардо да Винчи (1452–1519) – гениальный итальянский художник, ученый и инженер, один из виднейших представителей искусства и науки эпохи Возрождения. Он сформулировал гидродинамический принцип неразрывности, описал равновесие жидкости в сообщающихся сосудах, приблизился к открытию основного закона гидростатики – закона Паскаля. Свои исследования по гидравлике и гидравлическим машинам Леонардо да Винчи собирался обобщить в трактате о воде, состоящем из ряда книг, в том числе о водоводах, каналах, о самой воде, о машинах, приводимых в движение водой. В его рукописях множество заметок, зарисовок (рис. 3.15) и конспектов разделов этой работы, которую он не завершил. Леонардо да Винчи считал, что практика невозможна без теории:

«Влюбленный в практику без науки – словно кормчий, ступающий на корабль без руля или компаса; он никогда не уверен, куда плывет».

В XVI в. вышла в свет книга «Пиротехника» Ванноччо Бирингуччо, руководителя металлургического завода в Сиене, в которой описано довольно большое водяное колесо: «Некоторые пользуются колесом с ковшами 6, 7, 8 локтей в диаметре, в зависимости от местонахождения и количества воды».

Именно в эти годы началась публикация трудов по технике, в которых описывались водяные колеса, воздуходувки, самые разнообразные мельницы. В 1556 г. появилась монография крупнейшего немецкого ученого Георга Агриколы (1494–1555) «О горном деле и металлургии», состоящая из 12 книг.

Появляются труды, специально посвященные водяным колесам. В 1737 г. опубликована книга французского инженера и ученого Белидора «Гидравлическая архитектура», в которой рассматриваются уже не только примеры применения водяных колес, но и элементы их теории, методы расчета и конструирования. Английский инженер Смитон проводит опыты с моделями водяных колес и предлагает ряд новых решений.

Долгое время сочинение Архимеда «О плавающих телах» было известно только по латинскому переводу, сделанному в XIII веке францисканским монахом Вильгельмом из Мербеке. История открытия греческого подлинника такова: в начале ХХ века приват-доцент Петербургского университета Попандопуло-Керамевс указал на имеющуюся в Константинополе рукопись духовного содержания, на которой ранее был написан другой текст. В 1906 и 1908 годах в Константинополе побывал датский филолог Гейберг. Он прочел большую часть рукописи, восстановленную им фотографическим методом. Оказалось, что эта рукопись содержит большую часть греческого подлинника сочинения Архимеда «О плавающих телах», а также бывшее совершенно неизвестным до того времени сочинение «Эфодик», в котором Архимед раскрывает сущность своего математического метода.

Рис. 3.15. Леонардо да Винчи. Рисунки гидравлических машин. Милан

Огромный вклад в разработку теоретических основ создания гидравлических турбин внесли члены Петербургской академии наук швейцарские ученые Д. Бернулли, опубликовавший в 1738 г. ставшую классической работу «Гидродинамика», и Л. Эйлер, который выполнил в середине XVIII в. важные исследования по теории гидравлических турбин, вывел основные уравнения движения жидкости, высказал и обосновал идею направляющего аппарата, предложил проект первой реактивной гидравлической турбины с рабочим колесом и направляющим аппаратом.

Первая гидравлическая турбина была построена в 1750 г. венгерским ученым Я. Сегнером. В первой половине XIX в. появляются гидравлические турбины, примененные на практике. Так, в 1827 г. французский инженер Б. Фурнейрон построил радиальную центробежную реактивную турбину, которая в 1834 г. была использована на производстве. Результатом длительных совместных усилий инженеров и ученых многих стран стало создание первой пригодной для практики гидравлической турбины.

В России изобретатель И. Сафронов в 1837 г. создал и установил гидравлическую турбину на Алапаевском металлургическом заводе на Урале, а через 25 лет только в металлургической промышленности России уже работало 58 гидравлических турбин. Коэффициент полезного действия гидравлической турбины на Нейво-Шайтанском заводе составлял уже 70%.

В 1837–1841 гг. французским инженером Жонвалем и немецким инженером Хентелем практически одновременно была разработана осевая реактивная турбина, в 1849 г. появилась радиально-осевая реактивная турбина американского инженера Д. Френсиса, в 1880 г. – ковшовая активная турбина Пельтона, в 1912 г. – поворотно-лопастная реактивная турбина В. Каплана. Эти конструкции турбин легли в основу современных гидравлических турбин.

Первая в мире промышленная ГЭС мощностью 220 кВт была построена в Германии в Лауфене на р. Неккар в 1891 г. под руководством русского инженера М.О. Доливо-Добровольского. Там же в Германии в Рейнфельде в 1898 г. была построена крупная ГЭС мощностью 16,8 МВт с напором 3,2 м. В России в 1892 г. под руководством инженера Кокшарова была построена гидроэлектрическая установка мощностью 150 кВт на р. Березовке на Алтае, в США в 1900 г. – Ниагарская ГЭС Адамс мощностью 500 тыс. л.с. с напором 41,2 м.

В начале XX в. ГЭС строятся в странах Западной Европы, в России, США, Бразилии, Японии и других странах. Широкое строительство ГЭС, использующих возобновляемые гидроэнергоресурсы, ведется во многих странах мира. Если к началу XX в. суммарная мощность ГЭС в мире составляла около 1 млн. кВт, то к началу XXI в. – 670 млн. кВт с выработкой электроэнергии 2650 млрд. кВт·ч., что составляет около 32% экономически эффективного гидроэнергетического потенциала. Мощность крупных гидротурбин достигает 0,8 млн. кВт, а диаметр рабочего колеса – 10 м.

На заводе «Турбоатом» (Украина) для Рагунской ГЭС (Таджикистан) создана радиально-осевая гидротурбина (Френсиса) с диаметром рабочего колеса 6 м мощностью 615/810 МВт (мощность 810 МВт достигается при максимальном напоре 320 м).

Мощность крупнейшей в мире ГЭС Итайпу на р. Парана (Бразилия–Парагвай) составляет 12,6 млн. кВт, единичная мощность гидроагрегата – 0,7 млн. кВт, мощность строящейся ГЭС «Три ущелья» на р. Янцзы (Китай) – 18,2 млн. кВт, единичная мощность гидроагрегата – 0,7 млн. кВт.

Медаль в честь Л. Эйлера

Даниил Иоганнович Бернулли (1700–1782)

На смену водяному колесу – самому древнему двигателю, в течение многих тысячелетий верой и правдой служившему людям, – пришла гидравлическая турбина.

Внешне от водяного колеса гидравлическая турбина отличается тем, что вода проходит через ее колесо (между лопастями) насквозь, а с водяного колеса вода сходит в той же его части, где она на него поступает. При этом гидравлическая турбина по сравнению с водяным колесом имеет значительные преимущества, включая компактность, быстроходность, высокий КПД и большую мощность.

Принципиально новый этап использования гидроэнергетических ресурсов связан с развитием электроэнергетики, которая обеспечила резкий рывок в развитии цивилизации, улучшении условий жизни людей.

Гидроэнергетика – отрасль электроэнергетики, относящаяся к использованию энергии воды главным образом для производства электроэнергии на ГЭС.

В последней четверти XIX в. были обеспечены необходимые условия для развития гидроэнергетики: созданы эффективные гидравлические турбины, характеризующиеся высоким КПД и относительно большой мощностью; разработаны электрические генераторы переменного тока; осуществлена на практике передача электроэнергии на значительное расстояние.

В России в 1877 г. «Инженерный журнал» опубликовал статью Ф.П. Пироцкого «О передаче работы воды, как движителя, на всякое расстояние посредством гальванического тока».

«Величие некоторых дел состоит не столько в их размерах, сколько в их своевременности», – писал древнеримский философ Сенека (4 г. до н.э. – 65 г. н.э.).