Раздел 2. Гидроэнергетические ресурсы, их использование. Принципиальные схемы, параметры, режимы работы ГЭС и ГАЭС

 

Мал. 3.2. Китайське водочерпальне колесо

Для піднімання води в зрошувальні канали служили водяні колеса (перші найпростіші гідравлічні двигуни), що використовують її енергію. Перші водяні колеса почали застосовуватись більш ніж за 3000 років до н.е. у Єгипті, Китаї, Індії й інших країнах (мал. 3.2). Свідчення про їх використання наводяться в таких давніх джерелах, як «Географія» Страбона (63 р. до н.е. – 24 р. н.е.) у сімнадцятьох книгах, «Десять книг про архітектуру» Вітрувія (друга половина I століття до н.е.).

Вітрувій так описує водяне колесо: «Довкола валу встановлюється колесо, за своїми розмірами відповідне висоті, на яку повинна бути доставлена вода, довкола нього, по зовнішньому колу, встановлюються кубічні ящики, що робляться водонепроникними за допомогою смоли і воску. Коли колесо шляхом наступання приводиться в рух, ящики наповнюються водою, піднімаються догори і на зворотному шляху виливають її у водосховище».

Якщо течія ріки досить сильна, то вона сама може обертати колесо і зусилля раба або тварини можна замінити силою текучої води. У того ж Вітрувія читаємо: «У ріках також встановлюються водопідйомні колеса, подібні вищеописаним, з тією тільки різницею, що до них із зовнішньої сторони прилаштовуються лопаті, які, захоплені плином води, своїм рухом змушують обертатися колесо, і при цьому, наповнюючи ящики водою й підіймаючи їх догори, без зусилля штовхання, шляхом використання течії води, обертаючись самі, виконують необхідну роботу».

Мал. 3.3. Старовинне сирійське водопідйомне колесо – норіяНа мал. 3.3 показане стародавнє сирійське водопідйомне колесо – норія.

Стародавні греки зрозуміли, що водяне колесо, обертаючись, може не тільки підіймати воду, але і виконувати іншу корисну роботу, якщо його вісь з'єднати з яким-небудь механізмом. Від цієї здогадки лишався лише крок до винаходу водяного млина. І цей крок був зроблений. У Стародавній Греції і Римі водяні колеса вже використовувалися для обертання млинових жорен.

Мал 3.4. Старовинний водяний млин

У ті часи простий пристрій водяного млина уявлявся справжнім чудом, таким самим, як двері храмів, що відкривалися «самостійно», чи вогонь, що з'являвся «безпричинно» на жертовному вогнищі. Але там ці дії, здавалося, чинили самі боги, а тут, на водяному млині, найбільш проста і звична земна робота – розмелювання зерна – здійснювалася як би сама собою, без монотонної і важкої праці рабинь, що розтирають зерно між каменями (мал. 3.4).

Один з поетів тієї епохи – македонянин Антіпатр Фессалонікський, який жив у I столітті до н.е., – присвятив водяному млину оду:

Дайте спочити рукам, мукомелки;
спокійно дрімайте,
Хоч би про близький світанок голосно півень горлав:
Німфам безодні річковій ваш труд доручила Деметра;
Як загрались вони обід крутячи колеса! Бачите? Вісь закружляла, а вісі покручені спиці
З рокотом сунуть глухим вагу жорен двох пар.
Знову нам час наступив золотий: без праці і зусиль
Почали знову вкушать дар ми Деметри святої.

У давньому Римі вже в II ст. водяні млини були поширені майже повсюдно, усе більше і більше робіт виконувалося з їх допомогою. Водяні колеса використовувалися і для вижимання олій, і для розм'якшення яблук, з яких готували улюблений римлянами напій – сидр, з їх допомогою заповнювався водою знаменитий римський водогін. А коли під час облоги Риму остготи зруйнували водогін і «вічне місто» залишилося без води, імператор Вілезарій влаштував прямо на Тибрі величезні плавучі водяні колеса, що служили для подачі води в місто.

Найбільш давня конструкція водяного колеса приводилася в рух тиском текучої води на лопаті (ковші) у нижній його частині.

До цього часу експлуатується водоймище комплексного використання Бенде Емір (Іран), що має тисячолітню історію.

Водяні млини і колеса досить швидко розповсюдились у Європі. Для спорудження водяних коліс у Західній Європі будувалися невеликі водоймища. Так, у Франції збереглися залишки каскаду з 16 водяних млинів поблизу м. Арля, побудованих у III–IV ст. Значно поширились водяні млини тут у XI–XIV ст. В Англії водяний млин з'явився приблизно у VIII ст., а вже в 1086 році в Тренте і Северне було зареєстровано 5624 млини.

Водяні колеса весь час удосконалювалися. Були придумані досить складні пристрої і передатні механізми, которі дозволяли використовувати силу води не тільки для помелу зерна, але і для виконання самих різних робіт. Водяні колеса обертають верстати, приводять у рух ковальські міхи, допомагають металургам підіймати руду із шахт. Ось як у рукописі VIII ст. описується використання енергії води невеликої річки:

«Спочатку річка наштовхується на млин…, потім її кличуть до себе сукновальні, що знаходяться поряд з млином… Опускаючи і піднімаючи важкі пести чи – краще сказати – молоти або дерев'яні ступи…, річка звільняє сукновалів від стомлюючої праці… Швидка течія річки приводить у рух велику кількість водяних коліс. Потім покрита піною річка повільно рухається далі… Тут її зустрічає гуртожиток братії, і вона приймає діяльну участь у виробленні того, що необхідно для взуття братії… Потім, поволі розпадаючись на безліч рукавів, річка метушливо кружляє, заглядає в окремі майстерні, ретельно відшукуючи, де є потреба в її службі: при варінні, просіванні, обертанні, розтиранні, зрошенні та митті». Водяні млини застосовувалися і в Давній Русі. Про це згадується вперше в ХIII ст. у ярлику хана Менгу-Теміра. У дарчу грамоту 1292 р. галицького князя Лева Даниловича Спаському монастирю включені водяні млини, а Дмитро Донський у 1389 р. в духовному заповіті назвав усі водяні млини, що належали йому. У 12 відомих «Жалуваних грамотах Чернігівського князя Свідригайла» своїм слугам у 1433–1444 рр. також згадуються водяні млини.

Ці млини дуже цінувалися і тому ніколи не забувалися в заповітах. Так, у заповіті князя Володимира Андрійовича, написаному в 1440 році, говориться про водяні млини на ріках Яузі та Неглінній. Як свідчать літописи, на Неглінній річці в 1519 р. працювали 3 водяні млини й одна ступа (рос. толчея) – пристрій великого розміру для товчіння. (Як пише В. Даль, «какова толчея, таково и толокно»). Там же було зроблено і кам'яну греблю. Літопис повідомляє: «Князь Великий Василий Иванович пруды копал и мельницу каменную доспел на Неглинке…» На Русі в давнину будівельників водяних млинів називали водяними людьми.

У 1528 р. був побудований водяний млин на великій річці Волхов. Як записано в Новгородському літописі, «…и ограду сдела, и колесо постави, и камень жерновый постави, и камень нача и вертетися, тако видети, кабы ему и молоти». У ХVI–XVII ст. водяні млини будують у великій кількості також у віддалених районах Уралу, Сибіру.

Описуючи поселення України кінця XVI століття, О.Я. Єфименко у своїй книзі «Історія українського народу» (1906) відзначає, наприклад, Побужжя як «територію з величезними зручностями і вигодами для заселення. Горбиста поверхня з надзвичайно родючим ґрунтом була зрошувана масою текучої води, що утворює чудові рибні ставки й в той же час дуже зручна для устрою млинів». Жителі українських поселень займалися і землеробством, але в даний період це був лише другорядний, побічний промисел, що доводить обмежена кількість млинів, які завжди реєстрували як важливу статтю доходів.

Незабаром ситуація різко змінюється. Диякон Павло Алеппський, який супроводжував влітку 1654 року антиохійського патріарха Макарія в подорожі Україною, приходить у захват від киплячої життєвості країни. Зокрема, письменника приводили у подив і захват безліч домашніх птахів і тварин, особливо свиней, величезні й різноманітні посіви, сади і городи, рибні ставки і млини зі ступами. У ХVII ст. водяні млини значно поширились на Україні.

Мал. 3.5. Водяний млин в Україні (з картини 1900 р.)Млини стають атрибутикою українського пейзажу (мал. 3.5).

Згадаємо, наприклад, «Наймичку» Т.Г. Шевченка («Придбали хутір, став і млин,…»).

Для приведення у рух водяних коліс використовувалася також сила припливу. Припливні млини з'явилися в ХI ст. на узбережжі Адріатичного моря, а також в Англії і Франції. Так, в Англії в гирлі р.Дебен і сьогодні працює млин, перша згадка про який є в записах Вудбриджського приходу в 1170 р.

До більш пізнього часу належить збережена дарча грамота Івана Грозного, в якій згадується про припливні млини, побудовані Микитою Павловим на березі Білого моря в Усть-Золотиці, а також в інших місцях.

Саме в середні століття основним енергетичним джерелом у всіх видах виробництва стає енергія води. Звичними стали машини, які за допомогою енергії води точили метали, ткали полотно, пиляли дошки і волочили дріт.

Вже наприкінці XII ст. у Нюрнберзі були поширені шаповальні, в яких металеві пальці для тріпання вовни приводилися в рух водяним колесом. До 1351 р. належить винахід першого вододіючого стану для виготовлення залізного дроту. У рукописі Віллара де Оннекура 1245 року описана перша лісопилка, що приводилася в дію водяним колесом.

На олов'яних рудниках Саксонії переробка руд відбувалася в мокрих ступах, чи «цвіттер-млинах», вперше збудованих у 1507 році. У них руда подрібнювалась до стану суспензії пестами – дерев'яними колодами, оббитими залізом.

Спочатку кожен товчійний пест приводився в рух окремим водяним колесом, причому вода, що стікала з верхнього колеса, падала на приводне колесо, розташоване нижче. Пізніше руду стали подрібнювати «пестами, яких в одному ряді іноді стоїть більше двадцяти», про що із захопленням повідомляє Г.Агрікола у своїй монографії «Про гірську справу і металургію». Вони (пести) приводилися в рух одним-єдиним водяним колесом, з'єднаним з трансмісійним пристроєм. Цю роль виконував сталевий вал із жорстко закріпленими дисковими колесами, від яких приводні ремені йшли до пестів. Пести рівномірно піднімалися й опускалися один за одним.

Мал. 3.6. Швацька машина

На рудниках головною турботою була проблема водовідливу. Як рушійна сила вода була незамінним помічником рудокопа. Потрапляючи в шахту, вона ставала його лютим ворогом, загрожувала його життю і заважала працювати. Вдень і вночі на мокрих, слизьких шахтних сходах по двоє в ряд стояли водоноси, котрі з рук у руки передавали один одному шкіряні відра: порожні – униз, повні – наверх. На водовідливі було зайнято до 200 чоловік у зміну, а всього – 600. З документів 1535 року видно, що водовідлив за допомогою шкіряних відер обходився в 14 тис. гульденів щорічно. Як поточні експлуатаційні витрати – сума на той час прямо-таки дивовижна.

Одним з перших пристосувань для відкачки води на рудниках була водовідливна машина з черпаками, встановлена в 1535 р. на руднику Віндельман, що працювала від водяного колеса. Її називали «Хайнцем». «Хайнц» являв собою трубопровід із просвердлених ялинових колод з конопляним канатом або залізним ланцюгом всередині. Для з'єднання колод у широку низову частину одного стовбура вставлялася верхівка наступного. На канаті були укріплені шкіряні черпаки. Кінці з'єднувалися в нескінченне «намисто», що піднімало нагору рудничну воду.

Мал. 3.7. Переливне колесо, що використовувалося для приводу механізмів

У 1553 році людей на водовідливі цілком замінила «швацька машина», на яку дивилися як на нове чудо світу. Назву машина одержала від місця її установки – рудника Швац в Тіролі, австрійські Альпи. Вона являла собою гігантське водяне колесо з двома рядами лопатей (мал. 3.6). Останні розташовувалися одна проти одної, тому колесо оберталося як уперед, так і назад. Розміщувалося воно над шахтою, у виїмці, вирубаній в породі. З вала колеса опускалися в шахту два ланцюги, котрі підіймали наверх дерев'яні бадді з рудою і породою і величезні, ємністю по 1400 л, мішкичерпаки з водою, зшиті з двох бичачих шкір кожний. У 1610 році запрацювала друга водопідйомна машина. У 1650 році у Шваці установили нову водопідйомну машину з водяним колесом, що мало 11 м у поперечнику. До 1740 року її продуктивність була доведена до 13 тисяч кубічних метрів на добу.

У 1550 році в Аугсбурзі існувала дуже складна система міського водопостачання: водяні колеса подавали воду за допомогою «архімедових гвинтів» на міську водокачку, звідкіль вона по розгалуженій системі трубопроводів потрапляла до помешкань. Водопостачання Лондону протягом 250 років здійснювалося припливним млином, спорудженим в 1583 році німецьким інженером Пітером Морісом.

Поступово конструкція водяного колеса удосконалюється, і воно стає основним двигуном у мануфактурному виробництві, а саме гідравлічним двигуном, який перетворює енергію води в механічну енергію, наприклад валу, що обертається.

Хвилі покірні, лопаті гримлять
Застиглого над берегом колоса,
І обертаються важкі колеса
Не кваплячись, одне одному в лад.

  Так пише про водяний млин італійський поет середини ХVІІ ст. Бартоломео Дотті.

 

 

аб

Мал. 3.8. Водяні колеса з коритоподібними лопатями: а – підливне; б – переливне

в Мал. 3.9. Водяні колеса: а – нижньобійне, б – середньобійне, в – верхньобійнеНе тільки розміри коліс збільшуються, самі колеса принципово змінюються (мал. 3.7, 3.8). Вони вже не просто плавучі, що використовують енергію течії ріки. Будуються спеціальні греблі, які збільшують натиск води; вода за допомогою каналів подається на колесо так, щоб повніше використовувати її енергію. Наприклад, у широко відомому млиновому колесі, збудованому в Тулузі в другій половині XVI ст., лопаті були розміщені гвинтоподібно, так що потік «діяв і вагою, і ударом» (щоб використовувалися і потенційна, і кінетична енергія рухомої води).

У ХVII–XIX ст. в епоху промислової революції велика кількість водоймищ будується в промислових районах Західної Європи, а також Росії для водопостачання, водяного транспорту, забезпечення зростаючих потреб у механічній енергії за рахунок використання енергії води. Водяні колеса широко застосовуються в усіх видах виробництва на заводах, рудниках, приводячи в рух насоси, молоти, повітродувні міхи, вагонетки, рудопідйомники та інші механізми, а також забезпечують водопостачання міст.

Розрізняють три типи водяних коліс, які розміщуються на горизонтальному валу: нижньобійні (підливні), середньобійні та верхньобійні (переливні чи наливні) (мал. 3.9). Застосовувані колеса були тихохідними (до 4–10 обертів за хвилину) і в основному малої (до 20 к.с.) потужності.

Поступово здійснюється перехід до більш продуктивних верхньобійних коліс, почали застосовувати метал для валів та інших деталей, збільшувався діаметр колеса для підвищення потужності гідравлічного двигуна.

Мал. 3.10. Мутовчатий млинУ Росії в ХVІ ст. поширюється більш швидкохідне горизонтальне колесо з вертикальним валом (прообраз активної гідравлічної турбіни) – «мутовчатий млин» (мал. 3.10).

У Франції Р. Салем спільно з А. де Вілем у 1682 р. створили найбільшу гідросилову установку з 13 коліс, діаметр яких досягав 8 м. Колеса приводили в дію 235 насосів, що піднімали воду з р.Сени на висоту 163 м. Цю систему, що забезпечувала водою фонтани королівських парків у Версалі та Марлі, сучасники називали «чудо Марлі».

У першій половині XVIII ст. будуються вже величезні водяні колеса. У Шотландії в Гриноці на великій бавовнопрядильні в гирлі Р. Клайд працювало залізне водяне колесо діаметром більш 21 м і шириною біля 4 м. На острові Мен в Англії було збудоване колесо ще більшого діаметру. До середини XVIII ст. водяні колеса розповсюдились всюди (мал. 3.11).

Мал. 3.11. Водяне колесо XVII ст.

У Росії в XVI ст. на р. Лахомі в районі Вичегди діяла залізоплавильня з греблею і гідросиловою установкою для кування заліза.

У 1632 р. поблизу Тули під керівництвом голландського майстра Вініуса збудували перший у Росії «чавуноплавильний і залізоробний» завод, машини якого приводилися в дію водяним колесом (мал. 3.12).

У 1763–1765 рр. був збудований каскад установок з водяними колесами на р. Кораблисі, а в 1783–1789 рр. на Зміїногорському руднику на Алтаї винахідником К.Д. Фроловим (1726–1800) був введений у дію комплекс з трьох водопідйомних установок, у тому числі з верхньобійним водяним колесом діаметром 17 м.Мал. 3.12. Водяне колесо XVII ст. з нижнім підводом води, яке приводить в дію ковальський молот і міхи

 

Гребля висотою 18 м, яка підняла води р. Кораблихи, досі виконує свої функції.

Зміїногорський комплекс гідротехнічних споруд (мал. 3.13) вражає своїми масштабами. Навіть зараз можна спостерігати велетенські штучно створені зали, в яких колись оберталися колосальні за розмірами водяні колеса.

Мал. 3.13. Схема дії гідросилового комплексу ХVШ ст. К.Д.Фролова:
1 – гребля; 2 – водозабір; 3 – водопідвід; 4 – водяні колеса;
5 – пилорама; 6 – рудопідйомник Катеринінської шахти;
7– рудопідйомник Воскресенської шахти; 8 – головний ствол Катеринінської шахти; 9 – головний ствол Воскресенської шахти; 10 – ланцюговий механізм рудопідйомника;
11 – штанги приводів насосів; 12 – насоси;
13 – Олександрівський штрек Ця установка була однією з найбільш досконалих для того часу. Як писав О.І. Порошин, який керував алтайськими рудниками, К.Д. Фролов виявив «знак своєї ревності і допитливості», привівши всі механізми «у довершену дію водяною силою». Наприкінці XVIII ст. у Росії нараховувалося біля 3 тисяч заводських гідросилових установок, деякі з них вражають своєю раціональністю і потужністю.

В Естонії гідросилова установка Кренгольмської мануфактури на р. Нарові сумарною потужністю 6 МВт була в 1890 р. найбільшою у світі.

У період XVII–XVIII ст. зростаючу потребу промисловості, що розвивалася, в енергії могло забезпечити тільки водяне колесо. Водяні двигуни ставали все більш могутніми і більш досконалими, їх ККД досягав 60–70%. Однак не усі виробництва можна було розмістити біля річок, при експлуатації водяних коліс виникали труднощі, пов'язані з мінливістю стоку ріки протягом року. Тихохідні водяні колеса вимагали досить складних передавальних механізмів для збільшення швидкості обертання верстатів.

Винахід парового двигуна і його тріумфальний хід з кінця XVIII ст. істотно знизив використання водяних коліс у XIX ст. Відродження водяного колеса на новій основі у вигляді гідравлічної турбіни відбулося в XX ст., коли почалась епоха електроенергетики і водяний млин замінила ГЕС.