3.3. Від водяного колеса до гідротурбіни – розвиток теорії, створення і застосування гідротурбін

Вже в в давні часи закономірності використання енергії води цікавили вчених і філософів, що знайшло відображення в працях давньогрецького мислителя Арістотеля (384–322 до н.е.), великого математика і механіка Архімеда (287–212 до н.е.).

Архімед – один з геніальніших учених всіх часів і народів. Він був чудовим математиком, видатним інженером і родоначальником математичної фізики. Архімед настільки випередив науку свого часу, що по-справжньому деякі його роботи стали зрозумілі тільки через

18 століть у Європі, де на його математичних працях вчилися творці нової математики – аналізу нескінченних малих. На жаль, до нас дійшли лише деякі з його творів, винаходів і приладів. З творів можна назвати дві книги

«Про кулю і циліндр», дві книги «Про рівновагу площини», «Про вимір кола», «Про коноїди і сфероїди», «Про спіралі», «Про число піщинок», «Про квадратуру параболи», «Послання Ератосфену про деякі теореми механіки», дві книги «Про тіла, що плавають», «Уривки».

Досліджуючи закони центру ваги як точки, при підвішуванні за яку тіло залишається в рівновазі у всіх положеннях, Архімед довів, що важке тіло буде залишатися в рівновазі, коли точка підвісу і центр ваги тіла залишаються на одній вертикалі. Він ввів поняття механічного моменту сили. Вчення Архімеда про центр ваги актуальне і зараз і використовується в різних галузях техніки – машинобудуванні, кораблебудуванні, аеронавтиці, архітектурі.

Умова рівноваги важеля викладена в його в чіткій математичній інтерпретації:

«порівнянні величини врівноважуються, якщо довжини, на які вони підвішені, знаходяться в зворотному відношенні до вагів». Виклад цього закону і зараз вважається зразковим і з плином часу в ньому нічого не було змінено.

Мал. 3.14. Архімед і «архімедів гвинт»

Архімед розробив основи статики і гідростатики, запровадив поняття питомої ваги. Знаменитий свій закон про здатність рідини виштовхувати тіла він виклав у спеціальному творі «Про плаваючі тіла». Сам закон Архімед формулює так: «тіло, більш легке, ніж рідина, опущене в цю рідину, занурюється настільки, щоб об'єм рідини, який відповідає об'єму зануреної частини тіла, мав би вагу, рівну вазі всього тіла». З відкриттям цього закону стало можливим визначати підйомну здатність споруджуваного судна. Для цього треба тільки обчислити об'єм води, яка витісняється ним при зануренні до певної глибини. Віднявши з ваги витиснутої води вагу самого судна, одержують вагу вантажу, що може бути прийнятий судном. Але треба ще знати, чи воно не перекинеться. Розуміючи це, Архімед розглянув умови, від яких залежить стійкість рівноваги плаваючих тіл. Цей закон покладений в основу наукового конструювання суден. Людина різнобічно обдарована і на рідкість ерудована, Архімед був одним з перших інженерів у самому широкому розумінні цього слова. Він винайшов машину для підйому води, так званий «архімедів гвинт» (мал. 3.14), побудував мости власної конструкції, під його керівництвом були споруджені дамби для регулювання розливів Нілу, побудований «корабель Гієрона» для перевезення зерна, ще в ранній молодості він виготовив майстерний планетарій, що приводився в рух водою. Вперше для підняття тягарів Архімед застосовує систему важелів і блоків. Інженерна діяльність Архімеда яскраво відбилася в його математичних роботах, в яких він дотепно вирішував задачі на обчислення довжини кривих, площ і об'ємів, дав формули для визначення довжини кола, об'єму і поверхні кулі та її частин, площі сегмента параболи й інші.

Архімед був автором багатьох практичних винаходів. Деякі з них добре відомі нам. Наприклад, його ідея гвинта використовується нині в насосах, шнеках і простих м'ясорубках. А чи застосовували «архімедів гвинт» у стародавньому світі? Відповідь на це питання знаходимо в одній із праць давньогрецького мандрівника, історика і географа Страбона (63 до н.е. – 24 н.е.).

У 25 р. до н.е. він відвідав Єгипет у складі експедиції, що шукала шлях в Індію. У його описі міститься розповідь про те, як подавали воду з Нілу в одне військове укріплення. Було прорито канал, кінець якого упирався в узвишшя. Там поставили дерев'яні гвинти Архімеда, що вручну оберталися 50 рабами. Таким чином вода попадала в інший канал, що був проритий на підвищенні.

Розвиток промисловості, нагромадження нових практичних знань у XV–XVI ст. в епоху Відродження привели до нечуваних злетів людської думки. У цей період закладені основи сучасної науки. Найважливішу роль в удосконаленні водяних двигунів, створенні гідравлічних турбін відіграли наукові дослідження в області гідравліки і теорії гідравлічних двигунів.

Неоціненний внесок у розвиток гідравліки, гідротехніки і гідравлічних дви гунів зробив Леонардо да Вінчі (1452–1519) – геніальний італійський художник, вчений й інженер, один з найвизначніших представників мистецтва і науки епохи Відродження. Він сформулював гідродинамічний принцип нерозривності, описав рівновагу рідини в сполучених посудинах, наблизився до відкриття основного закону гідростатики – закону Паскаля. Свої дослідження по гідравліці та гідравлічним машинам Леонардо да Вінчі збирався узагальнити в трактаті про воду, який складається з ряду книг, у тому числі про водоводи, канали, про саму воду, про машини, що приводяться в рух водою. У його рукописах безліч заміток, замальовок (мал. 3.15) і конспектів розділів цієї праці, яку він не завершив. Леонардо да Вінчі вважав, що практика неможлива без теорії: «Закоханий у практику без науки – немов керманич, що ступає на корабель без керма або компасу; він ніколи не впевнений, куди пливе».

У XVI ст. вийшла у світ книга «Піротехника» Ванноччо Бірінгуччо, керівника металургійного заводу в Сієні, де описане досить велике водяне колесо: «Деякі користуються колесом з ковшами 6, 7, 8 ліктів у діаметрі, у залежності від місцезнаходження і кількості води».

Саме в ці роки розпочалась публікація праць з техніки, в яких описувалися водяні колеса, повітродувки, найрізноманітніші млини. У 1556 р. з'явилася монографія видатного німецького вченого Георга Агріколи (1494–1555) «Про гірську справу і металургію», що складається з 12 книг.

З'являються праці, спеціально присвячені водяним колесам. У 1737 р. опублікована книга французького інженера і вченого Белідора «Гідравлічна архітектура», в якій розглядаються вже не тільки приклади застосування водяних коліс, але й елементи їх теорії, методи розрахунку і конструювання.

Англійський інженер Смітон проводить досліди з моделями водяних коліс і пропонує ряд нових рішень.

Довгий час твір Архімеда «Про плаваючі тіла» був відомий тільки по латинському перекладу, зробленому в ХШ ст. францисканським монахом Вільгельмом з Марбеке. Історія відкриття грецького оригіналу така: на початку ХХ ст. приват-доцент Петербурзького університету Попандопуло-Керамевс повідомив про те, що у Константинополі є рукопис духовного змісту, на якому раніше був написаний інший текст. У 1906 та 1908 рр. в Константинополі побував датський філолог Гейберг. Він прочитав більшу частину рукопису, який відновив фотографічним методом. З'ясувалось, що цей рукопис містить більшу частину грецького оригіналу твору Архімеда «Про плаваючі тіла», а також раніше зовсім невідомий твір «Ефодік», в якому Архімед розкриває суть свого математичного методу.

Мал. 3.15. Леонардо да Вінчі. Малюнки гідравлічних машин. Мілан

Даниїл Йоганович Бернуллі (1700–1782)

Величезний внесок у розробку теоретичних основ створення гідравлічних турбін внесли члени Петербурзької академії наук швейцарські вчені Д. Бернуллі, що опублікував у 1738 р. працю «Гідродинаміка», яка стала класичною, і Л. Ейлер, котрий виконав у середині XVIII ст. важливі дослідження з теорії гідравлічних турбін, вивів основні рівняння руху рідини, висловив і обґрунтував ідею направляючого апарату, запропонував проект першої реактивної гідравлічної турбіни з робочим колесом і направляючим апаратом.

Перша гідравлічна турбіна була побудована в 1750 р. угорським вченим Я. Сегнером. У першій половині XIX ст. з'являються гідравлічні турбіни, застосовані на практиці. Так, у 1827 р. французький інженер Б. Фур нейрон побудував радіальну відцентрову реактивну турбіну, яка у 1834 р. була використана на виробництві. Результатом тривалих спільних зусиль інженерів і вчених багатьох країн стало створення першої придатної для практики гідравлічної турбіни.

У Росії винахідник І.Сафронов у 1837 р. створив і встановив гідравлічну турбіну на Алапаївському металургійному заводі на Уралі, а через 25 років тільки в металургійній промисловості Росії вже працювало 58 гідравлічних турбін. Коефіцієнт корисної дії гідравлічної турбіни на Нейво-Шайтанському заводі становив уже 70%.

У 1837–1841 рр. французьким інженером Жонвалем і німецьким інженером Хентелем практично одночасно була розроблена осьова реактивна турбіна, у 1849 р. з'явилася радіально-осьова реактивна турбіна американського інженера Д. Френсіса, у 1880 р. – ковшова активна турбіна Пельтона, у 1912 р. – поворотно-лопатева реактивна турбіна В. Каплана. Ці конструкції турбін лягли в основу сучасних гідравлічних турбін.

Перша в світі промислова ГЕС потужністю 220 кВт була побудована в Германії в Лауфені на р. Неккар в 1891 р. під керівництвом російського інженера М.О. Доліво-Добровольського. Там же в Германії в Рейнфельді в 1898 р. була побудована велика ГЕС потужністю 16,8 МВт з напором 3,2 м. У Росії в 1892 р. під керівництвом інженера Кокшарова була побудована гідроелектрична установка потужністю 150 кВт на р. Березівці на Алтаї, в США в 1900 р. – Ніагарська ГЕС Адамс потужністю 500 тис. к.с. з напором 41,2 м.

На початку ХХ ст. ГЕС будуються в країнах Західної Європи, Росії, США, Бразилії, Японії та інших країнах. Широке будівництво ГЕС, які використовують відновлювальні гідроенергоресурси, ведеться в багатьох країнах світу. Якщо на початку ХХ ст. сумарна потужність ГЕС у світі складала близько 1 млн. кВт, то на початок ХХІ ст. – 670 млн. кВт з виробленням електроенергії 2650 млрд. кВт·год, що становить біля 32% економічно ефективного гідроенергетичного потенціалу. Потужність великих гідротурбін сягає 0,8 млн. кВт, а діаметр робочого колеса 10 м. На заводі «Турбоатом» (Україна) для Рагунської ГЕС (Таджикистан) створена радіальноосьова гідротурбіна (Френсіса) з діаметром робочого колеса 6 м, потужністю 615/810 МВт (потужність 810 МВт досягається при максимальному напорі 320 м). Потужність найбільшої в світі ГЕС Ітайпу на р. Парана (Бразилія-Парагвай) становить 12,6 млн. кВт, потужність одного гідроагрегату – 0,7 млн. кВт. Потужність ГЕС «Три ущелини», що будується на р. Янцзи (Китай), – 18,2 млн. кВт, потужність одного гідроагрегату – 0,7 млн. кВт.

Медаль на честь Л. Ейлера

На заміну водяному колесу – найдавнішому двигуну, який протягом багатьох тисячоліть вірою і правдою служив людям, – прийшла гідравлічна турбіна.

Зовні від водяного колеса гідравлічна турбіна відрізняється тим, що вода проходить через її колесо (між лопатями) наскрізь, а з водяного колеса вода сходить у тій же його частині, де вона до нього надходить. При цьому гідравлічна турбіна порівняно з водяним колесом має значні переваги, включаючи компактність, швидкохідність, високий к.к.д. і велику потужність.

Принципово новий етап використання гідроенергетичних ресурсів пов'язаний з розвитком електроенергетики, яка забезпечила різкий ривок у розвитку цивілізації, поліпшенні умов життя людей.

Гідроенергетика – галузь електроенергетики, що належить до використання енергії води головним чином для виробництва електроенергії на ГЕС.

В останній чверті XIX ст. були забезпечені необхідні умови для розвитку гідроенергетики: створені ефективні гідравлічні турбіни, що характеризуються високим ККД і великою потужністю; розроблені електричні генератори змінного струму; здійснена на практиці передача електроенергії на значну відстань.

У Росії в 1877 р. «Інженерний журнал» опублікував статтю Ф.П. Піроцького «Про передачу роботи води, як рушія, на будь-яку відстань за допомогою гальванічного струму».

«Велич деяких справ складається не стільки в їх розмірах, скільки в їх своєчасності», – писав давньоримський філософ Сенека (4 р. до н.е. – 65 р. н.е.).