Старая водяная мельница.
В Киевской Руси водяные силовые установки строились на реках с незапамятных времен. Из сохранившихся древних летописей как мы знаем, что русские люди уже в XIII в. искусно строили вододействующие установки для вращения мельничных жерновов.
В XIV-XV вв. водяные мельницы были уже обширно распространены. О них упоминается в рукописных документах того времени. Еще шире стали использовать природную энергию рек в XVI и XVII вв. Под Москвой на р. Неглинной в 1519 г. трудились уже три водяные мельницы и одна толчея, очищавшая зерно в ступах. Но все эти установки с водяными колесами были маленькой мощности.
В 1524 г., как говорит Псковская летопись, новгородцы под управлением «некоего хитреца» мастера Нережи Псковитина дерзнули создать плотину и замечательную гидросиловую установку на полноводном и глубоком Волхове. Эта гидроустановка, выстроенная в первый раз в мире на громадной реке, некое время удачно трудилась.
Мельничное водяное колесо. Вода на него льется сверху.
А через 400 лет на том же многоводном Волхове советские люди воздвигли из стали и бетона замечательную гидроэлектростанцию. С декабря 1926 г. она безотказно отправляет энергию фабрикам, городам, деревням. Так было положено начало сооружению замечательных гидроэлектрических установок на реках нашей страны.
Реки по собственной природе весьма разнообразны. К примеру, бурливый, гремящий Терек берет начало в подоблачных ледниках Казбека. Он совсем не похож на широкую Волгу, медлено, неторопливо несущую собственные воды в низких берегах.
Ясно, что приобретать энергию от горного Терека и от равнинной Волги нужно не однообразным методом. Гидростанции на этих двух реках должны быть совсем разными по устройству. Так, на сильно падающих и стремительных горных потоках отводят воду деривационным каналом (см. ст. «Покорение воды»). От финиша канала вниз по склону проложены трубы. По ним вода под напором течет к строению электростанции. Оно стоит в глубине равнины на берегу реки. В случае, если скалы на склонах ущелья крутые и недоступные, воду отводят подземным деривационным туннелем. На полноводных реках, тихо протекающих по пологим равнинам, напор создают плотиной. Гидроэлектрические установки для того чтобы типа на горных реках именуют деривационными, а простые, на равнинных реках, — плотинными.
Гидроэлектростанция при высокой цементной плотине (в разрезе).
Как же устроена замечательная плотинная гидроэлектрическая станция, похожая, к примеру, на наибольшую Волжскую гидростанцию?
Главные сооружения гидроэлектростанции на равнинной реке — здание и плотина ГЭС. Уровень воды перед плотиной выше, чем вниз по течению реки. Эту отличие в высотах уровней именуют напором гидростанции. Вода, непрерывно переливающаяся с более большого уровня на низкий, может делать громадную нужную работу.
Разрез гидроэлектрической станции (ГЭС): 1 — сороудерживающая решетка; 2 — кран для спуска и подъёма затвора; 3 — водослив; 4 — строение ГЭС; 5 — судоподъемник; 6 —электрогенератор; 7 — гидротурбина; 8 — всасывающая труба; 9 — трансформатор; 10 — подвод воды; 11 — тело плотины; 12 — смотровые галереи.
Перед плотиной гидростанции в большинстве случаев образуется водохранилище. Весной оно пополняется талыми водами и сохраняет их до наступления зимы. А зимний период либо в летнюю засуху водохранилище изо дня в сутки додаёт воду к скудному в эти времена года природному стоку реки. Так поддерживается мощность электростанции, которая целый год должна быть достаточно равномерной.
В состав гидроустановки 4 на равнинной реке в большинстве случаев входят цементная и земляная плотины. Цементная плотина нужна для сброса через нее лишних весенних паводковых вод. Другую часть плотины в большинстве случаев строят из песка и земли.
В строении гидростанции размещается главное машинное оборудование — генераторы и турбины, производящие электрическую энергию. Водяную турбину и соединенный с ней электрический генератор именуют машинным агрегатом гидроэлектрической станции.
Водяная турбина, либо гидротурбина, — основной двигатель гидростанции. На гидростанциях с низким напором воды, не выше 50—70 м, используют поворотнолопастные гидротурбины. Их колесо по внешнему виду напоминает пароходный гребной винт. Такие турбины удачнее вторых по причине того, что они быстроходнее. А это сокращает вес и самой водяной и стоимость турбины, и вращаемого ею электрического генератора (подробнее см. ст. «двигатели и Генераторы энергии»). Перед подводом воды к турбине устроена нередкая железная решетка. Она задерживает ветки деревьев, куски торфа, щепки и другие предметы, попавшие в реку. Потом вода поступает в трубу, которая имеет спиральную форму и похожа на раковину огромной улитки. В центре ее вращается колесо турбины. Эта труба именуется спиральной камерой и помогает для подвода воды конкретно к турбине.
Рабочие колеса разного вида: 1 — радиально-осевой гидротурбины; 2 и 3 — поворотно-лопастной гидротурбины; 4 — пропеллерной гидротурбины.
Первая часть поворотно-лопастной турбины (полагая по пути перемещения потока воды) — это направляющий аппарат. Он представляет собой поворачивающиеся около собственных осей и легко обтекаемые водой лопатки. Находятся они по окружности с внешней стороны турбины. Поворачивая лопатки направляющего аппарата, возможно уменьшить либо расширить впуск воды в турбину, поменять ее мощность. Так поддерживается постоянное число оборотов турбины при любой ее нагрузке.
Из направляющего аппарата вода поступает на рабочее колесо. Оно, фактически, и применяет энергию водяного потока. Рабочее колесо складывается из насаженной на вал втулки, к которой прикреплены медлено изогнутые железные лопасти. Они смогут поворачиваться около собственных осей в полном согласии с трансформациями положения лопаток направляющего аппарата. У турбин таковой конструкции не редкость от 4 до 8 лопастей в зависимости от высоты напора воды, при котором они трудятся. Диаметр рабочего колеса гидротурбины зависит от ее напора и мощности воды и может быть около 9 ж и более.
Из рабочего колеса вода идет во всасывающую трубу. Это третья неотъемлемая часть гидроустановки. Через нее отработанная вода из турбины выходит в реку ниже плотины. Всасывающая труба формирует под рабочим колесом пониженное давление воды, что существенно увеличивает мощность турбины. С таковой трубой турбину возможно помещать выше нижнего уровня воды.
Гидротурбина преобразует в нужную работу солидную часть — около 0,9 — всей энергии водяного потока. Принято исходя из этого сказать, что к. п. д. водяной турбины высок — примерно 90%. Нужная отдача гидротурбины с поворотными лопастями рабочего колеса громадна не только при полной, но и при частичной ее нагрузке.
Гидротурбины оборудованы автоматическими регуляторами. Они трудятся посредством жидкого минерального масла, находящегося под громадным давлением. Регулятор сам, без участия человека, открывает и закрывает направляющий аппарат, а кроме этого поворачивает лопасти рабочего колеса, т. е. увеличивает либо сокращает мощность турбины.
Турбина электростанции приводит во вращение электрическую машину — гидрогенератор. Электрический генератор, вращаемый водяной турбиной, по большим размерам и устройству существенно отличается от генераторов, устанавливаемых на паровых электростанциях. Вал его в большинстве случаев находится вертикально. Одна из частей гидрогенератора — неподвижная станина — статор. Это полый в цилиндр, изготовленный из спрессованных пачек узких металлических страниц. С внутренней стороны статора в особенных канавках, либо пазах, укреплена электрическая обмотка из отлично изолированных бронзовых проводников.
Машинный зал гидроэлектростанции.
В статора вращается насаженный на вал барабан — ротор. На нем укреплены полюса сильных электромагнитов. Вы понимаете, что в случае, если обмотать металлический стержень изолированной проволокой и пропустить через нее постоянный электрический ток, то стержень делается электромагнитом. Так намагничиваются полюса ротора.
От вала гидрогенератора приводится в перемещение маленькой вспомогательный генератор — возбудитель. Он производит постоянный электрический ток для возбуждения магнетизма в полюсах ротора. Полюса электромагнита скоро движутся около витков обмотки статора. В обмотке появляется переменный электрический ток. При прохождении через обмотки электрического тока выделяется тепло, и они нагреваются. Исходя из этого через генератор постоянно пропускают охлаждающий его воздушное пространство.
Работой агрегатов гидроэлектрической установки руководят со особого пульта управления. На щитах — панелях пульта установлены многочисленные приборы и аппараты управления. Они измеряют силу электрического тока, его напряжение и другие ответственные размеры. На пульте, как в зеркале, отражается вся жизнь гидроэлектрической станции. Из этого ведется надзор за всеми ее аппаратами и машинами, и управление ими. Пульт управления — это как бы мозг гидростанции, центр ее «нервной совокупности», приобретающий сигналы и отправляющий правильные приказания всем агрегатам.
Гидроэлектрические установки все шире автоматизируются. Кое-какие станции трудятся без людей, при закрытых на замок дверях машинного зала.
Напряжение электрического тока, выработанного гидрогенератором, если сравнивать с напряжением электролинии, низкое — от 6 до 16 тыс. в. Передавать ток с таким напряжением на далекие расстояния запрещено. Для этого необходимо повысить напряжение, к примеру, до 200 тыс. в, а при особенно дальних расстояниях электропередачи — до 500 а также до 800 тыс. в. Напряжение тока повышают посредством трансформатора.
В большинстве случаев его помещают на открытой площадке неподалеку от генератора. В трансформаторе все части неподвижны. Он складывается из тяжелого сердечника, изготовленного из хорошо спрессованных и прочно скрепленных болтами узких металлических страниц. На сердечнике — две обмотки из бронзовых проводников, покрытых изоляцией. Через одну обмотку, с маленьким числом витков толстых проводов, проходит вырабатываемый генератором переменный ток генераторного, низкого напряжения. Под действием этого тока металлический сердечник намагничивается и возбуждает во второй обмотке, с солидным числом витков узкого провода, переменный электрический ток большого напряжения.
Величина взятого большого напряжения во столько раза больше первичного, низкого, во какое количество число витков узкой обмотки больше числа витков обмотки более толстой.
Дабы ток большого напряжения во второй обмотке не имел возможности пробить ее изоляцию и не создал бы этим замыкания (и для хорошего охлаждения), целый сердечник трансформатора, вместе с обмотками, помещается в металлический бак. Бак наполнен жидким минеральным маслом, которое не проводит электрического тока. Финиши обмоток выпущены без сомнений бака наружу через фарфоровые втулки. Довольно часто трансформаторы делают трехфазными: у них три первичные и три вторичные обмотки. Три финиша от узкой обмотки с солидным числом витков присоединены к трем проводам электрической линии, ведущей к потребителям в отдаленные районы.
На местах электропотребления переменный ток большого напряжения нужно снова преобразовать в ток низкого напряжения, которым питаются осветительные электрические лампы, электродвигатели и т. п. Это обратное превращение электроэнергии так же делают трансформаторы. Устройство их подобно обрисованному выше.
Эти трансформаторы именуются понизительными.
Таким методом недорогая энергия Волжской гидростанции передается в район Москвы на большое расстояние — 900 км при напряжении 400 тыс. в.