По данным Международного агентства возобновляемой энергетики (IRENA), на долю гидроэнергетики приходится более 56% установленных в прошлом году мощностей. Потоки воды увеличили потенциал отрасли на 1122 гигаватта! И всё это не без помощи турбин — блестящих достижений инженерной мысли.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №2(42). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Реки — истинная колыбель человечества: именно в речных долинах появились первые цивилизации. В реках можно ловить рыбу, водой из них — поливать растения, в них можно стирать и мыться, а ещё — использовать их энергию. Пока, конечно, не в виде водородных элементов или тяжёлой воды, необходимой для ядерных реакторов, а утилизируя кинетическую энергию, которой, как известно, обладает любое тело, имеющее массу и скорость. Первыми механизмами, превращающими энергию речной струи в механическую работу, были мельницы с гребными колёсами. Текущая или падающая вода толкала лопасти (черпаки, пластины и т. д.), прикреплённые к колесу, и оно вращалось, приводя в движение жернова или шнеки.

Главная причина неэффективности архаичных водяных колёс в цикличности действия. Если гребной винт находится в водном потоке постоянно, то между гребками — толчками лопастей — довольно много воды расходуется впустую, не принося никакой пользы. Несколько улучшить ситуацию помогло одно наблюдение: мельницы работали лучше на горных реках, пусть и небольших, но с большой скоростью потока. Отгадка проста: у горных рек больше перепад высот (на языке гидротехники — напор), а кубометр воды, падающий с высоты 10 метров, «энергичнее» текущего по равнине с перепадом всего лишь полметра.

В общем виде энергетический потенциал пропорционален расходу воды и перепаду высот от верхнего бьефа (береговой линии водохранилища) до турбины. Поскольку плотность воды и ускорение свободного падения в пределах плотины остаются более-менее постоянными, для создания мощных энергетических объектов нужны полноводные реки с большим перепадом высот. К сожалению, эти свойства фактически взаимоисключают друг друга, поэтому для создания нужного напора приходится строить высокие и очень дорогие плотины, принося в жертву сотни тысяч гектаров затопленных земель.

Однако выигрыш в себестоимости электроэнергии настолько велик, что к началу XXI века страны Европы ­освоили гидроэнергоресурсы практически на 80%, а Швейцария и Франция — более чем на 90. Многие крупные реки сейчас представляют собой цепь водохранилищ, разделённых плотинами: Рейнский и Дунайский каскады в Западной и Восточной Европе, Днепровский и Волжский каскады на территории бывшего СССР. В новом столетии грандиозные проекты в этой области реализовали Азия, Южная Америка и Африка. Так, на реке Янцзы сооружён каскад гидро­электростанций, в состав которого входит и крупнейшая в мире ГЭС «Три ущелья» (22 500 МВт). На реке Парана, второй по величине в Южной Америке, — ГЭС «­Итайпу́» (14 000 МВт). Её строили почти 30 лет, перекрыв могучую реку 7‑километровой плотиной высотой около 200 метров.

Но в будущем рекордсменом обещает стать ГЭС «Гранд Инга» проектной мощностью почти 40 000 МВт, которую собираются возвести на реке Конго в районе водопадов, открытых выдающимся исследователем Чёрного континента Дэвидом Ливингстоном. Река Конго вообще исключительно выгодна с точки зрения гидро­энергетики: в нижнем течении она уступает по водности только Амазонке, при этом её русло представляет собой узкий каньон шириной не более километра. Глубина достигает 230 метров (это самая глубокая река в мире) и обеспечивает колоссальный расход воды в 42 тыс. м³/с! Для сравнения: у Амазонки средний расход воды в устье 22 тыс. м³/с, у Янцзы — 34 тыс. м³/с, у Нила — менее 3 тыс. м³/с, а главная река России Волга даёт менее 8 тыс. м³/с.

Впрочем, этот гигантский потенциал ещё надо освоить, то есть превратить в энергию вращения роторов — генераторов электрической энергии. Казалось бы, что в этом сложного? Поставь в трубу гребной винт на длинном валу, соединённом с генератором, пусти воду и получай нескончаемый поток энергии! На деле всё не так просто. Хотя классический труд Даниила Бернулли «Гидродинамика» был опубликован ещё в 1738 году, до сих пор далеко не все особенности поведения движущихся потоков жидкости или газа получили теоретическое объяснение.

Так, до сих пор не решены удовлетворительно две фундаментальные задачи. Первая:

Вторая задача сопутствует первой:

Надо признать, что в ламинарных потоках уравнение Бернулли, связывающее давление и скорость в каждой точке, работает на 100%. «Живые силы», которыми оперировал швейцарский учёный, фактически отражают закон сохранения и превращения энергии для частного случая гидравлической энергии. Работа Бернулли указала на возможность построения гидравлических двигателей двух классов — использующих либо кинетическую, либо потенциальную составляющую полной энергии водного потока.

Но понадобились ещё десятки лет интенсивного научно-инженерного поиска, прежде чем теоретические выкладки Бернулли воплотились в действующие гидротурбины. Так, француз Жан-Виктор Понселе показал, что у водяных колёс изогнутые лопатки эффективнее плоских: в момент взаимодействия воды и лопаток не возникает гидравлический удар, то есть в дело идёт большая часть кинетической энергии воды, доводя КПД до 65–70%.

Отсюда было уже совсем недалеко до водяной турбины, реактивного гид­равлического двигателя радиального типа с движением воды через направляющий аппарат от центра к периферии. Подобный агрегат с поразительным для того времени КПД (80%) был представлен в 1832 году французским инженером Бенуа Фурнероном.

Водяное колесо с изогнутыми лопатками

Главное, что отличает турбины от водяных колёс, — характер прохождения потока по рабочему элементу. Если в колесе вода бьёт в лопатку и меняет направление движения на противоположное, то в турбине она плавно обтекает криволинейную лопатку, не меняя курса и сохраняя ламинарный характер потока. В водяном колесе отражённый поток по большей части турбулентен, и значительная часть энергии уходит на образование бесполезных вихрей. К тому же турбина находится целиком в потоке, и вода «работает» со всеми лопатками сразу (в отличие от водяного колеса, у которого в каждый момент времени задействована только часть лопастей). Поэтому турбины при сравнимой мощности гораздо компактнее и достигают больших скоростей вращения. Последнее обстоятельство сильно упрощает конструкцию передаточных механизмов.

Работы европейских инженеров — Бенуа Фурнерона, Николя Жонваля, Карла Хеншеля — послужили базой для создания самой массовой гидротурбины в истории, на долю которой и сегодня приходится более 20% всей вырабатываемой в мире гидроэнергии (в том числе на таких ГЭС, как китайская «Три ущелья», дамба Гувера в США и южноамериканская «Итайпу»). Речь идёт о реактивной радиально-­осевой турбине Фрэнсиса. Однако, строго говоря, инженер и гидротехник Джеймс Фрэнсис только доработал и модифицировал агрегат, построенный другим инженером, Сэмюэлем Хоудом. Но изменения были столь масштабными, что приоритет Фрэнсиса не подвергался сомнению.

Рабочее колесо турбины Фрэнсиса

Что же такого замечательного в этой турбине, если она способна работать в широчайшем диапазоне напоров (от 40 до 600 метров) и мощностей (до 800 МВт), обеспечивая КПД почти 90%? Начнём с того, что в турбинах Фрэнсиса водные потоки движутся преимущественно ламинарно. Сначала поток попадает в сужающийся спиралевидный канал (сужение нужно для того, чтобы скорость потока была постоянна). Внутренняя стенка спирали — это частокол из направляющих пластин, отводящих воду на рабочее колесо от периферии к центру (это называется радиальной подачей).

Рабочее колесо, по сути, очень похоже на классическое водяное, только вращается в горизонтальной плоскости. По форме оно напоминает воронку, на внутренней поверхности которой закреплены лопатки. Всё самое интересное происходит при их обтекании. Профиль лопаток похож на самолётное крыло, то есть поток воды движется на противоположных сторонах с разной скоростью, создавая разницу давлений. Именно она и толкает лопатку. В конце лопатка плавно изгибается, так что на финальном участке пробега вода ударяет по изгибу и придаёт лопатке дополнительный импульс.

Дальше вода устремляется в центральное отверстие, стекает вниз параллельно оси вращения турбины (поэтому она и осевая) и попадает в отводной отсасывающий канал. Его главная функция — не допустить кавитации (пузырьков газа, схлопывающихся и образующих локальные ударные волны), пагубно действующей на конструкционные материалы. Под конец канал выбрасывает отработанную воду. Турбина Фрэнсиса — образец элегантнейшего технического решения, не устаревшего и в наши дни. Все усовершенствования улучшали эксплуатационные характеристики, не затрагивая базовых принципов работы.

Зачем же нужны агрегаты других типов, если турбина Фрэнсиса настолько хороша? Дело в том, что при всей универсальности она, будучи напорной турбиной, могла полноценно работать только с заполненной на 100% рабочей камерой. А между тем ГЭС строят не только на полноводных реках! При сильном напоре и сравнительно небольшом расходе (что характерно для горных рек) применяются ковшовые турбины, разработанные американским изобретателем Лестером Пелтоном в 1889 году. Они радикально отличаются от турбин Фрэнсиса и чем-то напоминают азиатские водоподъёмные колёса — чигири.

Подводящих каналов нет, вода подаётся свободной струёй (не забудьте про большой напор!) через форсунки на ковше­образные лопатки на рабочем колесе и в каждый момент действует только на часть лопаток, поэтому турбина Пелтона относится к парциальным гидроагрегатам. Каждый ковш (а их на колесе может быть до 40 штук) разделён внутри острой перемычкой, разбивающей струю воды пополам. Её скорость достигает 500 км/ч, так что крайне важно не допустить попадания на лопатки песка, гальки, каменной крошки и прочих абразивов, ведь колесо может вращаться со скоростью до 3000 оборотов в минуту.

Водохранилище Дикс и плотина ГЭС «Бьедрон»

Турбины Пелтона эффективны при напорах более 200 метров и расходе воды до 100 м³/с. Рекорд принадлежит швейцарской ГЭС «Бьедрон» на альпийской реке Роне, напор которой достигает 1869 метров! Немногим уступает австрийская ГЭС «Рейсек» — 1773 метра. Эти станции построены по так называемой деривационной схеме, когда вода поступает самотёком. Именно этому типу турбин Норвегия обязана своим энергетическим чудом и первым местом в мире по выработке электроэнергии на душу населения.

А если мы имеем дело с обратной ситуа­цией: небольшой напор, но большой расход воды? Такое часто встречается на равнинных реках ближе к устью. Там русла занимают большие площади, но перегораживать их плотинами невыгодно. Очевидно, что не только турбины Пелтона, но и универсальные агрегаты Фрэнсиса не будут в этом случае рациональным решением. Что же тогда ставить?

Настала пора познакомить читателя с важным понятием — коэффициентом быстроходности. Как отмечалось ранее, динамика газов и жидкостей до сих пор является дисциплиной больше эмпирической. Исчерпывающей теории до сих пор нет, поэтому инженеры и конструкторы используют, например, аэродинамические трубы, в которых исследуется воздействие потоков газа на модели. Примечательно, что полученные экспериментальные данные превосходно масштабируются (естественно, с поправками) на реальные машины. Это обстоятельство даёт возможность при проектировании агрегатов обходиться небольшими и дешёвыми моделями, в точности повторяющими пропорции больших турбин. Что же такое коэффициент быстроходности? Номинально это число оборотов турбины при напоре 1 метр и мощности в 1 лошадиную силу. Говоря другими словами, коэффициент быстроходности показывает, насколько легко турбина «усваивает» энергию водяного потока.

Турбина Каплана в разрезе

Несложно догадаться, что у турбин Пелтона коэффициент быстроходности не может быть большим (ну что такое напор в 1 метр?). И это в самом деле так: он не превышает 50. Агрегаты Фрэнсиса демонстрируют куда большие значения — до 400 оборотов в минуту. Но и этого, как оказалось, было мало, так что в начале XX века повышение быстроходности стало для гидроэнергетиков главной задачей. Сперва попытались модернизировать турбину Фрэнсиса: в частности, были построены 2- и 3‑ступенчатые агрегаты, в которых вода последовательно проходила через несколько рабочих колёс.

Рабочее колесо турбины Каплана

Однако настоящим решением проблемы стало увеличение зазора между направляющими водяной поток каналами и рабочим колесом с одновременным укорочением лопаток. Предоставив воде большую свободу, коэффициент быстроходности удалось довести до 500 единиц! И турбина, основанная на новом принципе, не замедлила появиться. Её изобрёл австрийский инженер-гидротехник Виктор Каплан, предложив в 1916 году радиально-осевую турбину с поворотными лопастями. Позднейшая её модификация очень напоминает судовой гребной винт. Коэффициент быстроходности турбин Каплана составил 1000 (!) оборотов, а КПД превысил 80%. Они и сегодня занимают ведущие позиции в гидроэнергетике, выигрывая у конкурентов в условиях малого напора и большого расхода воды.

Удивительно: прошло целое столетие, технический прогресс шагнул невозможно далеко, а энергию из водных потоков люди извлекают при помощи давным-давно изобретённых устройств. Новые гидроагрегаты в подавляющем большинстве представляют собой их модификации — тот самый случай, когда талант инженера и простота воплощения позволили создать шедевры, которые прослужат ещё не одно десятилетие.