Гидротехника

Гидротехника, собирательное понятие, которым обозначают разнообразные инженерные работы, а также - в несколько ином смысле - тот цикл инженерных наук, который описывает и изучает все эти работы. Общим их признаком является вода, от которой нужно защищаться, или которую нужно подчинить определенной цели, которую нужно, наконец, отвести с одного места на другое. Так, напр., вопрос об утилизации энергии текучих вод земной поверхности входит в Г., и все сооружения, сюда относящиеся, называются гидротехническими, как то: плотины, которыми сосредоточивается в одном месте падение реки, распределенное на более или менее значительной ее длине, и которыми облегчается забор воды; подводящие и отводящие каналы, трубопроводы и т. д., позволяющие не только отвести воду к месту установок машин, но и сконцентрировать в одном месте еще большую степень напора и затем вернуть в реку воду отработавшую, т. е. спустившуюся на уровень нижнего участка утилизируемой части падения реки; далее, помещения для машин, самые машины... все это изучается в различных отделах Г. Защита местности от наводнений, осушение заболоченных участков, проведение воды для целей орошения, добыча и проведение воды для удовлетворения нужды данного населенного пункта в питьевой воде или в воде для промышленных целей, удаление из населенного пункта грязных и сточных вод и их обезвреживание, все эти вопросы, часто носящие специальные названия мелиорации, водоснабжения, орошения, канализации, очистки сточных вод и т. д., - все это отделы Г. Улучшение судоходных условий реки, увеличение ее глубины шлюзованием, т. е. помощью плотин, поднимающих уровень воды, и шлюзов, позволяющих переводить суда с одного уровня на другой, увеличение глубины помощью землечерпания, обход порогов и стремнин искусственными судоходными каналами вместе со шлюзами, создание путей сообщения, соединяющих водные системы разных бассейнов с переходом через водоразделы, регулирование рек и озер в разнообразных целях, обычно для того, чтобы иметь возможность управлять уровнем озера и расходом реки, всевозможные работы по укреплению омываемого водою грунта, как для создания прочного фундамента под к.-ниб. сооружение, так и для предохранения от размыва и обвалов берегов, набережных и т. п., наконец, разные вопросы и работы по устройству гаваней, защищенных от ветров и волнения, а вместе с тем и таких сооружений, как молы, маяки и т. п., которые должны выдерживать разрушительное действие этого волнения, - все это тоже отделы Г., и все эти сооружения нужно назвать гидротехническими.

В основу проекта любого из этих сооружений, как и для всякой инженерной работы, кладется детальное изучение местных условий, для чего производятся изыскания. В зависимости от назначения сооружения программа последних ставится более или менее широко. В нее входят обычно: чисто топографическое изучение местности будущего сооружения, иногда в нескольких вариантах; изучение геологического строения иногда в целях выяснения лишь строительных качеств грунта, часто в целях нахождения водоносных слоев, а иногда, наоборот, для выяснения степени их водонепроницаемости; выяснение ряда экономических вопросов, не только в смысле стоимости необходимых отчуждений, но и в смысле установления возможных в будущем экономических результатов от возведения сооружения, напр., для водного пути - возможный для него грузооборот, тарифы и т. п., для орошений и мелиоративных сооружений - условия эксплуатации улучшенных участков, возможные на них культуры, для предприятий по утилизации гидравлической энергии - местные цены на энергию, возможные для данной местности производства, потребляющие энергию, и т. д. Характер и детальность изысканий могут значительно видоизменяться от случая к случаю, и выше отмеченные вопросы далеко не исчерпывают всех рубрик программы. Почти во всяком гидротехническом сооружении есть еще одна сторона, которая должна быть выяснена предварительными исследованиями на месте, это - режим текучих вод затрагиваемого сооружением района. Знать режим реки, это значить знать, как в разное время года и в разных пунктах потока меняются его расходы, т. е. протекающие в 1 секунду объемы воды; знать продольный профиль свободной поверхности потока при разных высотах стояния воды, а также профиль его дна; знать, как и когда устанавливается замерзание(ледостав) и как идет ледоход, каковы пределы разлива реки и т. д. Только в редких случаях эти данные имеются за более или менее долгий промежуток времени и вообще с желательною обстоятельностью. Поэтому часто к вопросу о режиме реки присоединяется изучение площадей бассейнов, как всего потока, так и важнейших его притоков, а также изучение количеств атмосферных осадков, как средних годовых, так и их колебаний в течение года, с разделением осадков на твердые и жидкие. Во многих случаях важно установить только колебание высоты стояния воды; иногда необходимо знать, сколько и какого твердого материала влечет за собою поток и при каких условиях он его отлагает и т. д. Все эти крайне важные вопросы режима рек, кроме чисто метеорологических, объединяются в одном гидрометрическом их исследовании, так что гидрометрия представляется важным отделом Г.

Сведения о типах отдельных г-их сооружений приводятся в особом приложении; здесь же для характеристики роли и значения некоторых из перечисленных сооружений, приводим следующие данные.

Запасы энергии текучих вод, или, как часто говорят, по почину министра Кавура, в особенности в применении к рекам, берущим начало в ледниках и вечных снегах, запасы "белого угля", не приведены в точную известность. Можно только утверждать, что, в противоположность ископаемому углю, использование "белого угля" не уменьшает его запасов, ибо они будут налицо, пока солнце будет посылать земле достаточно тепла, а на земле будет достаточно воды для испарения, которая затем, конденсируясь в атмосфере, будет падать на землю и образовывать ее ледники и потоки. Далеко не вся падающая по земной поверхности вода может быть использована для получения механической и электрической работы: она может находиться в таких местностях, где ее некуда было бы применить; она может находиться в таком виде (напр., очень малое падение слишком больших масс воды), что было бы технически трудно, значит, дорого, т. е. экономически невозможно, утилизировать ее; вся или часть протекающей воды должна быть сохранена для целей более важных, напр., для судоходства или для орошения; наконец, всегда часть падения должна оставаться неиспользованной, чтобы осуществлять перемещение водяных масс, которых по существу невозможно задержать. При всех этих ограничениях все-таки запасы энергии в текучих водах громадны. Достаточно указать, что один водопад Ниагара представляет мощность около 5.000.000 л. с. Громадные водопады имеются во всех частях света, в том числе и в Европе, в особенности в Норвегии и Швеции. Богата водопадами и порогами также и Европейская Россия; так, самая большая стремнина Финляндии Пюхекоски на р. Улеа несет мощность около 290.000 лош. сил; одна Иматра, не считая прочих порогов Вуоксы, несет до 120.000 лош. сил; Кивач и два другие водопада на той же реке Суне - Пор-порог и Гирвас - представляют мощность около 40.000 лош. сил каждый; Нарвский водопад может дать до 85.000 лош. сил, если, пользуясь Чудским озером, урегулировать расход реки; пороги р. Волхова проносят не менее 45.000 лош. сил; Боровицкие пороги на р. Мете - до 30.000 лош. сил; пороги Западной Двины от Крейцбурга до Риги - свыше 100.000 лош. сил; один Ненасытец на Днепре - около 50.000 лош. сил, а все Днепровские пороги - до 300.000 лош. сил и т. д.^*). Наконец, в настоящее время близко к осуществлению предприятие по утилизации части падения р. Терека и озера Гокча, причем предусматривается возможность установки турбин с общею мощностью до 240.000 лош. сил.

^* (Все эти числа представляют валовую работу потоков при низком стоянии воды. В механическую энергию могло бы быть обращено от 75 до 80% от этих величин.)

Совершенно приблизительные исчисления позволяют оценивать следующими числами ту энергии, которая в разных государствах Европы могла бы быть извлечена из текущей воды и обращена в механическую:

Многие из этих чисел в отдельных своих составных частях основаны на точных данных: это нужно сказать, напр., про Швейцарию, про отдельные государства Германии, также про альпийские участки Франции (инженер де-ла-Бросс насчитывает в этой области до 1.000.000 л. с. круглый год и до 2.300.000 л. с. - в течение 9 месяцев) и т. д. Уже совершенно приближенно и очень осторожно инженер С. П. Максимов насчитывает в реках Европейской России, не считая Финляндии и Кавказа, не менее 1.000.000 лош. сил, тогда как француз Пакоре говорит, что во всей Европ. России имеется в реках до 11 милл. лош. с.

Из этих громадных запасов энергии было обращено в электрическую энергию в 1902 году, по вычислениям Campbell Swinton'a:

Эти числа, несомненно, преуменьшены, а кроме того, сильно увеличились с течением времени. Так, в Швейцарии к 1907 году на всех станциях, мощностью свыше 275 лош. сил, было установлено водяных турбин до 335.000 лош. сил, а к 1910 году - на станциях, свыше 2.750 л. сил каждая, оборудование достигало мощности свыше 400.000 лош. сил, т. е. в 3 раза больше данных Свинтона. Также в Австрии к 1910 году на гидравлических станциях, работающих только водою, без дополнения тепловыми машинами, было установлено около 150.000 лош. сил. Подобным же образом в Сев.-Амер. Соединенных Штатах по Свинтону в 1902 году было утилизировано до 500.000 лош. сил, а к 1907 году это число увеличилось до 900.000 лош. сил и расходуется исключительно на производство тока. На одном Ниагарском водопаде на территории Штатов двумя компаниями установлено турбин на мощность 180.000 лош. сил, а на Канадской стороне того же водопада четыре компании установили около 480.000 лош. сил.

Из таблицы Свинтона видно, между прочим, что, если для многих стран утилизация их водных богатств является делом настоящего момента, то для России - это только дело будущего. Надо надеяться, что это будущее не слишком отдаленно, так как экономическое значение утилизации водяной энергии очень велико, что видно из следующих двух примеров. В 1904 году вся промышленность Франции потребляла около 8,2 мил. лош. сил (6,2 м. л. с. на железных дорогах и трамваях, 0,08 мил. лош. сил на речном судоходстве и 1,9 мил. лош. сил на фабриках, заводах и проч.). Из воды извлекалось только 0,161 мил. лош. сил, или около 2%. При этом ей не хватало своего угля и она ввезла в этом году 13 мил. тонн, т. е. около 22% всего потребления угля. Эта стоимость оставалась бы в стране ежегодно, если бы было соответствующее развитие использования водяной энергии. - Для Волховских порогов проектируется гидравлическая станция мощностью в 35.000 лош. сил. Считая с запасом капитальную стоимость установки 1 лош. силы в 400 руб. и полагая, что на %, на амортизацию, на ремонт и уход и, наконец, в фонд возобновления должно отчисляться в год 10% затраченного капитала, находим эксплуатационные расходы такой станции 0,1×400×35.000=1.400.000 р. С другой стороны, станция, оборудованная современными паровыми турбинами, расходующими 5,5 килограммов пару на киловатт-час, работающая 7.000 часов в год и развивающая до 25.000 KW (что почти равно 35.000 лош. сил), при паропроизводительности угля в 7 kgr пару на 1 kgr угля, должна сжигать угля в год или на сумму 1.650.000 руб. Считая, что расход на топливо в таких станциях составляет 0,6 всех эксплуатационных расходов, получим стоимость эксплуатации такой станции в год 2.750.000 руб. Таким образом, помимо того, что гидравлическая станция может работать все 8.760 часов в год, тогда как паровая рассчитана лишь на 7.000 час., эксплуатация последней обойдется ежегодно дороже на 1.350.000 руб. В более мелких станциях выгодность гидравлической энергии не так велика, тем не менее, экономичность ее не подлежит никакому сомнению. Об недостатках гидравлической энергии - см. в приложении.

Не меньшее значение и развитие имеют ирригационные и вообще мелиоративные работы, эти древнейшие гидротехнические сооружения, восходящие к временам египетских фараонов и царей персидских. Очень большого развития достигают оросительные предприятия в западной, сухой части Сев.-Амер. С. Ш., где к 1890 году орошалось около 1,5 мил. десятин, а в 1905 году эта площадь возросла до 3,38 мил. десятин. Также в Египте орошается теперь свыше 2,5 мил. десятин, при чем около 1,47 мил. десятин находятся в Нижнем Египте, а остальные 1,1 мил. дес. находятся в Среднем и Верхнем Египте. Для осуществления этого орошения на Ниле близ Ассуана, в 1.200 км. от Средиземного моря, построена плотина, грандиознейшая в мире как по своей водопропускной способности - до 15.000 куб. метр. в секунду в полую воду, - так и по объему накопленной воды - 1.065 мил. куб. метров, с длиною образовавшегося таким образом искусственного озера в 160 км. Все сооружение построено инж. Вилькоксом, открыто в 1902 г. и стоило около 22,6 милл. руб., т. е. почти по 9 руб. на орошенную десятину. Большого развита достигают эти работы в Индии; для Месопотамии тот же Вилькокс разработал грандиозный проект.

В России работы такого рода представляют для многих местностей насущную необходимость и производятся давно, особенно в Туркестане, но, до последнего времени без системы, и часто без успеха. Лишь в самые последние годы Отдел земельных улучшений Главного Управления земледелия и землеустройства приступил к систематическим изысканиям в этой местности, создав там в 1909 г. особую Гидрометрическую часть, которая организована инж. В. Глушковым. Считают, что воды рек Сыр-Дарьи, Аму-Дарьи и Мургаба может хватить для орошения не менее как 1,3 мил. десятин, что представляет только часть нуждающихся в орошении земель. Правда, имеются также реки Чу, Или, Нарын, воды которых могут также быть использованы. По последней реке оросительные работы задуманы и осуществляются частным предприятием.

Приблизительно такую же площадь - около 1,22 мил. десятин - можно оросить в Закавказье водами Куры и Аракса, из них один Аракс оросит свыше 324.000 десятин Муганской степи и до 320.000 десятин Мильской степи. На Мугани часть работ уже выполнена - орошаются 30.000 десятин Голицинской системой и 12.000 десятин - Нижне-Воронцовской; к весне 1911 года ожидалось открытие орошения еще 8.000 десятин Верхне-Муганским каналом. Далее, предстоят большие оросительные работы в других местах Закавказья, в степях Северного Кавказа по Тереку и Кубани; огромные площади в Западной Сибири (до 10 милл. десятин) требуют орошения; в 7 южных губерниях от Бессарабии до Астрахани маловодных и безводных земель считают до 9 милл. десятин.

Как характеристику эффекта, достигаемого орошением, можно указать, напр., что в степях Дагестанской области, на участках, орошаемых из р. Сулак, всадник верхом скрывается в буйной пшеницу, а на соседнем участке, но без орошения, уже в начале июня все выжжено солнцем. Построенные орошения в Муганской степи дали капитальную затрату около 35 руб. на орошенную десятину. И в то же время такая десятина под хлопком дает 15 пуд. хлопка, стоимостью 225 руб.; под пшеницей та же десятина приносит валового дохода 80 руб. Подобным же образом в Калифорнии в 1839 году было под апельсинными рощами около 18.000 орошенных десятин, с которых было снято апельсинов на 7 милл. долларов, или около 780 руб. с десятины. Средняя же стоимость урожая во всех орошенных западных областях Соед. Шт. была в 1890 г. около 90 руб. При этом капитальная затрата на устройство орошения была в среднем по 42,5 руб. на десятину, подымаясь для Калифорнии до 85,5 руб.; содержание орошения обходилось в среднем около 6,5 руб. в год на орошенную десятину, изменяясь от 2,5 до 32 руб. в отдельных участках Калифорнии.

Не трудно представить себе, что для России осушения имеют также огромное значение. Здесь нужно иметь в виду не только болота Средней России, но и большие и в сущности богатейшие по своему плодородно площади в низовьях больших рек, впадающих в Черное и Каспийское моря. Эти площади покрыты так наз. плавнями, остающимися после половодий; на них не растет ничего, кроме камыша; жизнь на них почти невозможна вследствие свирепствующих лихорадок. Защищенные от наводнений и орошенные, эти земли обращаются в житницы: напр., по Днестру 1 дес. плавня с камышом приносит не более 1 руб. доходу, тогда как валовой доход с десятины орошенного фруктового сада доходит там, в среднем, до 1.000 руб. в год. Таких плавней по Днестру имеется до 37.000 десятин; по Дунаю одних казенных земель под плавнями до 32.000 десятин; то же самое повторяется по Кубани, по Тереку и т. д.

Наконец, для выяснения значения Г., как науки о водяных путях сообщения, укажем на грандиозные и говорящие за себя сооружения Суэцкого и Панамского каналов. Не меньшее, хотя только местное, значение имеют внутренние водные пути. Европейская Россия обладает самой длинной в мире сетью сплавных и судоходных рек; ее длину считают в 168.000 верст. В том числе одна Волга представляет путь в 3.362 версты длины (от Верхневолжского бейшлота; от Рыбинска - 2.683 в.). Но наша сеть отличается большою мелководностью. Так, осадка судов в 8 четвертей признавалась на многих съездах для Волги только желательной, а непрерывное движение до Рыбинска обеспечено только для судов с осадкой в 4 четверти. Между тем, 41% всей длины немецкой сети доступны для судов с осадкой до 2 мет., т. е. больше 12 четвертей, а во Франции для таких же судов доступны 56% всей сети. Так же характерно малое развитие искусственных путей, т. е. копаных каналов и шлюзованных участков рек. В России таких искусственных путей только 1.859 верст, т. е. 1,1%; в Германии их 28,5% из общей длины в 12.900 верст, а во Франции - 48,5% из общей длины в 9.500 верст. Шлюзованные участки русских рек доступны для небольших судов, и шлюзы не высоки. Из этого видно, что русской Г. предстоит еще много работ, чтобы поставить речное судоходство на должную высоту.

А. Астров.

Гидротехнические сооружения для утилизации энергии текущей воды

Если вода поднята в некотором количестве на некоторую высоту и может опуститься с этой высоты, то она, как всякое тяжелое тело, представляет в этом поднятом состоянии запас энергии, измеряемый произведением из ее веса на высоту падения. Когда количество падающей воды непрерывно возобновляется, другими словами, когда имеется поток воды, падающий с более высоких отметок земной поверхности на более низкие, то он также представляет запас работы, непрерывно расходуемый на перемещение жидкости, т. е. отчасти на сообщение ей скорости, а главным образом на преодоление всех возникающих при этом сопротивлений в виде трений об русло, потерь живой силы при всех расширениях и искривлениях, в вихрях и водоворотах, а также, наконец, на работу размывания русла, передвижения твердых наносов и т. д. Если секундный расход потока есть Q куб. мт., а высота падения на каком-ниб. участке есть H мт., то вся развиваемая при этом падении работа за каждую секунду есть QγH кгр.-мт., или QγH/75 лош. сил, где γ есть вес 1 куб. мт. воды (1000 кгр. при обыкновенных температуре и давлении). Этот секундный запас работы и есть то, что называется мощностью потока на данном участке, или - в просторечии, и притом неправильно - его силою.

Эта энергия получается за счет очень ограниченной части того тепла, которое посылается солнцем на землю и расходуется на испарение и подъем в верхние атмосферные слои влаги с земной поверхности. Эта влага опять выпадает на землю в виде дождя, снега и т. п. Некоторая ее часть попадает па возвышенные точки поверхности и стекает с них; образовавшиеся скопления льда и снега под влиянием солнечной теплоты опять обращаются в состояние капельной жидкости; и все эти водяные массы стремятся к уровню моря, чтобы частью по пути к нему, частью с его поверхности снова испариться и т. д. Этот круговорот совершается непрерывно и будет продолжаться, пока количество тепла, посылаемое солнцем на землю, достаточно. Поэтому, по сравнению с длительностью существования жизни на земле, запасы водяной энергии можно назвать неистощимыми, чего нельзя сказать про месторождения никакого вида топлива - угля, нефти, торфа. Некоторые сведения о размерах запасов этого вида энергии, или, как говорят, "белого угля", см. в статье гидротехника.

Как только что сказано, для наличности водяной энергии необходимы: некоторая высота падения, или так называемый располагаемый напор, и ежесекундно возобновляющееся количество воды, т. е. так называемый располагаемый расход. Далеко не всякая высота падения воды в реке и не всякий и, во всяком случае, не весь расход рек подлежит утилизации, в смысле превращения этой энергии в работу вращающихся фабричных валов, в энергию поднятой и распределенной по городу воды, в электрический ток и т. п. Помимо того, что часто значительные количества воды должны оставаться в реке для нужд судоходства, или для орошений, обводнений и т. п., и напор и расход могут быть налицо в таком виде, что возникают указанные ограничения.

По отношению к напору нужно прежде всего отметить, что совершенно не подлежит утилизации та часть полного падения реки, которая только что необходима для поддержания течения. Эта часть падения тем больше, чем длиннее рассматриваемый участок реки, чем он мельче, чем больше в нем скорость и, наконец, чем шероховатее русло. Во многих случаях является возможность спрямить, т. е. укоротить русло, увеличить живое сечение, придать ему правильную форму, уменьшить степень шероховатости и т. п.; все это уменьшит необходимое для течения падение, и тогда разница между естественным вертикальным расстоянием между уровнями воды в начале и в конце участка реки, с одной стороны, и той высотой падения, которая остается необходимой для протекания при этих новых условиях, с другой стороны, и есть подлежащий утилизации раполагаемый напор на данном участке реки, или короче - располагаемый напор. Понятно, что на тех участках рек, где естествен. уклон поверхности мал, наприм. меньше 0,0002, или, как говорят, 0,2 промилле, а течение не очень извилистое, там невозможно такими средствами освободить сколько-нибудь заметную часть падения реки иди, как будем говорить кратко, нельзя создать напора. С другой стороны плотины и подобные водоудержательные сооружения позволяют подпереть воду в реке и таким образом также создают ступень в падении, приуроченную к месту постановки плотины. При этом подпертая плотиною вода разливается, затопляет низкие места, а для протекания имеет большие живые сечения, нежели это было до постановки плотины; вследствие этого течение замедляется; а так как необходимое для движения воды падение пропорционально квадрату скорости и уменьшается с увеличением глубины, то нужное перед плотиною падение сильно, уменьшается. Но и в этом случае, чем меньше уклон свободной поверхности неподпертой реки, тем меньше действие плотины в смысле освобождения напора. Кроме того, обыкновенно реки малого уклона текут в широких долинах; это в свою очередь увеличивает разлив и стоимость затопленных угодий, удлиняет плотину и удорожает ее. Это еще раз показывает, что реки с малым уклоном по подлежат утилизации. Наконец, в некоторых, сравнительно, редких случаях ступень в падении является природной (водопад), и для утилизации энергии остается заградить совсем или только затруднить воде доступ к водопаду, отвести ее к месту, удобному для установки машин, в вернуть ее обратно в реку ниже водопада: и здесь все-таки не вся ступень падения будет использована.

Таким образом в общем случае схема сооружений, необходимых для утилизации падения реки на участке между А и В такова (рис. I, 2 и 3). До возведения всяких сооружений река была в плане ACD...B (рис. 1); ее продольный профиль был A₁C₁D₁...B₁ (рис. 2), так что падение на этом участке равно H'; на схеме предположен участок с разными местными уклонами, со стремниной DE и с порогом F. Для утилизации этого падения сооружаются: в C плотина, а на участке СB спрямляющие каналы СМ и NB и трубопровод MN, причем их общая длина меньше длины реки между теми же точками. Благодаря плотине образуется пруд, затопляющий площадь ApCq. Продольный профиль его свободной поверхности А₁С₁' вообще не горизонтален; за таковой его можно считать лишь на некотором недалеком от плотины протяжении; его переменный уклон, хотя и меньший, нежели уклон незапруженной реки, соответствует некоторому понижению уровня h₁ (рис. 2). При дальнейшем течении через сооружения имеют место следующие обстоятельства (рис. 3). Выйдя из пруда с подпорного горизонта, вода вступает в головное сооружение канала, причем необходимо понижение уровня h₂, чтобы сообщить воде нужную скорость и преодолеть неизбежные сопротивления, даже если бы отсутствовали всякие щитовые регулирующие заграждения, сороудерживающие решетки и т. п. Канал прокладывается надлежащих размеров и оканчивается напорным резервуаром М', в котором уровень воды стоит ниже, нежели в головном сооружении на h₃ мт., вследствие потерь на трение в канале. В напорном резервуаре начинается трубопровод, состоящий из одной или нескольких труб и подающий воду к турбинам, стоящим в здании N. Если вообразить, что в кожух турбины вставлена открытая на верхнем конце трубка, то вода в ней поднимется вследствие гидродинамического давления, но при течении воды не достигнет уровня в резервуаре М', а остановится где-ниб. в N', на h₄ мт. ниже, причем это и есть потеря напора в трубопроводе. Наконец, чтобы выходящая из турбины вода протекала в отводящем канале, она должна стоять в его начале на h₅ мт. выше, нежели в сечении B реки. Таким образом в месте установки машин сосредоточивается свободный для использования, "чистый" располагаемый напор Н мт., который меньше всего падения Н' на сумму всех потерь напора h₁+h₂+h₃+h₄+h₅ мт. Для выяснения мощности нужно к напору Н добавить тот скоростной напор c₂²/2g, который вода приносит к самому месту установки двигателя (в нашей схеме с₂ есть скорость в трубопроводе), и нужно вычесть тот скоростной напор c₃²/2g, который вода уносит вместе со скоростью с₃ в отводящем канале.

Рис. 1

Рис. 2 и рис. 3

В разных случаях отдельные части сооружений имеют разную степень развития. В равнинных реках и при небольших напорах обычно имеется только плотина; трубопровод отсутствует совершенно; каналов или вовсе нет, если машинное помещение составляет одно целое с плотиной, или они очень мало развиты и имеют назначение не сосредоточивать напор, а расположить станцию в удобном месте. Обыкновенно собственно плотиною сосредоточивают напоры от самых малых до 8 мт. и редко больше, так как тогда сильно возрастает стоимость плотины. Однако, в гористых местностях строят плотины и до 50 и даже более метров высотою; но в таких случаях имеют в виду не столько создание напора, сколько постройку пруда, о чем будет сказано ниже. - Каналы выполняются как открытыми, так и в виде туннелей. Им дают разнообразные профили, так или иначе видоизменяя трапецию, применяют разные материалы для дна и стенок, от высеченных в скале, просто земляных и до разнообразных деревянных, бетонных и даже каменных конструкций. Длина таких каналов достигает иногда многих километров, напр., близ Лиона - 17 кмт., а на Западной Двине проектируется канал в 35 верст. Во многих случаях, как при переходах через долины, так в силу характера места, каналы проводят выше уровня земли, редко на насыпях, чаще на эстакадах. На рис. 4 представлен один из многих участков, выполненных из дерева, на подобном канале одной из крупных станций в Калифорнии, близ С.-Франциско; он пропускает 6,5 куб. мт. в секунду: его полная длина около 16 кмт. В тех случаях, когда горизонт воды в питающем резервуаре переменный, то дно канала должно быть заложено достаточно глубоко; для уменьшения сечения канала их заменяют тогда напорной трубою или напорной штольней. Обыкновенно стараются иметь отводящий канал коротким; это вполне рационально тогда, когда можно опасаться занесения его твердым материалом и песком из реки; вообще же только местные условия определяют, в каком месте канала разделить его станцией на подводящий и отводящий участки. Добавим, что короткий подводящий канал наши мельники называют также дворцем, каузом и т. д. Уральске деревянные каналы, часто прокладываемые над уровнем земли, называются ларями. - Когда напор превосходит 10 мт., трубопровод всегда входит в состав установки; протяжение его зависит от местных условий и иногда достигает нескольких километров. В зависимости от напора, под которым они работают, их выполняют из самых разнообразных материалов: встречаются стальные заварные трубы, стальные клепаные, чугунные (преимущественно для средних и малых диаметров), а при напорах не выше 2 - 3 атмосфер также железобетонные и деревянные, последние особенно в Америке (большая деревянная труба поставлена для водоснабжения города Котки на Финском заливе в Финляндии). Диаметры трубопроводов встречаются самые разнообразные - начиная от небольших в несколько десятков сантиметров, они часто достигают 1,5-2 мт. и больше, и даже есть пример установки трубы в 5 мт. диаметром (на Ниагаре). На рис. 5 представлена фотография деревянной трубы (штат Вашингтон), составленной из отдельных хорошо пригнанных брусков клинчатого сечения, стянутых железными обручами. Рис. 6 представляет трубопровод из 5 труб, длиною более 1 кмт. каждая и диаметром около 800 мм., подводящих воду под напором около 420 мт. к станции Брузио, в бассейне Адды; количество воды со временем будет достигать 7,5 куб. мт. в секунду, так что мощность станции будет до 30000 лош. сил. - Благодаря таким приемам пределы для утилизации напора устанавливаются очень широкие: напоры меньше 0,5 мт. уже совершенно невыгодно утилизировать для получения сколько-нибудь заметной работы; для таких напоров машины и громоздки и малоэкономичны; в направлении увеличения напора идут очень далеко. Впервые напор в 200 мт. быль использован французом Берже в 1868 г. в местечке Лансэй, близ Гренобля. С тех пор установки на высоких напорах, как относительно наиболее дешевые, выполняются очень часто, и в 1902 г. открыта станция Вуври, близ впадения Роны в Женевское озеро, где по проекту инженера Буше утилизируется напор в 950 мт., а в 1910 г. в Норвегии открыта станция на p. Тиа, где утилизируется напор 1050 мт. - Само собою понятно, что величина напора вполне определяется местными условиями, и со своей стороны она определяет характер установки и тип машин. При разработке проекта всякой установки, как бы мала она ни была, совершенно необходимо точно вымерить располагаемое падение реки и выяснить, какая его часть может быть использована.

Рис. 4. Деревянный участок канала в Калифорнии близ Сан-Франциско

Рис. 5. Деревянная труба-сифен канала Саннисайд (Sunnysid) С. Америка, штат Вашингтон

Рис. 6. Трубопровод станции Брузио в Ломбардии

То же самое должно быть сказано и про другой фактор водяной энергии - расход; нужно только добавить, что измерения расхода вообще гораздо более сложны и кропотны, нежели измерения напора. Но кроме технических затруднений, при этих измерениях нужно иметь в виду, что расход в реке никогда не остается постоянным, так что измерения расхода должны охватывать большой промежуток времени, чтобы можно было надежно установить располагаемую для станции величину энергии. В серьезных случаях так и поступают, устраивая на реке гидрометрические посты с длительными наблюдениями и собирая все относящиеся сюда материалы: сведения о ходе осадков в данном бассейне, его площадь и характер, сведения о наивысшем и наинизшем стоянии воды в реке в месте поста или в каких-ниб. характерных близлежащих пунктах - мостах, плотинах и т. д. Однако все последние материалы мало надежны, как равно и кратковременные гидрометрические наблюдения. Вообще, изменяясь в течение года, расход обнаруживает иногда несколько максимумов и несколько минимумов. Повторяясь ежегодно лишь более или менее правильно, эти наибольшие и наименьшие расходы меняются и по величине, и по длительности, и по тому времени, когда они наблюдаются. Вместе с расходом меняется, конечно, и высота стояния воды в реке, а также иногда и ее поверхностный уклон, так что меняется и падение на данном участке; это еще раз подчеркивает необходимость длительных и систематических гидрометрических наблюдений, которые позволили бы получить так называемую кривую режима реки, показывающую ход изменения во времени ее расхода.

Как легко себе представить, расход в реке зависит от очень многих причин - от осадков, вообще от метеорологических и климатических причин, от строения и характера почвы, от характера растительности и степени ее развития и т. д. Поэтому кривые режима чрезвычайно разнообразны. Можно указать, что реки, берущие начало в ледниках, имеют обычно один только максимум, в период усиленного таяния льда, и один минимум, и притом довольно продолжительный, в зимнее время. Реки, питаемые горными бассейнами ниже вечных снегов и с крутыми скатами, имеют очень переменный расход, близко следующий за изменениями выпадающих осадков; наибольший расход иногда превосходит средний годовой раз в 100 и больше, особенно в коротких, небольших горных бассейнах. Реки равнинные, особенно при больших бассейнах, имеют тоже сильно извилистую кривую режима, с несколькими максимумами, но наибольший из них, значительно превосходящий все остальные, относится к весеннему половодью; кроме того обычно бывает второй, осенний максимум, и часто наблюдается довольно большое увеличение расхода вскоре после спада весенних вод. Отношение наибольшего расхода таких рек к среднему годовому уменьшается с увеличением самой реки; оно содержится обычно между 80 и 40. Для примера на рис. 7 представлена кривая режима Москвы-реки у Бабьегородском плотины за 1908 год, с исключительно большим половодьем. Па чертеже для удобства обозрения нанесены не ежедневные секундные расходы, а средние за месяц, вычисленные, конечно, на основании данных за каждый день; добавим, что наибольший расход был 11 апреля и достигал 2882 куб. мет. в секунду, так что изображающая его ордината, была бы слишком в 4 раза выше апрельской средней. Здесь хорошо видны все три максимума; средний годовой расход оказывается в реке только от апреля до июня, в остальное время года расход значительно ниже среднего. Из детальных данных видно, что за 10 дней половодья (9-18 апреля) воды прошло в 1,15 раза больше, чем за остальные 355 дней. Если вычислить средний расход за эти 355 дней, то он окажется в 42,2 куб. мет. в секунду; на чертеже он нанесен пунктиром с точкой и оказывается, что такого расхода нет в реке целых 8 месяцев. Для решения многих вопросов те же сведения о расходе за год группируют иначе на так наз. кривой повторяемости, считают, сколько дней за год встречается каждая величина расхода, и по ординатам откладывают эти расходы в порядке их возрастания или убывания, а по абсциссам - соответствующие числа дней, приставляя каждый такой отрезок один к другому, так что вся длина диаграммы дает в масштабе все 365 дней года. На рис. 8 представлена эта кривая для Москвы-реки за тот же год, причем расходы выше 212 куб. мт. в секунду, протекающие в течение 25 дней, не нанесены на чертеж. По кривой сразу видно, что расход 7,7 куб. мет. в секунду обеспечен круглый год; расход бывает не менее 8,8 куб. мет. в сек. 288 дней в году и т. д. Если предположить, что только 3 месяца в году можно допустить недостачу гидравлической энергии с тем, чтобы дополнить ее работою, наприм., тепловых машин, то нужно проектировать станцию на расход в 10 куб. мт. в сек., который обеспечен на 272 дня; мирясь с дополнительной работой тепловых машин в течение 5 месяцев, можно поставить гидравлических машин на расход в 11,2 куб. мт., который налицо 215 дней. По кривой видно также, сколько энергии и в течение скольких дней нужно добавлять в каждом из этих случаев. Не трудно видеть, что если напор оказывается переменным, что часто имеет место, то для таких расчетов и суждений важна кривая повторяемости не расхода, а запаса секундной работы.

Рис. 7. Кривая режима Москвы-реки за 1908 год

Рис. 8. Кривая повторяемости для Москвы-реки за 1908 год

Эти колебания расхода являются очень неблагоприятным свойством водяной энергии, в силу которого либо нужно отказаться от использования всей энергии, довольствуясь лишь минимальным расходом, либо нужно мириться с временным недостатком энергии, сокращая на это время производство, либо нужно вводить в устройство дополнительную тепловую силовую установку, либо, наконец, принять меры к урегулированию расхода. То, что с увеличением расхода обычно уменьшается напор, только затрудняет выход из положения, так как существенно влияет на работу машин. Дело в том, что турбина данных размеров с уменьшением напора пропускает меньше воды, а потому в этом случае по двум причинам уменьшается развиваемая ею работа. Значит, если станция работает на переменном напоре, то для использования больших расходов при меньших напорах нужно значительно увеличивать число машин, и даже ставить турбины, специально приноровленные к малому напору, так как возможно строить турбины так чтобы они выгодно работали при большом напоре и малом расходе и в то же время могли бы перерабатывать много воды при уменьшившемся напоре лишь тогда, когда эти изменения происходят не в очень широких пределах. С другой стороны, как дополнительная тепловая установка, так и регулирование расхода удорожают установку; но эти же меры увеличивают отдачу энергии. Так как оба эти фактора влияют на стоимость единицы энергии в противоположные стороны, то оказывается невыгодным ставить станцию на наименьшем расходе; равным образ. есть всегда такой больш. расход, котор. тоже невыгодно утилизировать при условии дополнения недостающей энергии тепловыми машинами; несколько подсчетов обнаруживают наивыгоднейшую комбинацию, дающую самую дешевую энергию. Само собою разумеется, что здесь нет возможности указать к.-ниб. общие нормы: все находится в зависимости от свойств реки, от цен на постройки, на машины, на топливо, от продажной стоимости энергии в данном районе, словом, от местных условий. Так, в области французских Альп считают выгодным ставить станции на расходе, обеспеченном на 9 месяцев, а иногда даже довольствуются 8-месячным расходом. В американских условиях встречаются станции, оборудованные на расход, равный 0,4 среднего годового. На примере Москвы-реки видно, что такой расход (35,2 куб. мт. в сек.) обеспечен только 90 дней в году, в том числе и половодье, когда работа станции должна была бы прекратиться за отсутствием напора; кроме того в остальные дни необходима работа теплового резерва, с мощностью в 8,5 раза большей мощности гидравлических машин в сухое время года; это такие соотношения, которые заставляют сомневаться в экономичности такой установки.

Не входя в подробности выяснения экономичных размеров теплового резерва, остановимся на вопросе о регулировании расхода. Наиболее употребительный прием заключается в устройстве водоемов, с тем, чтобы накопленный в них избыток воды был выпущен обратно в реку в период малых расходов. Для устройства таких водоемов нужны благоприятные топографические условия и водонепроницаемые грунты; важнейшей их составною частью является плотина. Уже самые небольшие мельничные запруды играют отчасти регулирующую роль, позволяя ночью копить воду, а днем перерабатывать не только дневную, но в эту собранную за ночь воду, т.-е. работать, что называется, накопом. Для регулирования годичного расхода, хотя бы и не в полной мере, требуются пруды огромной вместимости и притом, что особенно важно, с очень большой поверхностью. В самом деле, можно использовать только тот слой накопленной воды, который помещается не ниже некоторого определенного горизонта. Толщина выделяющегося таким образом из пруда его рабочего слоя может быть различна, но, во всяком случае, она должна быть сравнительно небольшой частью напора, чтобы не создавать для машин отмеченных выше затруднений; а при этом условии нужны очень большие площади прудов. Так, напр., если для Москвы-реки поставить задачу о регулировании ее до расхода 42,2 куб. мт. в сек., то пришлось бы сначала задержать, а потом спустить объем свыше 550 миллионов куб. метров; при малом уклоне Москвы-реки слой в 1 мт. уже велик во и при таком слое поверхность пруда должна быть равна 550 кв. кмт., т.-е. это озеро должно иметь, например, полную длину Москвы-реки выше Бабьегородской плотины в 183 версты и среднюю ширину около 3¹/₂ верст. Отсюда ясно, как дороги отчуждения под такие резервуары. Для их постройки нужны благоприятные условия: либо очень дешевые земли при не слишком больших реках, либо достаточно узкие и глубокие долины, с крутыми неплодородными скатами, удобными, сверх того, для получения больших напоров, так чтобы были возможны большие толщины рабочего слоя, либо, наконец, - естественные озера, допускающие изменения высоты стояния в них воды. Добавим тут же, что большие пруды строят не только для регулирования расхода в видах утилизации энергии, но также и с другими целями, напр. для водоснабжения, для защиты нижележащих местностей от наводнений, для целей орошения, и, как легко себе представить, во всех этих случаях масштаб для понятия "дешевое" отчуждение, "достаточно узкая" долина и т. д. будет различный.

Первые условия и притом для целей утилизации энергии в настоящее время трудно встретить; они имели место лет сто тому назад в Европейской России и" особенно на Урале, когда было построено много больших прудов, обычно с земляными плотинами и деревянными водоспусками; многие из них стоят и поныне. Таковы пруды Колпинского завода, близ Петербурга, пруд Мальдовского завода в Людинове, Калужской губ., Вызаунского завода, в Нижегородской губернии и т. д. Очень много таких прудов на Урале; один из самых больших принадлежит Боткинскому заводу; его поверхность = 16¹/₃ кв. верст, а рабочий объем считают в 45,5 миллионов куб. мт., при толщине слоя около 2,75 мт. Долгое время это был самый большой пруд в Европе после Верхне-Волжского водохранилища, образованного, впрочем, из естественного озера.

Условия второй категории часто встречаются в горных или только гористых местностях. Так, в Швейцарии, Франции, Бельгии, Вестфалии, Богемии и т. д. создаются настоящие искусственные озера, затопляются даже обработанные ранее долины. Все-таки это столь дорогие сооружения, что обычно для них утилизация энергии является одною из задач, и кроме этого они преследуют одну из указанных выше целей. Для примера укажем пруд, построенный проф. Интце на р. Урфт, в горах Эйфель, близ Аахена: глухая каменная плотина высотою в 58 мт. запружает небольшую речку Урфт, очень извилисто протекающую в в крутой долине: при такой высоте плотины, считая от подошвы фундамента, пруд захватил только 11 кмт. по течению реки. Полная вместимость водоема равна 45,5 мил. куб. мт., а рабочий объем равен 43 мил. куб. мт. при громадной толщине рабочего слоя в 34,4 мт. На рис. 9 приводим диаграмму работы этого пруда. Внизу резкими зигзагами проходит кривая режима этой долины за 1897 и 1898 годы наименьший расход, 1,75 куб. мт. в сек., был в ноябре 1897 года, а наибольший, в 52 куб. мт. в сек., был в феврале того же года. За первые четыре месяца пруд наполняется и с мая начинается работа станции на 6300 лош. сил, чему при полном напоре соответствует расход 5,8 куб. мт. в сек. Этот расход больше того, что притекает в пруд, и горизонт в нем опускается; соответственно с понижением напора расход воды на станции растет, что легко подсчитывается на короткие интервалы, напр. в 2-3 дня. Потребные для станции расходы нанесены внизу диаграммы как постоянные на целый месяц, а направление штриховки отсеченных от кривой расхода площадей показывает прибыль или убыль воды в пруде; имея эти площади, не трудно начертить линию (пунктир с точкой) изменения объема воды в пруде и, далее, зная площадь горизонтальных сечений пруда, можно нанести диаграмму (пунктирная линия вверху чертежа) изменения высоты стояния воды в пруде и, наконец, скинув потери напора, получить диаграмму изменения полного напора (сплошная линия). Из чертежа видно, что к началу декабря в пруде едва осталось 3 мил. куб. мт., в. декабре пруд отчасти пополняется, но к февралю он опять опорожнен и готов принять в себя всю весеннюю воду, которая возобновит запас воды в нем. Здесь мы имеем пример полной утилизации всего годового расхода этой долины, правда, с небольшим сравнительно бассейном в 375 кв. километров. Средняя высота дождя этой должны около 900 мм.

Рис. 9. Диаграмма работы на р. Урфт, близ Аахена

Наконец, условия третьей категории встречаются почти везде, где есть озера, с не слишком пологими берегами. Уже сами по себе, без всяких дополнительных сооружений, естественные озера, благодаря одной своей поверхности, являются великолепными регуляторами расхода. Так, в Вуоксе, прошедшей оз. Сайму, расход колеблется в течение года от 500 до 1200 куб. мт. в сек., т.-е. в очень узких пределах, а на Неве после Ладожского озера совершенно не знают тех разливов, с подъемом воды на несколько сажен, которые наблюдаются на Волге и других реках. Однако регулирующая роль озера только тогда выступает во всей полноте, когда, с устройством управляемых водоспусков, можно по желанию повышать и понижать его уровень. Так, одна из фабрик в Новгородской губ., извлекающая более 1600 лош. сил из небольшого притока р. Меты, достигает почти равномерной работы турбин в году, пропуская через свои плотины только часть вешней воды и исключительные паводки, и это благодаря тому, что задерживает воду плотиною в нескольких больших озерах в верховье этой речки с рабочим слоем в целую сажень, причем площадь одного главного озера равна 8,5 кв. вер., площадь остальных еще несколько больше, и площадь разлива озер не содержится в этих числах. Особенно велика роль озер в горных местностях с большими напорами, где они являются грандиозными аккумуляторами энергии, выпускаемой в нужное время. В таких местностях очень выгодна комбинированная работа двух станций - одной обыкновенной речной, с ограниченной регулировкой расхода, а другой озерной: речная станция может быть тогда оборудована машинами на значительно большую мощность, нежели это было бы выгодно при самостоятельной ее работе; в периоды больших расходов озерная станция только копит воду, а речная станция несет всю службу и нуждается в регулировке лишь суточных колебаний; в сухие периоды, наоборот, речная станция работает очень слабо, зато вступает в дело озерная. Таких примеров очень много в Швейцарии, Норвегии и т. д. Испрашиваемая ныне концессия на утилизацию части падения Терека вместе с озером Гокчей имеет в виду именно эту комбинацию, несмотря на расстояние между этими источниками энергии свыше 250 верст.

При подсчете устройств, регулирующих годовые колебания расхода, перед последними обыкновенно совершенно пропадают те колебания, которые имеют место в потреблении энергии по времени года; однако, как раз для электрических станций, работающих на освещение, а также в некоторых производствах эти колебания могут быть очень велики, так что, когда регулировка расхода не предпринимается, то важно сопоставить ход изменения располагаемой энергии с ходом ее потребления. Для примера на рис. 10 изображено, как менялась нагрузка одной гидроэлектрической станций в Америке с января 1898 г. по октябрь 1905, при чем с июля 1898 по временам работал паровой резерв: потребление энергии не только росло с годами, но с большою правильностью достигает максимума в декабре и январе и минимума в июне и июле. В расходе же рек обыкновенно наблюдается, наоборот, минимум зимою, что еще раз подчеркивает важное значение регулирования расхода. На рис. 11 приведены далее изменения по часам для нагрузки на центральной станции в Христиании; тут мы видим зимний день с максимальной и летний день с минимальной нагрузкой: построена также средняя за год суточная нагрузка. Подтверждая предыдущее положение, эта диаграмма показывает, что в пределах суток энергия потребляется очень неравномерно, тогда как расход в реке, напротив, обычно мало меняется в течение суток. В разных производствах нагрузка меняется, конечно, разно, и в параллель предыдущей диаграмме с городской нейтральной станции приведем на рис. 12 типичную кривую нагрузки фабрики, начинающей работать в 7 час. утра и кончающей работу в 6 вечера. Эти кривые делают вполне обоснованным желание иметь возможность усиливать работу гидравлической станции, хотя бы на короткий срок. В некоторых случаях интересы судоходства, а также интересы жителей и промышленности, расположенных ниже по реке, могут наложить вполне законное ограничение на это стремление сделать расход реки в течение суток неравномерными Но во многих случаях это вполне возможно, особенно, если это производится в умеренных размерах, напр., без использования всего ночного расхода. Часто в таких случаях в практике иностранных концессий указывается тот минимальный расход, который должен, во всяком случае, оставаться в реке. В таких случаях также прибегают к устройству запасных резервуаров, но уже небольшой вместимости, исключительно для кратковременного усиления работы станции; при таком устройстве нужно только осторожно и тщательно просчитать как весь канал, так и резервуар: в один период времени канал подает воду частью в резервуар, наполняя его, и остальное отдает на станцию, так что уровень наполняемого резервуара должен быть всегда ниже уровня в канале; в другой период на станцию попадает через тот же самый канал вода как из реки, так и из резервуара, на этот раз уже опорожняемого. Ясно, что неизбежны щитовые заграждения как при входе в канал, так и в месте присоединения к нему запасного резервуара; ясно также, что толщина рабочего слоя может быть только ограниченная. В некоторых случаях при длинном подводящем канале он сам может служить таким запасным водоемом. На станции близ г. Лиона такой запасный резервуар имеет поверхность в 1,4 кв. версты.

Рис. 10. Нагрузка гидроэлектрической станции Hartford Electric Light C°

Рис. 11. Нагрузка центральной станции в Христиании

Рис. 12. Типичная нагрузка фабричной станции

За последние годы в Швейцарии, Канаде и других местах получает распространение иной прием использования и аккумулирования ночной и праздничной энергии гидроэлектрических станций. Устанавливают насос, обыкновенно центробежный, высокого давления, приводимый в движение электромотором в то время, когда нагрузка станции мала, т.-е. ночью и в праздники. Мощность насоса подбирается так, чтобы нагрузка станции, питающей сеть и этот мотор, была приблизительно постоянна и, следовательно, чтобы водяная энергия была использована вся. Насос качает воду в возвышенный резервуар с тем, чтобы из него питать новые турбины высокого давления, пополняющие работу станции в то время, когда спрос на энергию превышает располагаемое количество. Высоту этого запасного резервуара стараются по возможности увеличить; напр., в Шаффгаузене его заложили на горе, на высоте над Рейном более 160 мт., для чего построили трубопровод длиною в 2,17 кмт. Это выгодно вследствие удешевления не только машин и трубопровода, но и самого резервуара. Считая все потери в работе, начиная от первичной турбины, и далее в ее генераторе, моторе, насосе, предполагая не слишком длинный трубопровод, проходимый водою в обе стороны, и, наконец, во вторичной турбине и ее генераторе, можно получить опять в виде тока около 30-35% от той энергии, которая без этой установки протекла бы мимо станции, так как она течет, так сказать, не во время. При непосредственной утилизации в токе можно надежно иметь от 70 до 75% той энергии, которая принесена к месту установки машин. Добавим тут же, что в обоих случаях не принять во внимание коэффициент полезного действия установки, который согласно обозначениям рис. 1-3 нужно считать равным отношению H:Н'. Эта величина может сильно меняться для разных случаев: от почти единицы, когда нет каналов и трубопроводов, до 0,9 и даже меньше в обратном случае.

Не вдаваясь в подробности конструкций и тем более расчета отдельных составных частей установок, утилизирующих энергию текучих вод, приведем несколько характерных примеров установок с тем, чтобы выяснить типичные формы отдельных гидротехнических сооружений.

На рис. 13 представлена фотография маленькой установки в Московской губернии. Используется участок речки около 3,5 верст. При среднем уклоне 0,0007 и при возможности - как это часто бывает на старых мельницах - поднят еще уровень воды, сосредоточивается напор до 3,3 мт. На фотографии видна построенная для этой цели деревянная плотина: щиты вынуты, но все белоноги (стойки) вставлены; вид взят с низовой стороны. Плотина имеет три шпунтовых ряда, забитых поперек реки. На них и на дополнительных рядах свай нарублены насадки, настланы полы и нарублены береговые устои и средний бычок, разбивающий отверстие плотины на 2 пролета по 4 саж. каждый. Порог плотины положен выше межени, что ясно видно на фотографии, и это нужно признать за недостаток, так как при этом неизбежно гниение верхних частей, остающихся часть года в воздухе. Для пропуска льда все белоноги выемные. Станция работает на фабрику, имеющую не менее 10 часов ночного перерыва. Протекающий за это время объем воды помещается в подпруженной реке слоем около 0,35 мт. толщины. Допустив колебания напора от 3,3 до 2,95 мт., можно почти удвоить расход в дневное время; в межень он около 1 куб. мт.; благодаря накопу, спускаемому за 12 часов, он может быть доведен до 1+1.10/12=1,84 куб. мт. в сек. При коэффициенте полезного действия 0,75 и при среднем напоре 3 мт. турбины дадут около 55 лош. сил. Чтобы иметь запас, установлена турбина, дающая при этом напоре 67 лош. сил. Влево от плотины (считая по течению) и не далее 7 саж. от ее левого берегового устоя начинается короткий железобетонный канал в 5,6 саж. длины. На фотографии видна вся его правая стенка, поскольку она выступает из земли. Канал кончается камерой для турбины, тоже железобетонной, примыкающей одною стеною к станции - кирпичному дому, снятому на фотографии в еще не оконченном состоянии. Вход в камеру защищен сороудерживающей решеткой и может быть закрываем щитом; его подъемный механизм заметен на рисунке. Турбина имеет горизонтальный вал, проникающий внутрь станции, значительно ниже ее пола; тут с маховика через ремень работа отдается генератору, преобразуется в трехфазный ток напряжения 2000 V и посылается почти за версту на фабрику, где он информируется в постоянный и уже в таком виде освещает и приводит ее в движение. Фотография снята, когда отводящий канал еще не прокопан.

Рис. 13. Деревянная плотина, канал и машинное помещение в Московской губ

На рис. 14 представлен план Шеврской станции на p. Роне, близ Женевы. Она может служить типом станций на большой реке, без применения каналов, с расположением машинного помещения в непосредственном соседстве с плотиною. Поперек Роны поставлена плотина (см. также ее сечение на рис. 15). Ее бетонное основание лежит прямо на скале, что очень упростило и удешевило конструкцию. Порог заложен почти на уровне дна. Между левым береговым устоем, пятью быками и правым устоем, который сопрягается с турбинным помещением полукруглой каменной стеной, образованы 6 пролетов по 10 мт. в свету каждый. От правого устоя вниз по течению выкинута долевая стенка, отделяющая отводящий канал от реки ниже плотины. Выемкой грунта между турбинным зданием и берегом образован короткий подводящий канал; через него перекинут на нескольких металлических бычках легкий мостик для прохода па плотину. От того же правого устоя вверх направляется длинная сороудерживающая решетка; на рис. 14 видно только ее начало; во время паводков Арвы (приток Роны, впадающий в нее между Женевским озером и этой станцией) в реке идет так много твердого материала, что решетка очень забивается и пришлось поставить для ее очистки механические грабли. По той же причине нижние части бетонных быков облицованы чугунными плитами с (рис. 15), а все полы - и понурный перед щитами, и сливной за ними - покрыты деревянными досками. Каждый пролет закрывается сразу одним щитом с наружными размерами 11,25×8,5 мт. Это так называемые щиты Стонея: они составлены из клепанных ферм - в данном случае их 9, - размещенных так, чтобы давление на них распределилось возможно ровнее; лицевая сторона обшита листовым железом. Огромный вес такого щита - здесь 50 тонн - уравновешивается двумя противовесами. При давлении на щит со стороны воды до 40 тонн было бы чрезмерно велико сопротивление при подъеме щита, если бы трение скольжения не было заменено трением качения, благодаря целой подвижной системе катков, передающих давление от щита к особой чугунной направляющей, укрепленной в быке. Герметичность стенки достигается вертикальным точеным железным цилиндром, который плотно прижимается водою к специальным облицовочным плитам, прочно укрепленным в быке и на щите.

Рис. 14. Общий план станции Шевр

Рис. 15. Плотина станции Шевр

Щиты Стонея употребляются теперь часто. Они позволяют оставлять в плотине широкие пролеты и допускают кроме того большие напоры, нежели какая бы то ни была другая конструкция разборных плотин. Регулировка уровня делается при таких щитах быстро и точно; для пропуска высоких вод и льда большие пролеты особенно важны. На Рейне близ Базеля, в плотине станции Аугст Вилен пролетам дан размер в свету 17,5 мт., а высота щитов Стонея сделана 9 мт. Серьезным конкурентом для этой конструкции, особенно из-за величины пролетов, является ныне "цилиндрическая" плотина. На рис. 16 и 17 представлены фотографии плотины на р. Вуокса, принадлежащей бумажной фабрике Эпсо; оба левые ее пролета, по 18 мт. в свету, перекрыты полыми клепаными железными цилиндрами, по 3,4 мт. в диаметре; внутри их расположены узлы особой конструкции, для сообщения жесткости; вдоль нижней четверти прикреплена стенка особой формы, кончающаяся деревянным горизонтальным брусом; стенка эта нужна, чтобы цилиндр не всплыл на воде, а брусом достигается герметическое прилегание к порогу. Боковая герметичность достигается простым способом соответствующего очертания частей цилиндра и устоя. Очень малая утечка считается одним из достоинств таких плотин. Пролет открывается вкатыванием барабана вверх вдоль по наклонной зубчатой рейке, укрепленной в устое; а вкатывание достигается наматыванием на лебедку цепи Галля, или проволочного каната, которые в свою очередь другим концом прикреплены к барабану и намотаны на него. На рисунках один пролет (левый по течению) закрыт, а правый раскрыт. Такими барабанами уже перекрывались пролеты в 35 мт. в свету.

Рис. 16. Цилиндрическая плотина на р. Вуоксе в Энсо

Рис. 17. Цилиндрическая плотина на р. Вуоксе в Энсо

На рис. 15 видно, что зимою напор равен 8,15 мт: при этом в сухие годы расход падает до 120 куб. мт. в сек., что дает около 10300 лош. сил. Обычно же при этом напоре воды хватает на 12000 лош. сил. Летом, при значительно раскрытой плотине, напор падает до 4,35 мт., а расход сильно возрастает во время паводков на Арве, не испытывающей регулирующего влияния Женевского озера, он поднимается до 1230 куб. мет. в сек. При этих условиях на станции поставлены, кроме машин для возбуждения, 15 турбин; каждая из них при полном напоре дает по 1200 лош. с., так что в сухие годы воды хватает только на 9 из них; при малом напоре, благодаря особой конструкции машин, и притом с коэффициентом полезного действия лишь около 0,5 (так велики колебания напора!) они дают около 800 лош. сил, так что и тут работа на 12000 лош. сил обеспечена. Станция отстроена и открыта в 1896 году, а оборудование закончено к 1900 году; этим объясняется, что на ней стоят турбины на вертикальных валах и притом центробежные; первого расположения при таких условиях напора теперь избегают, а центробежных турбин больше совсем не строят. На рис. 18 дан общий вид плотины при закрытых щитах, сзади видно турбинное помещение; деревянное сооружение над четвертым пролетом - временное: это кран для разборки щита, подъемного механизма и т. п. На рис. 19 показан вид станции снизу. Здесь видна упомянутая выше долевая разделяющая стенка. Верхний этаж здания с большими окнами представляет длинный и узкий зал в 130×9 мт., занятый генераторами, автоматическими регуляторами, распределительным щитом и прочими принадлежностями станции.

Рис. 18. Станция Шевр

Рис. 19. Станция Шевр

На рис. 20-28 представлена станция Ванген на Ааре, притоке Рейна, в кантоне Берн. Использованный участок реки, длиною около 10 км. имеет общее падение в межень около 10 мт. Плотина поставлена в конце второго километра от начала этого участка и дает напор около 2 мт. Остальная часть напора получается благодаря каналу в 8,25 км. длиною. При очень коротком отводящем канале, чистый напор у турбинного здания в сухое время года равен мт., при высокой воде он падает до 7,7 мт., а в исключительных случаях и того меньше. В течение 9 месяцев обеспечен расход в 120 куб. мет. в сек., который весь и забирается в канал; в наиболее сухие три месяца он падает до 100 куб. мет. в сек. Для расчета плотины был принят наибольший расход половодья в 1600 куб. мт. в сек. Плотина (рис. 20 и 21) состоит из укрепленного пятью шпунтовыми рядами бетонного основания, облицованного гранитом; последнее нужно из-за большого количества очень твердой гальки, влекомой рекою. Кроме двух береговых устоев, раздвинутых почти на 120 мт., имеются еще 3 быка: у правого берега отделен плотоход; его лоток у порога лежит на отметке 420,33 и опускается на уровень дна за плотиною на отметку 417,23; вся его длина 77,5 мт. Далее идут два больших водосливных пролета (долевой разрез см. рис. 21) по 37,24 мт. в свету; в каждом из них установлено по 7 металлических стоек - ферм. поддерживающих щиты по 2,15 мт. высоты; для пропуска высокой воды эти щиты вынимают. Крайний левый пролет имеет 23,6 мт. в свету и закрыт щитами, опирающимися на 6 металлических ферм. Порог этого пролета заложен на уровне дна, с тем чтобы, открывая его нижние щиты, можно было смыть весь твердый материал, который почему-либо отложился в этом месте впереди плотины, где как раз находится головная часть канала. Вход в канал имеет щиты, для того чтобы управлять количеством поступающей в него воды; а порог этого щитового заграждения поднят на 1,07 мт. над дном реки. Эта ступень вместе с последним промывным пролетом должна помешать занесению гальки в канал. Для той же цели далее канал разветвляется; русло, возвращающееся к реке, имеет непрерывно опускающееся дно и заперто пятью промывными донными щитами; весною они также заметно увеличивают отверстие плотины. Другое же русло в 30 мт. ширины отделено от первого вторым порогом, имеет новое щитовое заграждение и представляет собственно начало канала. Помимо устоев, все берега этой головной части одеты вертикальными бетонными стенками, а дно укреплено. Подобные защитительные устройства от занесения каналов галькою совершенно необходимы на горных реках. Их отсутствие на станции близ Эссентуков на р. Подкумке иногда приводит к ее остановке - так велико засорение канала после сильного ливня. Для осаждения мелкой гальки и песка, сильно истирающих лопатки турбин, этих приспособлений недостаточно - необходимы большие отстойники.

Рис. 20. Плотина и голова канала станции Ванген на Ааре

Рис. 21. Плотина станции Ванген на Ааре

На рис. 22 и 23 представлен продольный профиль и план всего канала, который идет все время вдоль реки, местами прижимаясь к ней вплотную и отделяясь от нее в таком случае бетонной стеной. Почти на всем протяжении канала для выполнения профиля насыпаны долевые бермы, от конца 2-го километра и до конца четвертого почти весь профиль образован долевыми насыпями (см. продольный профиль); поэтому на этом перегоне откосы укреплены бетоном (см. сечение канала на рис. 24). В конце шестого километра канал проходит через слабый водоносный грунт и при том совсем рядом с рекою, при большой разности уровней; это заставило особенно тщательно укрепить стенку и дно канала (см. рис. 25) с употреблением железобетона. Там, где канал идет в крепком грунте, ему дан профиль по рис. 26: глубина 4,4 мт. соответствует расходу в 120 куб. мт. в сек. и скорости около 1,2 мет. в сек.; в укрепленных участках откосы круче, а ширина по дну та же, так что скорость - 1,5 мет./сек. Уклон дна выполнен 1:6000, а уклон свободной поверхности 1:8000. Потеря напора во всем канале и в его головной части равна 1,27 мт., т. е. 11% от всего располагаемого в сухое время года напора. Заметим, что если бы этот канал должен был одновременно служить целям судоходства, то ему дали бы большее сечение и меньший уклон, особенно в укрепленных участках, для уменьшения скорости течения.

Рис. 22 и 23. Продольный профиль и план канала станции Ванген на Ааре

Рис. 24. Профиль с бетонным укреплением откосов

Рис. 25. Укрепленный профиль у Фаргефли

Рис. 26. Неукрепленный профиль с земляным откосом

На рис. 27 дан вид снизу на турбинное помещение; здесь хорошо видны слияние отводящего канала с Аарой и 7 сводов над выпускными пространствами из-под каждой турбины. На разрезе турбинного помещения (рис. 28) видно, что канал кончается порогом и сороудерживающей решеткой. Далее находятся углубленные камеры турбин; эти 7 камер отделены друг от друга глухими стенами, которые начинаются у самой решетки, углубляясь до самой подошвы фундамента, и тянутся далее под помещением генераторов до отводящего канала, где их верхние наружные части хорошо видны на рис. 27. Турбины представляют каждая учетверенную турбину Фрэнсиса на горизонтальном валу с двумя всасывающими трубами, вполне современного типа. Вал турбины непосредственно сцеплен с валом генератора. При среднем напоре 8,6 мт. каждая такая единица дает 1500 лош. сил при 150 оборотах в минуту, перерабатывая 17,3 куб. мт./сек. воды, так что полного расхода канала в 120 куб. мет. хватит на все 7 машин. Станция эта открыта в 1904 году.

Рис. 27. Станция Ванген на Ааре со стороны отводящего канала

Рис. 28. Разрез турбинного помещения станции Ванген

На рис 29 представлен общий план установки на р. Урфт близ Геймбаха; работа пруда этой станции была рассмотрена выше (рис. 9). Сильно извилистое течение р. Урфт и р. Рёра, куда впадала первая, с общим протяжением обеих в 25 кмт. спрямлено сравнительно короткой напорной штольней (на плане - пунктир с точкой). Таким путем получен напор 110 мт.; из них около 40 мт. создано собственно плотиной, остальное - штольней; при отмеченных выше колебаниях уровня перед плотиной напор может уменьшаться до 75,6 мт. Такими спрямлениями удается выгадывать значительные напоры даже и не в очень гористых местностях. На рис. 29 видно, что штольня началась довольно далеко от плотины. Из правой части рис. 30 видно, что в берег пруда, в начале штольни заложена шахта: в ней стоит задвижка, которой можно уединить всю штольню от пруда. Далее бетонированная штольня пронизывает гору на протяжении почти 2,5 км. и кончается на склон горы новой шахтой (левая часть той же фигуры); расширение на ее верхнем конце должно представлять гаситель для могущих образоваться гидравлических ударов (см. гидравлический таран). В этой шахте стоят новые задвижки, после которых напорная штольня заменяется двумя металлическими трубами, ведущими воду к станции. На каждой из этих труб поставлено по 4 турбины, дающих при полном напоре по 2000 лош. сил, а при пониженном по 1500 л. с. Указанная на рис. 9 мощность в 6700 лош. сил относится к суткам; пруд, выравнивающий годовые колебания расхода, конечно, достаточен для того, чтобы удвоить дневную работу за счет ночной. Сообразно с этим поставлено такое сильное оборудование турбинами. Каждая турбина имеет свой генератор. Ток в 35000 V напряжения распределяет энергию в окрестностях Геймбаха вплоть до Аахена, т. е. на расстояние боле 50 километров. На рис. 31 приведен общий вид этой плотины, а на фиг. 32 - ее разрез. В плане плотина имеет вид дуги круга с радиусом в 200 мт.; так обычно делают в расчете на сводчатое действие плотины и особенно для того, чтобы температурные изменения длины плотины могли свободно проявляться.

Рис. 29. общий план установки на р. Урфт

Рис. 30. Штольня и трубопровод станции на р. Урфт

Рис. 31. Плотина на р. Урфт

Рис. 32. Профиль плотины на р. Урфт

Основание плотины заложено на скале после тщательной заделки всех трещин в породе. Подобные сооружения, необыкновенной тяжести, требуют особо тщательного приготовления основания; бывали случаи подмыва таких плотин со всеми несчастьями настоящего потопа в нижележащей долине. Сечение плотины подсчитывается как при наполненном водою резервуаре, так и при опорожненном. Для лучшего воспрепятствования сдвигу плотины ее основание выполнено зубчатым. Для той же цели кладка ведется не с горизонтальными швами, а с криволинейными, так чтобы поверхность шва всюду была по возможности нормальна к равнодействующей из веса кладки и давления со стороны воды. Принимаются особые меры к тому, чтобы вода не могла просачиваться внутрь кладки; или, по крайней мере, чтобы она не могла далеко проникнуть; последнее достигается прокладкой дренажа внутри самой кладки. Для предохранения пруда от переполнения, в его правом берегу, в скале высечен ступенчатый водослив, хорошо видный на рис. 31; он одет бетоном и высота его выше водопада Ниагары. На фотографии видны 2 башни впереди и третья в отдалении; последняя стоит над входом в напорную штольню; первые две стоят над началом труб, заложенных в плотине на случаи опорожнения пруда; такой же запасный выпуск, закрытый тоже задвижкою, оставлен еще в берегу пруда, в той штольне, через которую была отведена река в период постройки. Весь объем кладки этой стены равен 155 тысячам куб. мт.

Наконец, как пример установки высокого давления, укажем норвежскую станцию на берегу Гардангер-фьорда на р. Тиссе (Tysse), открытую в 1908 году. Эта река, с бассейном в 378 кв. км., на высоте 435 мт. над уровнем моря впадает в озеро Рингедаль (рис. 33 и 34 продольный профиль и общий план установки) с поверхностью в 5,5 кв. км., далее переходит в длинное и узкое озеро Фетле, после которого низвергается в фьорд. При выходе из каждого из этих озер поставлены игольчатые^* плотины, с тем чтобы, регулируя нижнюю, можно было поддерживать уровень в озере Фетле на постоянной отметке 415 мт.; плотина на Рингедале раскрывается только при переполнении этого озера. Для пропуска же воды, в обход этой плотины заложена коротенькая напорная штольня, сечением в 6 кв. мт. и с дном на отметке 416 мт.: она имеет регулирующие щиты, так чтобы было возможно поддерживать постоянный расход до 15 куб. мт./сек., спуская для этой цели уровень в озере до отметки 418,5 мт. Со временем предполагается увеличить этот рабочий слой в 435-418,5=16,5 мт. еще на 25 мт., построив вместо игольчатой глухую каменную плотину и подняв уровень Рингедаля до отметки 460 мт.: тогда рабочий объем водохранилища будет около 250 мил. куб. мт., и станция будет располагать круглый год расходом в 24 куб. мт./сек.

^* (Так называются плотины, в которых заграждение выполняется не щитами, а иглами, т. е. брусками, лежащими в вертикальной плоскости и прижимаемыми водою внизу к порогу плотины, а вверху к особому горизонтальному прогону; этот прогон, так же как и мостик для обслуживания плотины, опирается на береговые устои и на ряд легких металлических ферм, прикрепленных к основанию плотины шарнирно; разобрав прогон и связи между фермами, их кладут на дно так наз. флютбета, вращая около оси этих шарниров, параллельной течению. В таком разобранном виде плотина совершенно не стесняет сечения реки ни для водополья, ни для ледохода, на ней не образуется при этом перепада, так что возможен пропуск судов, почему они и употребляются на судоходных реках. Они не годятся для больших напоров; сборка их мешкотна и требует спада воды. Часто их называют по фамилии автора системы - плотинами Пуаре. В Москве так построена Бабьегородская плотина.)

Рис. 33. План 34 и профиль установки на р. Тиссе близ Одде

У нижней плотины на Фетле начинается вторая напорная штольня; она пробита прямо в скале вплоть до берега фьорда на протяжении 3,41 км., с поперечным сечением 9,5 кв. мт. и с уклоном 0,003. Она оканчивается небольшим напорным резервуаром, одна из стенок которого срезана на одной высоте с уровнем в озере Фетле и образует, следовательно, запасный водослив. В этом резервуаре начинается трубопровод (рис. 35), который будет состоять из 5 труб, с расходом 3,6 куб. мт./сек. каждая; пока уложено только 2 трубы. Из чертежа видны как главные размеры труб, так отчасти и способ их изготовления. Обратим внимание на характерную особенность таких трубопроводов: с увеличением давления диаметр труб уменьшают; при этом труба удешевляется, зато растет потеря напора; на стоимости продаваемой станцией энергии это отражается так, что есть наивыгоднейший диаметр, дающий самую дешевую энергию, причем часто получается довольно большая скорость, незнакомая в практике трубопроводов для водоснабжений, где энергия дороже. В данном случае в нижних участках трубы скорость доведена до 5,08 мт./сек. Общая длина трубопровода только 739 мт., так что он уложен, особенно в отдельных участках, очень круто. Кроме самого верхнего короткого участка, он лежит совершенно открытый. Так делают всегда, если нет лавин и обвалов; в противном случае нужна тщательная защита трубы, в особенности от подмыва опор; иногда решаются на постройку вертикальной шахты и ведут далее почти горизонтальный трубопровод в штольне. Кроме большого числа опор, на которые трубы опираются свободно, в местах переломов их оси поставлены 9 массивов, к которым они укреплены сильными анкерами. В открытой трубе возможны большие изменения температуры стенки, особенно если предположить ее опорожнение; поэтому необходимо ставить сальники особой конструкции, так называемые расширители, для того чтобы дать свободу температурным изменениям длины. В данном случае их поставлено 4 (буква b на рис. 35) близ опор 1, 3, 5 и 7. Здесь же буквой а отмечены лазы, для проникания внутрь трубы. Для укладки трубопровода в таких пони неприступных местах предварительно построена канатная электрическая дорога, приводимая в движение временной небольшой гидроэлектрической станцией (см. рис. 34). На рис. 36 дан общий вид трубопровода и станции на берегу фьорда.

Рис. 35. Профиль трубопровода на станции р. Тисса

Рис. 36. Трубопровод и станция на р. Тиссе близ Одде

При таких больших напорах теперь применяют исключительно колеса Пельтона. Они должны работать в воздухе; поэтому на этой станции они подняты над уровнем моря почти на 4 мт., чтобы поставить машины вне действия прилива и волнения. При полном расходе штольня дает потерю напора около 11 мт.; на трубопроводе тратится около 16 мт., так что из напора 415 мт., имеющегося в озере Фетле, остается для турбин 415-11-16-4=384 мт. или 92,5%. На станции поставлено пока 7 турбин; система задвижек позволяет питать одну из них по произволу от любой из уложенных труб; остальные разбиты на 2 группы, из которых каждая присоединена к одной трубе. Каждая из этих турбин Пельтона пропускает до 1,2 куб. мт./сек., что при указанном напоре и коэффициенте полезного действия 0,75 соответствует мощности в 4620 лош. сил. При полной работе обеих труб и 6 турбин станция даст около 27500 л. с., а при полном ее развитии с подпрудой озера Рингедаля мощность ее превзойдет 90000 лош. сил.

В настоящем беглом очерке способов утилизации энергии воды мы еще не коснулись многих обстоятельств, требующих тщательного взвешивания в каждом отдельном случае. Таковы защитные меры против льда, как верхнего, так и так называемого "донного", "шуги" и тому подобных явлений, могущих вызвать полное промерзание канала, закупоривание входных решеток и т. д.; меры для пропуска рыбы через плотины; предохранение трубопроводов от гидравлических ударов, как при повышении давления, так и при быстром опорожнении и т. д. Отсылая за подробностями к литературе предмета, переходим к некоторым данным о стоимости водяной энергии.

Большие первоначальные затраты, связанные с утилизацией "белого угля", представляют одно из невыгодных его качеств. Нельзя указать каких-ниб. средних норм для начальной стоимости в виду крайнего разнообразия технических схем устройств, способов выполнения и наконец местных условий и цен. Однако, как общее правило, стоимость установки 1 лош. силы увеличивается с уменьшением напора; также она растет вместе с уменьшением мощности станции. В то же время пределы колебаний стоимости очень широки в каждом случае. При больших напорах, свыше, напр., 200 мт., начальная стоимость установки 1 лош. силы, включая и необходимый резерв, часто оказывается около 75 руб., в благоприятных условиях она подает до 40 руб., но может подняться и до 175 руб. При напорах около 50 мт., при благоприятных условиях, начальная стоимость во Франции оказывалась по 50 руб. на силу, а описанная выше установка на р. Урфт обошлась по 220 р. на силу. При напорах около 10 мт., как исключение, встречаются стоимости в 120 руб. на силу; такова, напр., станция Шевр; обыкновенно она выше 200 руб. и доходит до 650 руб. - такова исключительно дорогая станция на Роне близ Лиона. Эти цены взяты из европейской практики, т. к. таких станций в России немного; указанная на рис. 13 установка обошлась вместе с электрической проводкой около 460 руб. на установленную силу, несмотря на очень малые ее размеры; в проекте установки па р. Волхове выводится начальная стоимость одной лош. силы не более 350 руб., не смотря на включение сооружений для судоходства. Правда, встречаются примеры затрат, далеко превосходящих все вышеуказанное, напр. на Мургабе, в Боржоме, но причина этого заключается в особых условиях. Нужно добавить, что в указанные стоимости включена полная затрата на станцию, начиная с отчуждений, гидротехнических сооружений и кончая турбинами и генераторами (без раздачи тока), и отнесена она к числу лошадиных сил в установленных машинах, а не к тому числу сил, которое извлекается из воды.

Не менее затруднительно указать распределение начальных затрат по отдельным статьям: обыкновенно гидротехнические сооружения составляют главную часть расхода, от 50 до 75%, но при благоприятных условиях (напр. Шевр) они уменьшаются даже до 30%. Сообразно с этим машинное помещение и его оборудование представляют от 15 до 50% полной стоимости.

Стоимость эксплуатации водяной энергии определяется при солидном техническим устройстве главным образом непрямыми расходами - %% на капитал, погашением и отчислениями в фонд возобновления. Погашение рассчитывается для машин на 12-15 лет, а для плотин, зданий, трубопроводов и проч. достаточен срок 30 и даже 50 лет, так что отчисления по первым статьям должны быть от 6 до 5%, а по вторым от 2 до 1,4%. В среднем на весь строительный капитал можно считать не более 2-3% отчислений на погашение. Приблизительно столько же отчисляется в фонд возобновления, хотя часто его наращивание предполагается более длительным. Считая 5% на капитал, получим, что косвенные расходы гидравлической станции составляют от 9 до 10% основного капитала. Прямые расходы слагаются из ремонта (¹/₂% на строительную часть и около 1% на машины совершенно достаточно), из очень маленького расхода на смазочные материалы и из оплаты персонала. Последняя статья сильно зависит от продолжительности суточной работы, т. е. от числа смен, и сравнительно мало от мощности станции. В процентах от основного капитала его можно оценить от 2 до 6%. Последняя цифра отвечает маленькой станции, работающей круглые сутки. Иногда к прямым расходам относится уплата за подтоп чужих владений; в таком случае, значит, отчуждения были сделаны не в полной мере и соответственно, хотя и менее быстро, уменьшаются косвенные расходы. Таким образом все эксплуатационные расходы на большой станции, работающей от 3000 до 7000 часов в год, составляют соответственно от 11 до 14% капитальной затраты. Предполагая дорогую станцию на малом напоре в 400 руб. на установленную силу, или, при резерве в 20%, в 400.1,2=480 р. на развиваемую силу, получим стоимость силочаса не более как 480.100.0,11/3000=1,68 коп. при малом числе часов и 480.100.0,14/7000=0,96 коп. при большом числе часов. На станциях высокого напора стоимость энергии соответственно уменьшается. Эти расчеты скорее преувеличены: есть примеры в русской практике, когда 1 силочас водяной энергии обходится меньше 0,5 коп. Таких цен на энергию тепловые станции не могут дать при самых лучших условиях, и этой дешевизной водяной энергии и объясняется, что некоторые производства возможны пока только при использовании "белого угля": сюда относятся - передача энергии на далекие расстояния помощью тока, некоторые химические и металлургические производства, как добывание алюминия, приготовление кальциум-карбида, добывание азотистых продуктов из воздуха и т. д.

Из всего предыдущего вытекают следующие положительные свойства водяной энергии: она очень дешева, проста и надежна в уходе, утилизируется при самых разнообразных условиях ее нахождения и притом с высоким коэффициентом полезного действия. К отрицательным ее свойствам нужно отнести: необходимость больших начальных затрат, иногда крупные затруднения в использовании всего располагаемого запаса, вследствие резкой неравномерности в течение года, и на конец прикрепленность к месту, часто не там, где удобно найти применение для нее. Правда, по своей ценности запасы водяной энергии совершенно аналогичны залежам ископаемого топлива и подобно последним являются такими же притягательными центрами для деятельности человека, но нельзя не признать, что здесь все условия много сложнее, нежели при простой добыче ценного продукта, увозимого к месту потребления. Есть еще два обстоятельства, сильно задерживающих развитие эксплуатации водяной энергии.

Во-первых, отметим неблагоприятное или неполное водное законодательство. Когда неизвестно в точности, кто является собственником энергии, владелец ли берегов или государство, каковы обязательные требования к воде как пути сообщения, как средству для орошения или питательному и хозяйственному материалу; когда еще нет законно обязательных способов разграничения прав собственности на смежных участках одного и того же источника энергии, наподобие межевания для земельной собственности; когда не установлено принципиальное отношение к концессиям на эксплуатацию энергии, напр. в том смысле, могут ли они быть долгосрочными или должны быть краткосрочными, допустимо ли дробное использование источника энергии, можно ли признавать за крупными гидравлическими установками значение предприятий общественно-полезных, наподобие путей сообщения и т. д... пока все эти и многие другие вопросы не имеют ясного решения, - дело утилизации энергии текучих вод не будет стоять прочно. Оно также затормозится, если решение этих вопросов избыточно стеснит частную инициативу. В разных государствах эти юридические воззрения различны и нередко проявляется сильная тенденция, напр., к признанию запасов водяной энергии государственной собственностью, которую можно передавать в частные руки только на короткие сроки; однако общего распространения этот взгляд еще не получил. В России этим вопросам работает комиссия под председательством Таганцева.

Другим существенным затруднением является недостаточная точность, неполнота и часто полное отсутствие сведений о местонахождении, размерах и свойствах запасов "белого угля". Гидрометрические наблюдения должны обнимать возможно длинный ряд лет, так что обстоятельные исследования здесь под силу только государству или, правильнее, соединенным усилиям государственных и общественных организаций, так как и те и другие силою вещей принуждены производить такие исследования для своих частных надобностей. Многие государства Европы и Америки, в том числе и Финляндия, уже организовали службу гидрометрического исследования водных богатств. Россия только приступает к этим работам, пока только в Туркестане; многочисленные же исследования наших рек, исполненные разными ведомствами, в большинстве случаев недостаточны по своей программе, так как преследовали другие цели, совершенно разрозненны и крайне трудно доступны для пользования (см. слово Гидрография).

Литература о гидравлических станциях: E. Pacoret, "La technique de la houille blanche", Paris, 1908. Th. Koehn, "Ausbau von Wasserkräften", Leipzig. 1908; так называется XIII том третьего отдела, носящего общее заглавие "Der Wasserbau", обширной энциклопедии инженерных наук - Handbuch der Ingenieur-Wissenschaften. Daniel W. Mead, "Water Power Engineering", New-York, 1908. Нa рус. языке подобных монографий еще нет. По отдельным вопросам назовем: о плотинах - Неелов, "Устройство плотин", 1884: сильно устарело. Зброжек, "Курс внутренних водных сообщений", 1898, также не вполне современный, при том имеет в виду исключительно пути сообщения. О расчете трубопроводов, о гидрометрии и о прудах можно найти замечания в "Гидравлике" А. И. Астрова (1911). О расчете каналов при переменных условиях работы см. Б. А. Бахметев, "Неравномерное течение жидкости в открытом русле", Петербург, 1912. О гидрометрических инструментах - Н. Д. Тяпкин, "Приборы для определения скоростей и расходов в открытых руслах", Москва, 1901.

В статье о водяной энергии нельзя обойти молчанием способов непосредственного использования кинетической энергии потоков, способов утилизации энергии морских волн, а также приливов и отливов и, наконец, о передаче энергии на расстояние помощью воды.

Едва ли не древнейший способ извлечения энергии текущей воды состоял из колеса с радиальными лопатками на горизонтальном валу, опущенного в текучую воду на глубину лопаток; ударяясь о них, поток заставляет колесо вращаться и может произвести полезную работу, напр. поднимая воду из реки другими черпаками, укрепленными на том же колесе. Такие "гидравлические станции" устраивались римлянами, а, быть может, и задолго до них. С тех пор во все времена, и в Средние века, и в эпоху Возрождения и до самых последних дней, как в Европе, так и в азиатских государствах, устраивались и изобретались вновь машины для той же цели, иногда весьма остроумные, с приемником удара струи, сделанным так, чтобы, идя по течению, он был раскрыть и принимал удар, и возвращался бы назад сложенным с возможно малым сопротивлением обратному ходу. Все машины такого рода страдают одним общим недостатком - они малосильны, громоздки и тихоходны, так как таков самый вид утилизируемый энергии: если предположить поток даже с очень большою скоростью в 1,5 мт./сек., то 1 лош. сила будет получена, если в каждую секунду отнимать всю скорость у 65 кгр. воды. Но, во-первых, всей скорости отнять нельзя, так как нужно, чтобы вода утекала прочь от машины; во-вторых, при ударной работе в лучшем случае можно получить коэффициент полезного действия в 0,4; принимая это во внимание, получим вместо 65 кгр. не менее 2000 кгр. По этой причине эти машины никогда не получат большого значения. - Об утилизации энергии морских волн мечтают очень давно, а модели машин изобретаются по cиe время. Их несколько схем: одни хотят по преимуществу уловить удар от волны; для этого они ставят особые ударные поверхности, могущие качаться около горизонтальной оси; другие присоединяют к этому эффект вытесняющего давления снизу вверх, если тело погружено в воду, а потому ударным элементам они дают не только поверхность, но и заметный объем, уравновешивая механически их вес: волна будет ударять в эти приемники, но и будет поднимать их, подкатываясь под них. В обоих случаях ось машины получит переменное качательное движение, которое остается преобразовать во вращение с требуемой угловой скоростью. Наконец, третьи хотят просто воспользоваться тем, что тяжелый поплавок качается на волнах; его качания они стараются передать валу, напр. так, что один конец каната прикрепляется к поплавку, а другой перекидывается через ряд блоков и нагружается грузом. Блоки будут при этом также качаться около своих осей и могут отдавать работу. Эта последняя мысль разрабатывается часто в очень простых и остроумных комбинациях. Были предложены для той же цели машины, основанные на совершенно ином принципе, напр. они должны были сжимать воздух; или качающаяся вместе с волною колонна воды в трубе производит в ней переменное давление, что можно использовать, как в насосе, при надлежащем расположении клапанов и т. д. Все такие машины, несомненно, могут работать. Но они тихоходны, так как их число оборотов определяется периодом морской волны; они громоздки: по существу расположенный под действием волн, они должны либо убираться па время бури, либо иметь очень солидное т. е., дорогое, основание, способное ее выдерживать: наконец работа вполне зависит от того, есть или нет в данный момент волна. Сколько-ниб. серьезного применения эти машины не получали. - Дело утилизации прилива и отлива тоже имеет долгую, хотя и простую историю: об этой возможности говорят писатели XVI и XV столетии; такие установки исполнялись, и работали, и даже одно время водоснабжение Лондона происходило за счет прилива в Темзе. В то же время в самые последние годы публикуются проекты грандиозных установок с этою целью. Одна из основных схем состоит в устройстве большого резервуара в одном уровне с морем и соединении его с морем двумя ходами, расположенными наподобие буквы Н и снабженными затворами во всех четырех ветвях. Если над буквою море, а под нею- резервуар и если во время прилива открыты затворы правый верхний и левый нижний, то резервуар наполняется, и в среднем ходе, где стоят машины, течение идет справа налево. Оно останется то же самое, если во время отлива открыть затворы правый нижний и левый верхний. Избежать пауз в работе можно разделяя резервуар на секции и наблюдая последовательный порядок их наполнения или опорожнения так, чтобы всегда оставался некоторый напор для машин. Ограниченная амплитуда прилива и отлива требует огромных резервуаров, чтобы извлекать заметное количество энергии. Предлагали получать такие резервуары в самом море, отделяя в нем стенами нужные поверхности. Большая стоимость таких проектов препятствует их осуществлению.

Основною мыслью гидравлической передачи энергии на расстояние является, во-первых, то, что вода, находящаяся под большим давлением и могущая перейти в среду меньшего давления, несет в себе энергию совершенно так же, как и поднятая на высоту; во-вторых, то, что воду, хотя бы и под давлением, очень удобно раздавать в разные места по трубам. Давление сообщается насосом, и легко видеть, что выгодно увеличить давление, чтобы для той же мощности уменьшить количество посылаемой воды: уменьшается насос, трубопровод, наконец, тот запасный резервуар, так наз. аккумулятор, где собирается вода, если ее потребление идет неравномерно. Появилась эта система и получила широкое распространение при приведении в движение большого числа однородных орудий, работающих притом с перерывами, где, стало быть, применение тепловых двигателей было бы дорого и неудобно; таковы подъемные краны, шпили, кабестаны и проч. в гаванях. И до сих пор во многих портах можно найти ряд гидравлических подъемных машин, не только для грузов, но и для мостов, ворот и т. п.; все они питаются от одного трубопровода, в который на центральной станции насосы накачивают воду, или иную жидкость, в особенности, если нужно предохранить машины от замерзания; по понятным причинам на такой станции необходим аккумулятор. Однако теперь такие установки с успехом вытесняются электрическими. С другой стороны, такая система и сейчас широко применяется в кузнечном и вообще железоделательном производстве: работающие с перерывами ковочные прессы, приспособления для посадки поковок в печь, для вынимания отлитой болванки из изложницы и т. п. соединены с напорным трубопроводом, а через него с аккумулятором и насосом. Как для подъемных машин так особенно для прессов употребляют очень большие давления, в несколько десятков и даже сотен атмосфер. Наконец, в 80-х годах прошлого столетия было выполнено несколько установок, где вода под большим давлением была распределена водопроводом по городу и тут приводила в движение мастерские, целые фабрики и т. д. Самая крупная установка такого рода была выполнена в Женеве в 1886 году и работает до сих пор. Вместе с большими работами по регулированию уровня озера на Роне создали небольшой (менее 4 мт.) напор и установили на нем 17 турбин по 210 лош. сил каждая; из них 4 приводят в движение насосы, питающие городской водопровод питьевой водой под напором около 4 атмосфер в воздушных колпаках. Остальные турбины ведут подобные же насосы, которые качают "промышленную" воду в другую водопроводную сеть под давлением 14 атмосфер у воздушных колпаков. Двигатели, работающие на этой сети, имеют мощность от 35 лош. сил и меньше, до 0,5 лош. силы; т. е. эта сеть по преимуществу обслуживает мелкую промышленность. Двигателями служат по преимуществу турбины высокого давления, но встречается также много так называемых водостолбовых машин. Позднее вошла в употребление пневматическая передача работы; она имеет то преимущество перед гидравлической, что потери напора при протекании воздуха меньше, нежели при течении воды, а главное - трубы имеют значительно меньший диаметр, так что установка дешевле. Но хронологически вскоре за этим появилась электрическая передача, которая, безусловно, вытеснила обе предыдущие: их уже перестали строить, а гидравлическая передача Женевы и пневматическая в Париже только доживают свой век.

Ал. Астров.

Источники:

1. Энциклопедический словарь Русского библиографического института Гранат. Том 14/13-е стереотипное издание, до 33-го тома под редакцией проф. Ю. С. Гамбурова, проф. В. Я. Железнова, проф. М. М. Ковалевского, проф. С. А. Муромцева и проф. К. А. Тимирязева- Москва: Русский Библиографический Институт Гранат - 1939.