Гидравлической турбиной называется двигатель, преобразующий энергию движущейся воды в механическую энергию вращения его рабочего колеса. Из основного закона механики жидкости — закона Бернулли следует, что удельная энергия, т. е. энергия единицы массы, Н на входе в рабочее колесо составляет
,
на выходе из рабочего колеса
,
В зависимости от того, какие из трех членов уравнения Бернулли главным образом использованы в конструкции машины, различаются типы турбин.
Отданная водой рабочему колесу энергия равна разности энергий в потоке до и после рабочего колеса
.
Таким образом, вся энергия потока состоит из энергии положения z1-z2, энергии давления (образующих вместе потенциальную энергию), а также кинетической энергии.
Турбины, хотя бы частично использующие потенциальную энергию, называются реактивными. В таких турбинах
и, следовательно, процесс преобразования энергии на рабочем колесе происходит с избытком давления. Кроме того, в рабочем колесе частично используется и кинетическая энергия потока.
Если в гидротурбинах используется только кинетическая энергия потока, то они называются активными.
В таких турбинах z1=z2, p1=p2, т. е. вода поступает на рабочее колесо без избыточного давления. Для достижения высокого КПД в них почти весь напор преобразуется в скорость.
Мощность турбины может быть выражена
NT=9,81QTHTηT
В практике принято гидротурбины подразделять на классы, системы, типы и серии. Существует два класса гидротурбин: активные и реактивные.
Класс реактивных турбин объединяет следующие системы: осевые-пропеллерные и поворотно-лопастные, диагональные, поворотно-лопастные и радиально-осевые турбины.
В класс активных турбин входят системы ковшовых, наклонно-струйных турбин и турбин двойного действия. Последние две системы не имеют столь широкого распространения, как ковшовые.
Каждая система турбин содержит несколько типов, имеющих геометрически подобные части и одинаковую быстроходность, но различающихся по размерам. Геометрически подобные турбины различных размеров образуют серию.
Кроме того, все турбины условно делятся на низко-, средне- и высоконапорные. Низконапорными принято считать турбины, работающие при Н<25 м, средненапорными при 25<=Н<=80 м и высоконапорными при Н>80 м.
Турбины подразделяются на малые, средние и крупные.
К малым турбинам относятся те, у которых диаметр рабочего колеса D1<=1,2 м при низких напорах и D1<=0,5 м при высоких, а мощность составляет не более 1000 кВт.
К средним — те турбины, у которых 1,2<=D1<=2,5 м при низких напорах и 0,5<=D1<=1,6 м при высоких, а мощность 1000 <N<=15000 кВт.
К крупным турбинам относятся те, которые имеют D1 и N1 больше, чем у средних. Подчеркнем, однако, условность и историчность такого деления гидротурбин.
Раздел 6. Экологические и социальные вопросы, связанные со строительством и эксплуатацией ГЭС.
Крупные гидротехнические сооружения (ГТС), к которым относятся ГЭС, должны работать 200 - 300 лет. В течение этого срока водный режим будет преобразован, не только под влиянием гидросооружений, но и под влиянием антропогенных и природных факторов.
К водохранилищам нет однозначного отношения. С одной стороны, они нужны для социально-экономического развития региона, удовлетворения потребностей в воде, энергии, в борьбе с наводнениями и т.д., а с другой - оказывают отрицательное воздействие на природу и хозяйственную деятельность выше и ниже створа плотины. Следует отметить, что значительные или заметные изменения в окружающей среде вызывают преимущественно крупные водохранилища.
При проектировании, строительстве и эксплуатации водохранилищ - оно должно рассматриваться как:
- склад воды;
- объект, существенно изменяющий исходное качество речной воды (улучшая или ухудшая ее показания);
- акватория, используемая водным транспортом, лесосплавом, рыбным хозяйством, в целях рекреации;
- объект, позволяющий в ряде районов значительно увеличить использование земельных ресурсов (ирригация, борьба с наводнениями, территориальное перераспределение стока);
- объект, вносящий заметные изменения в природу и хозяйство речных долин, дельт, озер, приустьевых участков морей.
Из сказанного видно, насколько велико значение проблемы правильной оценки качественных изменений речного стока, оценки взаимосвязанных природных и антропогенных явлений, обусловленных эксплуатацией водных ресурсов, влияние водных ресурсов на различные сферы жизни.
Не останавливаясь на роли крупных ГЭС в энергетическом обеспечении регионов страны, влиянии на экономическое развитие регионов, выделим основные эколого-социальные проблемы, которые появляются как на стадии проектирования и строительства, так и те проблемы, которые появляются в процессе эксплуатации их, как следствие взаимодействия водохранилищ с окружающей природной средой.
Гидротехническое строительство, связанное с перераспределением стока, созданием водохранилищ с огромными запасами воды и значительными глубинами, затоплением пахотных угодий и лесов, оказывает влияние на природную среду непосредственно или косвенно. При этом воздействие на окружающую природную среду сказывается как сразу, так и по истечении многих лет.
Проблемы, связанные с проектированием, строительством и эксплуатацией крупных гидротехнических сооружений, можно разделить на первичные, предвиденные на стадии проектирования, и вторичные, возникающие как следствие сооружения гидросооружений и водохранилищ.
Кроме того, возникают научно-технические проблемы, как на стадии проектирования и строительства, так и в процессе эксплуатации водохранилищ.
Из первичных проблем можно выделить следующие:
- выбор генеральной схемы использования водных ресурсов;
- обоснование оптимальных параметров гидроузлов и водохранилищ;
- мониторинг водных, земельных и лесных ресурсов в зоне строительства гидроузла;
- эколого-экономическое обоснование подготовки ложа водохранилища под затопление;
- инженерная защита от затопления и подтопления городов, населенных пунктов, отдельных предприятий;
- восстановление на новом месте сельскохозяйственных угодий вместо затопленных водохранилищем;
- рыбохозяйственное освоение водоема, строительство рыбоходов, восстановление естественного воспроизводства рыб;
- транспортное освоение водохранилища: увеличение глубин, устройство убежищ для судов и плотов при штормах; создание новой судовой обстановки, строительство пристаней; перевалка грузов через плотины;
- санитарная подготовка ложа перед затоплением (дезинфекция населенных пунктов, кладбищ, скотомогильников, ликвидация различных вредных загрязнений);
-агролесомелиоративные гидротехнические мероприятия по предотвращению водной и ветровой эрозии в зоне водохранилищ;
- лесосводка и лесоочистка ложа перед затоплением, посадка лесных насаждений на новом месте.
Более сложны и взаимосвязаны вторичные проблемы, последствия которых проявляются через многие годы после завершения строительства, их во многих случаях трудно предсказать с достаточной научной обоснованностью. Многие из этих проблем так и остаются неразрешимыми в обозримом будущем.
Вторичные проблемы можно подразделить на экологические и социальные.
Выделим основные экологические проблемы:
- эрозия береговой линии водохранилищ, переформирование берегов, дна, устьевых участков рек, впадающих в водохранилища, формирование баров;
- появление на акватории водохранилищ запасов плавающей древесины вследствие береговой эрозии;
- изменения уровня грунтовых вод;
- изменения температурного режима водной массы и окружающей среды, повышенная влажность, появление интенсивных и продолжительных по времени туманов;
- дополнительные потери воды на испарение;
- изменения качественного состава воды в водохранилище;
- изменения растительного и животного мира;
- нарушения условий нерестилищ рыбы;
- опасность провокации колебания земной коры в связи с сооружением крупных плотин и водохранилищ.
Суммируя перечень первичных и вторичных проблем, можно выделить основные последствия регулирования стока рек гидроузлами, оказывающих положительное или отрицательное влияние на хозяйственную деятельность и окружающую природу:
- изъятие земель под водохранилище и строительные площадки для возведения основных сооружений гидроузла, создания стройбазы и переустройства объектов хозяйства и выноса из зоны затопления, а также в связи с берегопереработкой и подтоплением территории выше критического уровня;
- ухудшение мелиоративного состояния земель в связи с подтоплением водохранилищами;
- увеличение продолжительности затопления земель в верхнем бьефе гидроузлов, особенно в хвостовой части водохранилищ в связи с подпором стока реки;
- сокращение частоты (вероятности) и продолжительности затопления пойменных земель в период весеннего половодья на участке, расположенном в нижнем бьефе гидроузла;
- изменение санитарного состояния реки, физико-химических и медико-биологических свойств воды;
- изменение климатических и ландшафтных условий.
Опыт эксплуатации водохранилищ показал, что при проектировании и эксплуатации недостаточно рассматривать обозначенные проблемы и их последствия только с экономической точки зрения. Необходима комплексная эколого-экономическая оценка последствий создания водохранилищ.
Недостаточно глубокая проработка проблем и отступление от обоснованных проектных решений в период строительства и эксплуатации зачастую приводит не только к огромным материальным убыткам, но и к необратимым экологическим последствиям.