Энциклопедия «Техника» (с иллюстрациями)

 

ГИДРОТУРБИНА, см. Гидравлическая турбина.

ГИДРОУЗЕЛ, группа гидротехнических сооружений, объединённых по расположению и условиям их совместной работы. Подразделяются на энергетические, водно-транспортные, водозаборные и др. Чаще всего бывают комплексные, одновременно выполняющие несколько водохозяйственных функций. Гидроузлы делятся на низконапорные, у которых разность уровней воды верхнего и нижнего бьефов (напор) не превышает 10 м, устраиваемые на равнинных реках, преимущественно в пределах их русла, и используемые гл. обр. в транспортных или энергетических целях; средненапорные (с напором 10–40 м) на равнинных или предгорных участках рек, предназначенные гл. обр. для транспортно-энергетических, а также ирригационных целей (создаваемый ими подпор приводит к затоплению поймы реки в верхнем бьефе, образуя водохранилище, используемое для суточного и сезонного регулирования стока реки, осветления воды, борьбы с наводнениями и т. п.); высоконапорные (с напором более 40 м), гл. обр. на реках в горных районах, служащие обычно для комплексных целей – энергетики, транспорта, ирригации и др.

ГИДРОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТ'AНЦИЯ (гидроэлектростанция, ГЭС), комплекс гидротехнических сооружений и энергетического оборудования, обеспечивающий преобразование энергии водного потока в электрическую энергию. Для этого поперёк русла реки сооружают плотину, чтобы накопить воду в водохранилище и сконцентрировать перепад уровня воды на сравнительно небольшом участке (по ширине плотины). Как правило, непосредственно к плотине примыкает здание ГЭС, в котором располагается основное оборудование – гидроагрегаты (в машинном зале) и устройства автоматического контроля и управления работой ГЭС. Подвод воды к гидравлическим турбинам осуществляется по напорным водоводам. Вращение рабочего колеса гидротурбины под напором падающей воды передаётся на вал гидрогенератора, вырабатывающего электрический ток. На открытой площадке рядом со зданием ГЭС или в отдельном здании обычно сооружают повышающую трансформаторную подстанцию ГЭС с распределительными устройствами.

По способу использования водных ресурсов ГЭС обычно подразделяют на русловые, приплотинные, деривационные (с подводом воды к ГЭС по специальным сооружениям), смешанные, гидроаккумулирующие и приливные. По установленной мощности различают ГЭС мощные (св. 250 МВт), средние и малые (до 5 МВт). Мощность ГЭС зависит от напора (разности уровней воды верхнего и нижнего бьефов), расхода воды через гидротурбины и кпд гидроагрегатов. По максимально используемому напору ГЭС условно делят на высоконапорные (св. 60 м), средненапорные (25–60 м) и низконапорные (3—25 м). Практически на равнинных реках с помощью плотин можно создать напор до 100 м, в горных условиях он может достигать 300 м и более. Поэтому на равнинных реках мощность станции определяется гл. обр. величиной расхода воды, а в горных условиях, где расход воды значительно меньше, величиной напора. Из-за сезонных колебаний уровней воды в водоёмах, необходимости пропуска, напр., паводковых вод, непостоянства нагрузки энергосистемы и других причин напор и расход воды и, как следствие, мощность ГЭС непостоянны. Различают годичный, недельный и суточный циклы работы ГЭС. Кпд ГЭС достигает 90–93 %, по этому показателю они являются самыми экономичными электростанциями (кпд тепловых электростанций не превышает 40 %). Себестоимость вырабатываемой ГЭС электроэнергии, а также эксплуатационные расходы в 5–6 раз ниже, чем на тепловых и атомных электростанциях; гидроэлектростанции не требуют топлива, обладают высокой надёжностью и мобильностью в части изменения мощности и являются исключительно дешёвым и манёвренным источником электроэнергии.

Схема устройства гидроэлектростанции:

1 – водохранилище; 2 – затвор; 3 – трансформаторная подстанция с распределительным устройством; 4 – гидрогенератор; 5 – гидравлическая турбина

Первые гидроэлектрические установки мощностью в несколько сотен ватт были сооружены в 1876—81 гг. в Штангассе и Лауфене (Германия) и в Грейсайде (Англия). Затем были введены в эксплуатацию ГЭС в Швейцарии (1892), Швеции (1893), США (1896 г., на Ниагарском водопаде), Франции (1901) и т. д. В России первая промышленная ГЭС мощностью 300 кВт была построена в 1895—96 гг. в Санкт-Петербурге на р. Охта. В период с 1905 по 1917 г. вступили в строй: крупнейшая для своего времени Гиндукушская ГЭС мощностью 1.35 МВт (1909), Саткинская, Сестрорецкая и другие ГЭС небольшой мощности. В 20—30-х гг. 20 в. в СССР по плану ГОЭЛРО были построены первые крупные ГЭС: Волховская (мощностью 58 МВт) и Земо-Овчальская (36.8 МВт), а также Днепровская, Нижне-Свирская и др. В 50—70-х гг. в России были созданы крупнейшие уникальные ГЭС на Волге (Горьковская – мощностью 1000 МВт, Куйбышевская – 2300 МВт, Саратовская – 1360 МВт, Волгоградская – 2540 МВт и др.), Ангаре (Братская – 4500 МВт, Усть-Илимская – 3840 МВт и др.), Енисее (Красноярская – 6000 МВт, Саяно-Шушенская – 6400 МВт) и др.

ГИДРОЭНЕРГ'EТИКА, одна из отраслей энергетики, относящаяся к использованию водных ресурсов, гл. обр. в целях получения электрической энергии. Развитие гидроэнергетики связано со строительством гидроузлов, которые обычно создаются не только для электроэнергетики, но и в интересах водного транспорта, рыбного хозяйства, ирригации, водоснабжения и т. п. Рациональное использование гидроэнергетических ресурсов позволяет решать многие проблемы, связанные с орошением безводных сельскохозяйственных земель, судоходством на реках, обеспечением дешёвой электроэнергией энергоёмких производств, электрификацией железных дорог и т. п. Гидроэнергетика обеспечивает выработку недорогой электроэнергии наиболее экологически чистым способом. К достоинствам гидроэнергетики относятся: постоянная естественная возобновляемость гидроэнергетических ресурсов; низкая себестоимость электроэнергии; экономия трудовых затрат при эксплуатации; высокая манёвренность гидроэнергетического оборудования (обеспечение быстрого изменения режимов работы); комплексное использование водных ресурсов; положительное влияние на индустриальное развитие малоосвоенных регионов и др. Недостатки гидроэнергетики: большая продолжительность строительства гидроэлектростанций; значительные удельные капиталовложения (на 1 кВт установленной мощности); зависимость выработки электроэнергии от водных режимов.

Энергия водного потока привлекала своей доступностью людей с древних времён, история её применения насчитывает более 2 тыс. лет. Для её использования строили водяные колёса, которые приводили в движение, напр., мельничные жернова. До изобретения паровой машины энергия воды вообще была основной движущей силой в приводах станков, молотов, воздуходувок и т. п. Гидроэнергетика сыграла решающую роль в развитии мануфактуры в 17 в.

К нач. 18 в. в России было построено более 3 тыс. промышленных предприятий, на которых работали установки с приводом от водяного колеса (напр., на р. Кораблиха на Алтае, где перемещение гружёных вагонеток осуществлялось с помощью такой установки, сооружённой в 1765 г. мастером К. Д. Фроловым). Самые мощные водяные колёса были установлены на р. Нарова в кон. 18 в.; они имели диаметр 9.5 м, ширину 7.5 м и при напоре 5 м развивали мощность 500 л.с. В 1-й пол. 19 в. была изобретена гидравлическая турбина, открывшая новые возможности использования гидроресурсов. Важнейшим направлением гидроэнергетики стало строительство гидроэлектрических станций для преобразования гидроэнергии в электрическую.

На территории России протяжённость рек составляет примерно 3.5 млн. км; их технически пригодная к использованию энергия (экономический потенциал) приблизительно равна 600 млрд. кВт·ч. Установленная мощность всех гидроэлектростанций России к нач. 21 в. достигла 44 000 МВт; вырабатываемая ими электроэнергия 160 млрд. кВт·ч. Таким образом, экономический потенциал гидроресурсов России используется на 26 %, что лишь немногим меньше мирового уровня (33 %).

ГИПСОКАРТ'OН (сухая штукатурка), листовой отделочный материал, изготовленный из водного раствора гипса, армированный растительным волокном и облицованный с обеих сторон картоном. Листы гипсокартона применяются для внутренней облицовки стен, потолков, устройства лёгких внутренних перегородок (в помещениях с нормальной влажностью воздуха, т. к. гипсокартон разрушается под воздействием влаги), в декоративных и звукопоглощающих изделиях. Листы сухой штукатурки не горят, легко режутся и пробиваются гвоздями. К кирпичным, бетонным и каменным поверхностям их приклеивают с помощью специальных мастик.

ГИР'OБУС (жиробус), транспортное средство на колёсном ходу, движущееся за счёт кинетической энергии вращающегося с большой скоростью маховика (см. Инерционный двигатель). Маховик раскручивается до максимальной частоты вращения (на зарядной станции), после чего его подключают к электрогенератору, и запасённая механическая энергия преобразуется в электрическую для питания тяговых электродвигателей. Кинетической энергии маховика хватает для преодоления 5—10 км. Опытные пассажирские электрогиробусы применялись на некоторых линиях Бельгии и Швейцарии в 1950-х гг. Гиробус используется в основном как транспорт, пригодный для обслуживания пожаро – и взрывоопасных объектов.

ГИРОК'OМПАС, 1) навигационный гироскопический прибор для определения курса летательного аппарата, судна, иных движущихся объектов, а также нахождения азимута (пеленга) ориентируемого направления. Принцип действия гирокомпаса основан на использовании свойства гироскопа и суточного вращения Земли; его идея была предложена французским учёным Ж. Фуко. Гирокомпас, в отличие от обычного магнитного компаса, показывает направление географического (а не магнитного) меридиана, и на его показания существенно меньше влияют перемещающиеся металлические массы (железо, сталь) и электромагнитные поля, а точность в условиях маневрирования и колебаний движущегося объекта значительно выше.

2) Гирокомпас маркшейдерский – гироскопический прибор для определения дирекционных углов при ориентировании подземных маркшейдерских сетей и съёмок при маркшейдерско-геофизических работах на поверхности.

ГИРОСК'OП, быстровращающееся симметричное твёрдое тело (ротор), ось вращения (ось симметрии) которого может изменять своё направление в пространстве. Ротор устанавливают в рамках (кольцах) карданова подвеса (см. рис.), позволяющего оси ротора занимать любое положение в пространстве. Такой гироскоп имеет три степени свободы: он может совершать независимые повороты вокруг осей АВ, DЕ и GK, пересекающихся в центре подвеса О. Если центр тяжести гироскопа совпадает с центром О, то гироскоп называется уравновешенным. Такой гироскоп обладает двумя основными свойствами. Первое свойство гироскопа состоит в том, что его ось стремится устойчиво сохранять в пространстве приданное ей первоначальное направление. Если, напр., эта ось вначале направлена на какую-либо звезду, то при любых перемещениях основания прибора и случайных толчках она будет продолжать указывать на эту звезду, меняя свою ориентацию относительно земных осей. Впервые это свойство гироскопа использовал французский физик Ж. Фуко для экспериментального доказательства вращения Земли вокруг её оси (1852).

Гироскоп в кардановом подвесе

Второе свойство гироскопа: если на ось (или рамку) гироскопа начинает действовать сила, стремящаяся привести ось во вращение, то возникает прецессия (движение) гироскопа с постоянной угловой скоростью в направлении, перпендикулярном этой силе. В момент прекращения действия силы мгновенно прекращается прецессия гироскопа.

На основе гироскопа создаются приборы для автоматического управления движением самолётов, ракет, морских судов и т. д., прибор, определяющий направление географического меридиана (гирокомпас), прибор для определения направления истинной вертикали (гировертикаль) и др.