В Шази, штат Нью-Йорк, недалеко от западного берега озера Шамплейн и примерно в пятнадцати милях к северу от города Платтсбург, расположена современная животноводческая и молочная ферма, деятельность которой наглядно демонстрирует многочисленные преимущества использования гидроэлектрической энергии для электрического освещения и различных энергетических нужд хозяйства. Эта ферма, принадлежащая мистеру У. Х. Майнеру и носящая название «Хартс Делайт», занимает площадь 5160 акров. Около 1200 акров обрабатывается, 1200 акров находится под пастбищами, а остальная площадь занята лесом. Продукцией фермы являются скот и молочные продукты, причем все выращиваемые на ферме корма скармливаются скоту, а на отгрузку отправляются только готовые продукты. Поголовье включает зарегистрированных лошадей першеронской и бельгийской пород, чистокровный короткоротый скот шортгорнской и гернсейской пород, дорсетских овец и высокопородистых свиней для производства колбас, окороков и бекона. Имеются также птицеводство и разведение мясных голубей (сквабов), а также рыбоводный завод для разведения форели. Вся продукция поступает непосредственно в высококлассные отели Нью-Йорка, Вашингтона и Чикаго.
Электростанция фермы «Хартс Делайт»
Через южную часть фермы протекают два ручья: меньший известен как ручей Трейси, а больший — как река Шази. Было решено обеспечить ферму электричеством для освещения и энергоснабжения. В этих водотоках было найдено достаточно водяной энергии, чтобы обеспечить дешевый и надежный источник энергии. Соответственно, несколько лет назад была установлена гидроэлектростанция, которая показала себя настолько успешно, что оборудование неоднократно расширялось, что привело к появлению ряда оригинальных применений. На ручье Трейси были построены три небольшие бетонные плотины для создания регулирующих водохранилищ. Бетонный напорный трубопровод (труба) диаметром 44 дюйма и длиной 670 футов подает воду из нижнего по течению водохранилища к бетонному зданию электростанции, где достигается напор в 19 футов.
Линия электропередачи переменного тока фермы «Хартс Делайт»
Оборудование электростанции состоит из двух водяных турбин с автоматическим регулированием, напрямую соединенных соответственно с генераторами постоянного тока на 30 киловатт и 12½ киловатт напряжением 220 вольт. Ток передается по линии электропередачи на столбах длиной в одну милю с четвертью к центральной станции в основном комплексе хозяйственных построек.
Комплект оборудования для электроприготовления пищи
Еще одна плотина была построена на реке Шази. Она выполнена из бетона, и вода, пройдя через решетки в водоприемном здании, встроенном в плотину, течет по бетонному напорному трубопроводу шириной 48 дюймов, высотой 60 дюймов и длиной 630 футов на электростанцию, где достигается напор в 30 футов. Здесь находятся две турбины, соединенные ременной передачей с генераторами переменного тока, а ток передается по линии электропередачи на столбах длиной почти три мили к центральной станции.
Вспомогательное оборудование гидросиловой установки состоит из двух гидравлических таранов, которые перекачивают воду из одного из водохранилищ ручья Трейси в резервуар емкостью 60 000 галлонов, расположенный на высоте 100 футов над землей, для обеспечения пожарной безопасности построек.
Всего в различных зданиях установлено около двадцати пяти электродвигателей. Электрический ток приводит в действие эти моторы, которые используются для привода или работы многочисленных машин и трудосберегающих устройств.
Вакуумный насос с электроприводом
Для доильных аппаратов и пылесосов
Целая воз сена поднимается с повозки и укладывается в сеновал с помощью десятимощного электродвигателя. Корнерезка приводится в действие двухмощным электродвигателем, смонтированным на потолке. Электродвигатель мощностью полторы лошадиные силы приводит в действие вакуумный насос, который обслуживает доильные аппараты; используется пять аппаратов, каждый из которых может доить двух коров одновременно. Электродвигатель мощностью полторы лошадиные силы вращает сепаратор, а мотор мощностью в три лошадиные силы приводит в движение большую маслобойку; также электродвигатели используются для привода водяных насосов и циркуляционных насосов для рассола на льдозаводе. Зерновая мельница с электроприводом является частью оборудования фермы, а машины для измельчения и смешивания колбасного фарша приводятся в действие четырехмощным электродвигателем. Корнеплоды для овец измельчаются машиной, приводимой в движение электродвигателями мощностью полторы и две лошадиные силы, а корм для рыб подготавливается дробилкой с двухмощным электродвигателем. Деревообрабатывающие станки и металлорежущие инструменты в плотницкой и механической мастерских приводятся в действие электродвигателями. В дополнение к уже упомянутым применениям электроэнергия также используется для перекачки воды, стрижки овец, стрижки лошадей, стирки, сушки и глажки белья, отопления дома, приготовления пищи, заморозки мороженого, охлаждения дома летом, завивки волос у дам и игры на пианино.
Силовое оборудование фермы «Хартс Делайт» гораздо масштабнее, чем было бы оправдано на ферме обычного размера, но эта установка служит иллюстрацией того, насколько далеко может зайти применение энергии в крупном специализированном товарном хозяйстве. Во многих случаях сообщество фермеров могло бы развивать такую гидроэнергетику и распределять энергию между собой с взаимной выгодой и пользой.
СОЗДАНИЕ МАЛОЙ ГИДРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
Главным условием для создания водяной энергии является наличие падающей или текущей воды. Количество доступной энергии меняется: во-первых, в зависимости от объема протекающей воды и, во-вторых, от величины напора. Для получения одной теоретической лошадиной силы требуется около одного кубического фута воды в секунду, падающей с высоты десять футов. Напор может быть либо естественным образом сосредоточен в одной точке в виде каскада, либо искусственно сконцентрирован для целей освоения путем объединения падения нескольких каскадов или серии порогов. Это может быть достигнуто одним из двух способов: во-первых, строительством плотины в нижнем конце порогов для запруды воды так, чтобы весь напор концентрировался у плотины, или, во-вторых, строительством плотины в верхнем конце порогов и отведением воды по закрытой трубе к нижнему концу порогов, где возникающее водяное давление будет точно таким же, как и в первом случае. Вариант последнего метода заключается в отводе воды из естественного русла у вершины порогов и транспортировке ее по каналу с небольшим уклоном вдоль склона холма к подходящей точке, где вода сбрасывается в напорные трубопроводы, идущие прямо по склону к руслу ручья, где может быть создана гидросиловая установка. Последний метод, связанный со строительством канала, имеет тот недостаток, что зимой обычно возникают значительные проблемы из-за скопления льда. Первые два описанных метода являются наиболее распространенными.
Каскад на Индиан-Крик, округ Уоррен, шт. Нью-Йорк
Типичный пример неразвитой водяной энергии
Количество воды, протекающей в русле в штате Нью-Йорк, будь то большая или Малая река, подвержено поразительным колебаниям. Лишь тот, кто очень внимательно и непрерывно наблюдал посредством фактических измерений за экстремальными колебаниями, которым подвержен текущий водоток, способен в полной мере оценить это. Некоторые из более крупных рек штата Нью-Йорк подвержены таким колебаниям стока, что объем воды, сбрасываемый в период паводков, в несколько сотен раз превышает объем, протекающий в период экстремальной засухи. Кроме того, во многих случаях от половины до трех четвертей общего годового стока ручья приходится на период в несколько недель весенних месяцев, когда накопившиеся снег и лед тают и стекают вместе с теплыми весенними дождями. К сожалению, достоверные данные о колебаниях малых ручьев в этом штате крайне скудны. Тем не менее зафиксировано, что малые руроки, по которым имеются данные, подвержены большими колебаниями на единицу площади водосборного бассейна, чем крупные реки. Следовательно, логично предположить, что самые маленькие ручьи и речушки подвержены колебаниям, относительно большим, чем те, которые зафиксированы для водотоков лишь относительно малого размера. Этот факт должен учитывать каждый, кто собирается развивать энергию на ручье, ибо если упустить его из виду, проект не будет столь гарантированно успешным. Для большинства целей энергия требуется в примерно одинаковом объеме во все сезоны года, в то время как, как указывалось ранее, реки сбрасывают большую часть своих вод весной. Поэтому при освоении энергии любого конкретного ручья, если требуется, чтобы мощность была относительно постоянной в любое время года, как это обычно бывает, нельзя упускать из виду два соображения:
Первое — будет ли минимальный сток ручья, то есть сток, наблюдаемый в самый засушливый сезон засушливого года, достаточным для обеспечения требуемого объема энергии?
Второе — если минимального стока недостаточно, какие средства доступны для накопления избыточной воды из влажного сезона до сухого сезона?
Тема выравнивания стока рек в течение года с помощью водохранилищ настолько тщательно обсуждалась в отчетах Комиссии, что дальнейшее обсуждение в данном контексте не кажется оправданным.
Беря общие средние показатели по штату Нью-Йорк, можно рассчитывать, что крупные реки в самый засушливый период будут давать от одной двадцатой до одной четверти кубического фута воды в секунду на квадратную милю водосборной площади. Ручьи с площадью водосбора всего в одну или две квадратные миль часто полностью пересыхают в засушливые сезоны. Если планируется гидросиловая установка такого характера, при котором в засушливые сезоны можно пойти на некоторое снижение мощности без серьезных потерь, большинство малых ручьев можно развить так, чтобы они обеспечивали от одной четверти до половины кубического фута в секунду на квадратную милю. С другой стороны, часто оказывается целесообразным предусмотреть небольшую вспомогательную силовую установку, например, работающую на бензине или керосине, к которой можно прибегнуть в засушливую погоду или для периодической поставки дополнительной энергии, и в этом случае развитие водяной энергии не обязательно должно ограничиваться минимальным стоком ручья.
Энергия падающей воды может применяться в практических целях несколькими способами. Одним из простейших способов, если требуется использовать энергию ручья для перекачки воды, является так называемый гидравлический таран. Это устройство работает по принципу гидравлического удара, возникающего из-за внезапной остановки потока водяного столба. С помощью этого устройства или механизма вода, падающая с очень небольшой высоты, может использоваться для подъема части той же воды или сравнительно небольшого количества другой воды на высоту, значительно превышающую уровень источника. Механический коэффициент полезного действия гидравлического тарана при определенных условиях сравнительно высок, но в целом очень мал: полезная работа, заявляемая производителями, варьируется от 38 до 80 процентов. Минимальный напор, при котором таран эффективно поднимает воду, составляет около двух футов. Такой напор поднимет примерно одну тринадцатую часть подаваемой воды на высоту двадцать футов. При наиболее благоприятных условиях и значительной величине напора таран может поднимать воду на высоту до 120 футов. Доля воды, которую можно поднять, варьируется от одной двадцатой до двух седьмых от общего объема подачи; соответственно, доля воды, которая должна быть сброшена через импульсный клапан тарана, варьируется от пяти седьмых до девятнадцати двадцатых. Обе эти пропорции зависят от соотношения между объемом подачи и объемом поднимаемой воды, то есть малая доля может быть поднята на значительную высоту и наоборот. В тех случаях, когда для бытового водоснабжения доступен небольшой ручей надлежащего качества, зачастую вполне практично установить гидравлический таран, который будет перекачивать достаточную долю объема подачи, чтобы обеспечить домохозяйство всей водой, необходимой для обычных бытовых нужд, несмотря на то, что ручей может находиться на более низком уровне, чем дом. В силу того, что гидравлический таран может применяться исключительно для подъема воды, он обычно не рассматривается как средство развития водяной энергии, хотя в самом широком смысле он представляет собой именно такое освоение.
С другой стороны, цели, для которых обычно требуется энергия, заключаются не только в подъеме воды для водоснабжения, но и во многих других разнообразных потребностях. В таких случаях энергия должна вырабатываться таким образом, чтобы ее можно было использовать для приведения в действие механизмов вблизи места установки либо передавать на некоторое расстояние и там использовать для работы машин, освещения или отопления. Для развития водяной энергии таким образом требуется то или иное водяное колесо.
Существует несколько типов водяных колес, основными из которых являются «нижнебойное», «верхнебойное», «среднебойное», «турбина» и «активное». Верхнебойное колесо — это тип, очень хорошо знакомый большинству читателей, обычно кустарного изготовления. Оно состоит, как правило, из деревянного колеса с водяными отсеками, расположенными через равные промежутки по периферии. Вода подается в колесо сверху, чуть в стороне от центра. Она вливается в верхний отсек, и вес, действующий на одну сторону опорной оси, заставляет колесо вращаться, а вода выплескивается, когда отсек, или водяной карман, достигает нижней точки. Этот тип колеса зависит исключительно по части выработки энергии от веса воды, заставляющей колесо вращаться.
Нижнебойное колесо по конструкции очень похоже на верхнебойный тип, но в большей степени зависит в своей работе от скорости текущей воды, которая ударяет по лопастям, или ковшам, на нижней стороне колеса.
Водяное колесо турбинного типа
Вид кожуха колеса в разрезе (прозрачный вид)
Среднебойное колесо также похоже по конструкции, но в действительности представляет собой усовершенствование верхнебойного и нижнебойного типов. Оно получает энергию за счет сочетания действия гравитации и импульса воды, ударяющей по лопастям или ковшам. Вода подается в колесо чуть ниже уровня оси и обычно входит с немалой скоростью, часть которой преобразуется колесом в полезную работу.
Турбина — это тип колеса, который используется очень широко. Оно обычно изготавливается из металла и состоит в первую очередь из ряда изогнутых лопастей, или рабочих органов, расположение которых напоминает винт. Действие воды, протекающей через эти изогнутые лопасти, заставляет лопасти и вал вращаться, причем лопасти жестко соединены с валом, который может быть как горизонтальным, так и вертикальным.
Фундаментальный принцип работы активного водяного колеса заключается в превращении в полезную работу импульса, обусловленного скоростью струи воды, выходящей из суженного отверстия. Обычно это достигается путем транспортировки воды от плотины или другого источника питания к водяному колесу по трубе сравнительно большого размера, а затем постепенного уменьшения размера трубы непосредственно перед колесом до относительно малого размера с помощью переходного патрубка, снабженного соплом, отверстие которого может регулироваться по размеру или оставаться постоянным. Это сужение потока текущей воды вызывает фонтанирование воды под давлением, и вода вырывается в виде струи с очень высокой скоростью. Струя, выходящая таким образом из сопла, ударяет по чашкам активного колеса, которые расположены через равные промежутки по окружности металлического диска, отцентрированного на оси. Чашки передают скорость струи колесу, и вода стекает с них, сохраняя лишь минимальную скорость.
Водяное колесо активного типа
Показ струи воды, ударяющей по чашкам. Изображенное колесо очень мощное, но принцип работы малых колес остается тем же
В целом турбинный тип колеса лучше всего подходит для низких напоров или падений и использования сравнительно больших объемов воды, а активное колесо — для работы с относительно высоким напором или падением и сравнительно малым количеством воды. Существуют определенные промежуточные условия, для которых производители каждого типа заявляют наилучшую пригодность своих колес, и в таких случаях всегда необходимо изучение местных условий, чтобы определить, какой тип колеса подходит лучше всего.
Развитие водяной энергии с помощью любого водяного колеса приводит к преобразованию энергии падающей воды в механическую силу, которая передается на более или менее быстро вращающийся вал. Для применения этой энергии вращающегося вала в каких-либо полезных целях может использоваться несколько методов. Вал может быть напрямую соединен с валом электрического генератора или динамо-машины для выработки электрического тока, либо он может быть напрямую соединен с машиной, которую требуется привести в движение, при условии, что машина или динамо-машина должны работать с той же скоростью, что и вал колеса. Часто это не так, поэтому при обычных условиях на вал колеса устанавливается шкив, который, в свою очередь, соединяется ремнем с другим шкивом на приводимой в движение машине.
Гладильный валик (мангл) с электроприводом
Используя шкивы разного диаметра на валу водяного колеса и валу приводимого в движение механизма, можно сделать так, чтобы скорость машины в несколько раз превышала скорость водяного колеса или была меньше ее. Например, если водяное колесо совершает 200 оборотов в минуту, а требуется привести в движение соединенную ремнем машину со скоростью 1000 оборотов в минуту, на вал приводимого механизма устанавливается шкив сравнительно малого размера, скажем, диаметром четыре дюйма, а на вал водяного колеса устанавливается шкив диаметром в пять раз больше, то есть двадцать дюймов. Это заставляет вал машины вращаться со скоростью, в пять раз превышающей скорость водяного колеса. Если скорость водяного колеса выше, чем требуется для работы механизма, выполняется обратная операция: на вал водяного колеса устанавливается малый шкив, а на вал приводимого механизма — больший. Если скорость водяного колеса необходимо увеличить более чем примерно в шесть раз, обычно требуется установка промежуточного вала и дополнительного ряда шкивов во избежание использования очень больших и очень малых шкивов. Шкив очень малого диаметра работает неудовлетворительно со значительной потерей мощности, а очень большой шкив неудобен из-за требуемого им пространства.
Будучи раз развитой, водяная энергия может применяться в практических целях либо вблизи места ее получения, либо на значительном расстоянии. Если она используется только для силового привода, а не для освещения, и может применяться там же, где вырабатывается, нет необходимости преобразовывать ее в электричество. Но если она должна использоваться для освещения или в качестве энергии, применяемой на значительном расстоянии от места расположения гидросиловой установки, тогда возникает необходимость преобразования энергии в электричество, в каковой форме ее наиболее удобно передавать из одного места в другое. Для этого требуется электрогенератор (динамо-машина), приводимый в движение водяным колесом, и линия электропередачи, предпочтительно из медного или алюминиевого провода, для доставки тока к месту потребления. Чтобы преобразовать ток обратно в механическую энергию на конце линии электропередачи, где она будет использоваться, необходимо подать ток на электродвигатель, вал которого начинает вращаться под действием электрического тока. Затем этот двигатель может быть соединен напрямую либо с помощью ремня, шестерен или цепной передачи с приводимой в движение машиной.
Следует иметь в виду, что на каждом из этих этапов — при переходе от водяной энергии к электрическому току, при передаче тока по проводам, при его обратном преобразовании в механическую силу и при передаче этой энергии от двигателя к машине с силовым приводом — происходят потери энергии. Эти потери существенно различаются в разных случаях. Предположим для наглядности, что водяная энергия, теоретическая мощность которой составляет десять лошадиных сил, требуется для привода силовой машины на расстоянии, тогда КПД и потери будут выглядеть примерно следующим образом:
Waterwheel, efficiency 80%, Loss 20%, generates 8.0 horsepower.
Connections, “ 95%, “ 5%, transfers 7.6 “
Dynamo, “ 90%, “ 10%, generates 6.8 “
Transmission, “ 90%, “ 10%, transmits 6.2 “
Motor, “ 90%, “ 10%, develops 5.5 “
Connections, “ 95%, “ 5%, delivers 5.0 “
Следовательно, на приводимую в движение машину будет реально передано лишь пять лошадиных сил. Это составляет всего половину теоретической мощности падающей воды, которая фактически реализуется в полезной работе управляемой машины. Если энергия от водяного колеса применяется напрямую без генерации электричества, будет достигнут значительно более высокий коэффициент полезного действия.
БЛАГОДАРНОСТЬ
От имени Государственной комиссии по водоснабжению и автора выражается искренняя благодарность следующим лицам, оказавшим мне любезность предоставлением информации или иллюстраций для использования при подготовке этой брошюры:
Мистер Э. Бардетт Майнер, Орискани-Фолс, шт. Нью-Йорк
Мистер Р. К. Майнер, Литл-Фолс, шт. Нью-Йорк
Мистер Джаред Ван Вагенен-младший, Лоуренсвилл, шт. Нью-Йорк
Мистер Джон Т. Макдональд, Дели, шт. Нью-Йорк
Мистер Эдвард Р. Тейлор, Пенн-Ян, шт. Нью-Йорк
Мистер Джон Листон, компания «General Electric», Скенектади, шт. Нью-Йорк
Мистер Р. Э. Стрикленд, компания «General Electric», Скенектади, шт. Нью-Йорк
Мистер Стивен Лойнс, Бруклин, шт. Нью-Йорк
Мистер Джордж Э. Данэм, Ютика, шт. Нью-Йорк
Компания «Pelton Water Wheel Company», Нью-Йорк и Сан-Франциско.
Компания «James Leffel & Company», Спрингфилд, штат Огайо.
Д. Ф. КУПЕР.
Олбани, 25 января 1911 г.
ПУБЛИКАЦИИ
КОМИССИИ ПО ВОДОСНАБЖЕНИЮ ШТАТА
ШТАТ НЬЮ-ЙОРК
ОТЧЕТЫ
First Annual Report Published February 1, 1906.
Включает ежегодный отчет Комиссии по заявкам на утверждение планов общественного водоснабжения; а также обобщенную статистику общественного водоснабжения и удаления сточных вод в штате Нью-Йорк.
Edition exhausted.
Second Annual Report Published February 1, 1907.
Включает ежегодный отчет Комиссии и решения по заявкам на утверждение планов общественного водоснабжения; а также обобщенную статистику общественного водоснабжения и удаления сточных вод в штате Нью-Йорк, дополняющую статистику, опубликованную в Первом ежегодном отчете; а также отчет по улучшению рек в интересах общественного здравоохранения и безопасности.
Edition exhausted.
Third Annual Report Published February 1, 1908.
Включает ежегодный отчет Комиссии и решения по заявкам на утверждение планов общественного водоснабжения; а также отчет по улучшению рек в интересах общественного здравоохранения и безопасности; также содержит первый отчет о ходе работ Комиссии по исследованиям водяной энергии и хранения воды, выполненным в соответствии с главой 569 Законов 1907 года, включая подробности исследований рек Сакандага и Дженеси.
Edition exhausted.
Progress Report on Water Power Development Published March 1, 1908.
Это пересмотренное переиздание части регулярного Третьего ежегодного отчета Комиссии, касающейся исследований водяной энергии и хранения воды, с результатами инженерных изысканий на дату публикации.
Fourth Annual Report Published February 1, 1909.
Включает ежегодный отчет Комиссии и решения по заявкам на утверждение планов общественного водоснабжения; а также отчет по улучшению рек в интересах общественного здравоохранения и безопасности; также содержит второй отчет о ходе работ Комиссии по исследованиям водяной энергии и хранения воды с особыми подробностями исследований рек Ракет и Делавер и дополнительными исследованиями по Верхнему Гудзону и Дженеси, а также перепись гидросиловых установок в штате.
Fifth Annual Report Published February 1, 1910.
Включает ежегодный отчет Комиссии и решения по заявкам на утверждение планов общественного водоснабжения; а также обобщенную статистику, касающуюся общественного водоснабжения, утвержденного Комиссией в штате Нью-Йорк; а также отчет по улучшению рек в интересах общественного здравоохранения и безопасности; также содержит третий отчет о ходе работ Комиссии по исследованиям водяной энергии и хранения воды с подробностями рекогносцировочных исследований рек Осейбл, Саранак, Блэк, Освегатчи и других, а также проект предлагаемого Закона о хранении воды.
Sixth Annual Report Published February 1, 1911.
Включает ежегодный отчет Комиссии и решения по заявкам на утверждение планов общественного водоснабжения; а также отчет по улучшению рек в интересах общественного здравоохранения и безопасности; также содержит четвертый отчет о ходе работ Комиссии по исследованиям водяной энергии и хранения воды с подробностями исследований водосборов рек Блэк и Освего и пересмотренный проект предлагаемого Закона о хранении воды.
РАЗНОЕ
Pamphlet—“New York State Water Supply Commission” Published September, 1909.
Issued for distribution at State Fair at Syracuse, 1909.
Pamphlet—“New York’s Water Supply and Its Conservation, Distribution and Uses” Published September, 1910.
Issued for distribution at State Fair at Syracuse, 1910.
Pamphlet—“Water Resources of the State of New York” Published September, 1910.
Под авторством Генри Х. Персонса, председателя Комиссии по водоснабжению штата. Выпущено для распространения на Национальном конгрессе по охране природы в Сент-Поле, штат Миннесота, 1910 г.
Pamphlet—“Water Power for the Farm and Country Home” Published January, 1911.
Под авторством Дэвида Р. Купера, инженера-секретаря Комиссии по водоснабжению штата.
Примечания переписчика:
Иллюстрации были перемещены так, чтобы они не разрывали абзацы и находились рядом с текстом, который они иллюстрируют.
Опечатки были исправлены молчаливо.