Сравнение плотинного и ускорительного способов создания перепада уровней

В общем, с формально-физической точки зрения между традиционным «плотинным» подходом и «бесплотинным» эффектом Трещалова разницы нет. На рисунке наглядно видно, что если на некотором расстоянии до и после гидроагрегата параметры потока будут одинаковы, то и энергия, которую можно отобрать у потока, определяется разницей уровней этих участков Δh'. При этом разница между Δh и Δh' в случае эффекта Трещалова расходуется на переход потока в менее оптимальный режим течения, аналогичный исходным параметрам потока (при ровном дне выход ускоренного потока из оптимального режима и вызванное этим торможение неизбежны из-за гидравлических потерь).

Способы извлечения потенциальной энергии потока. Слева — традиционный, с явным созданием перепада уровней. Справа — с ускорением потока на основе эффекта Трещалова; в зависимости от профиля дна характер струй на участке торможения потока может существенно отличаться от показанного, но это не влияет на конечный результат.

Тем не менее, разницы между этими способами нет лишь с точки зрения «макропараметров» — общих условий на входе и выходе. При более детальном рассмотрении разница есть, и немалая! Вот лишь несколько моментов — и эколого-экономических, и физических.

1. Бесплотинные ГЭС не требуют постройки плотин и позволяют избежать всех связанных с этим огромных затрат и проблем, в том числе экологических. Соответственно, их стоимость и время монтажа меньше в разы, а то и на порядки. Как правило, размеры модулей относительно невелики, а это позволяет большую часть сборочных и испытательных работ выполнять в заводских условиях — непосредственно при их изготовлении.

2. В отличии от плотин, бесплотинные установки принципиально не могут «выжать» из потока всю его энергию, обусловленную перепадом уровней, зато для работы им может быть достаточно перепада в несколько сантиметров, создающего необходимую скорость потока на небольшом участке, скажем, на речном перекате.

3. В силу невысокой стоимости и быстроты монтажа бесплотинные ГЭС могут работать «персонально» — на конкретного потребителя, находящегося тут же, — а нужна ли такому потребителю вся мощность реки? Скорее всего, нет, поэтому такие установки вполне могут использовать лишь часть её русла. Оставшаяся свободная часть может использоваться для судоходства, беспрепятственной миграции рыб и прочих надобностей. Другие потребители, находящиеся ниже или выше по течению, могут получить необходимую им энергию с помощью таких же установок рядом с собой. Таким образом электроснабжение децентрализуется — и никаких многокилометровых ЛЭП, дорогих, с большими потерями и в любой точке подверженных всевозможным неприятным случайностям — от урагана и снегопада до въехавшего в столб пьяного тракториста. Правда, районам с большой плотностью потребителей этот вариант не подойдёт — местных ресурсов просто не хватит, и там не обойтись без «импорта» недостающей энергии из других источников.

4. Создание плотины непременно замедляет течение выше неё — вплоть до практически полной остановки. Это существенно ухудшает экологические условия водоёма, способствует его заболачиванию и омертвлению. Установка с использованием эффекта Трещалова наоборот, ускоряет водный поток, активизируя и аэрируя его.

5. Плотина обязательно перегораживает всё русло, а в случае паводка принимает на себя весь его напор и потому должна обладать огромным запасом прочности. Бесплотинным установкам совсем необязательно перегораживать всё русло, а в случае паводка их элементы могут пропускать бóльшую часть его напора мимо себя — либо подвсплывая, либо оставаясь на дне и пропуская излишки воды поверх себя. То, что в этих случаях режим потока будет отличаться от оптимального, не важно, — в это время мощность потока и так гораздо больше обычной, поэтому неоптимальность параметров даже полезна, так как уменьшается вероятность слишком сильного разгона гидроагрегата!

Работа всплывающей бесплотинной установки в межень (слева) и паводок (справа). Красным цветом показаны рабочие входное и выходное сечения установки.

Физическая сущность эффекта

И всё же вернёмся к физической сути эффекта. Посмотрите на эту фотографию, которая, как мне кажется, демонстрирует её предельно наглядно.

Эффект Трещалова в природе. Скорость исходного потока можно оценить в 1.5–2 м/с, а перепад уровней — в 2–3 десятка сантиметров. Очень подходящие условия для проявления эффекта!

Поток воды вырывается из-за скалы и падает в отгороженное ею пространство. При этом он ускоряется и создаёт динамически поддерживаемый перепад уровней. После набора скорости во время падения он попадает в зону торможения, отмеченную линией бурунов. Здесь его скорость падает, а уровень несколько повышается — часть набранной им кинетической энергии снова возвращается в потенциальную форму.

Следует обратить внимание на то обстоятельство, что, поскольку «излишняя» энергия здесь не отбирается, поток оказывается «переразогнанным» и срывается в бурный режим раньше времени, а «излишняя» энергия тратится на формирование пены и брызг. Если же задаться целью отобрать у потока эту энергию, то делать это следует на «спуске» потока, пока его течение ещё остаётся в достаточной степени спокойным и монолитным — то есть от линии начала снижения до линии начала торможения.

Как ускорить поток

Ключевой вопрос — как добиться ускорения потока? Универсальный ответ — сузить его сечение. Но сужать сечение надо определённым образом. Чтобы использовать эффект Трещалова, необходимо уменьшать не ширину, а именно глубину потока, то есть переводить его потенциальную энергию в кинетическую! Сделать это можно различными способами, например, установив пассивную преграду поперёк всего русла вверху, внизу или посередине толщи потока.

Ускорение потока ограничением его сечения по всей ширине русла. Цветом отмечены зоны, где отбор «лишней» энергии представляется наиболее эффективным.

С виду всё элементарно, однако это только с виду. На самом деле здесь требуется точный расчёт и изменение высоты преград в зависимости от текущего расхода, иначе «плотинный» эффект такого ускорителя превысит «разгонный». Варианты с участками открытого снижения уровня позволяют использовать там колёса, у которых в воду погружаются лишь одни лопасти, а наиболее уязвимые узлы — ось и подшипники — остаются над водой. Подводный разгонный участок требует применения только винтовых устройств. Кстати, самый первый вариант с препятствием снизу — это аналог практически любого речного переката с лежащим на дне камнем.

Речной перекат — разгон потока над подводным препятствием. Обратите внимание — линия торможения (начало бурунов) везде находится практически на одном уровне, то есть вода там имеет одну и ту же скорость — в этот момент она «переразгоняется» выше оптимальной «критической» скорости. В то же время высота бурунов лишь немного меньше исходного уровня жидкости — в них почти вся дополнительная кинетическая энергия снова возвращается в потенциальную форму.

Однако совсем необязательно перегораживать всё русло, строя такую «недоплотину». Достаточно перекрыть часть потока плоским экраном, даже не достающим до дна, и на его краях мы получим искомый эффект!

Схема одного из вариантов обтекания потоком неподвижного полупогружённого экрана. Стрелки показывают направление струй.

Показанная на рисунке схема является частным случаем, и параметры обтекания такого экрана очень сильно зависят как от скорости потока, так и от глубины погружения экрана. Где здесь можно снимать энергию потока? Прежде всего, конечно, на боковых «склонах», но также и на подъёме потока из-под нижнего края экрана. Обратите внимание на характерный профиль «дна» образовавшейся за экраном «водяной ямы» с поперечными волнами. Это происходит колебательное перераспределение кинетической и потенциальной энергии жидкости, вызванной отклонениями режима течения от оптимальных «критических» параметров. Аналогичные волны образуются за любым движущимся судном, даже безмоторным и вообще не имеющим гребного винта. При идеально организованном отборе энергии на дне «водяной ямы» поперечных волн быть не должно и подъём воды должен быть монотонным. Бурун, возникающий на месте слияния всех струй, также говорит о том, что отобрана не вся «излишняя» энергия — именно эти излишки и обеспечивают в буруне выброс воды вверх. Отбор кинетической энергии потока в точке перед началом этого буруна представляется очень эффективным, поскольку за счёт схождения струй она естественным образом концентрируется именно там — это хорошо видно на рисунке. Тем не менее, нельзя считать, что там концентрируется вся доступная энергия потока — значительная её часть проходит мимо этой точки.

Интересной особенностью системы с полупогружённым экраном, лишь частично перекрывающим поток, является то, что со склонов образовавшейся за экраном «ямы» можно получить гораздо больше энергии, чем вся кинетическая энергия части потока, соответствующей сечению погружённой части экрана. Дело в том, что «яма» заполняется не только и не столько «спереди» (из-под экрана), но и с боков, причём в этом процессе участвует вода, прошедшая мимо экрана на довольно большом расстоянии. Чем выше исходная скорость потока, тем больше его задействованная часть, и тем бóльшую часть энергии всего потока может извлечь гидроагрегат. Таким образом, подобная установка действует аналогично узким лопастям авиационных пропеллеров, площадь которых намного меньше площади омахиваемой ими окружности, однако в рабочих режимах они взаимодействуют практически со всем воздухом, проходящим через это сечение, — хотя по большей части это косвенное взаимодействие!

Возникает закономерный вопрос: если погрузить подобный экран в воду полностью, увеличится ли его эффективность? Ответ будет отрицательным. При небольшой глубине погружения переливающаяся через верхний край жидкость будет дополнительно заполнять «яму» за экраном, слишком сильно ухудшая условия для заполнения с боков. Когда же глубина большая, то за экраном вообще образуется не пустота, а лишь область пониженного давления. Но поскольку жидкость практически несжимаема, толку от этого мало — выравнивание давления сопровождается очень малыми перемещениями жидкости и, в отличии от поверхности, хоть сколько-нибудь заметного ускорения здесь нет. Пустота, которую может заполнить вода, будет образовываться лишь при очень высоких скоростях движения потока, когда возникают условия для кавитации. Однако в реальности природных потоков с такими скоростями не так уж много, нагрузка на экран от скоростного напора в этих условиях будет огромной, зато сам эффект скорее всего пропадёт из-за слишком высокой исходной скорости. Более, того, даже слишком большое заглубление полупогружённого экрана может заметно снизить его эффективность, практически подавив подъём воды из-под нижней кромки и превратив экран из ускорителя в плотину-тормоз!

След за кормой... Здесь хорошо видны поперечные волны. Уходящий в воду плоский срез кормы увеличивает этот эффект. Правда, очень часто геометрия подводной части корпуса судна такова, что уже вблизи кормы поперечные волны подавляются более мощными продольными, образующимися при «схлопывании» «водяной ямы», остающейся за судном, и чем обтекаемей корпус, тем поперечные волны слабее.

Помимо пассивных препятствий и экранов есть и активные способы ускорения потока, когда вода как бы вычёрпывает сама себя. Красивое техническое решение представлено на сайте Г.В.Трещалова.

Схема активного устройства для самоускорения потока.

Другие применения эффекта

Где ещё можно применить этот эффект? Возможно, в ветроэнергетике для концентрации ветра перед ветроколесом и уменьшения диаметра ветроколеса. И хотя ветряк находится на дне воздушного океана, вследствие хорошей сжимаемости воздуха подобные экраны могут быть достаточно эффективны — ведь это, по сути, тот самый «эффект подворотни», когда в роли экрана выступает большое здание, концентрирующее слабые ветра на углах и в сквозных проходах. Впрочем, здесь необходимы расчёты, исследования и эксперименты. Возможно, с экономической точки зрения выгоднее будет всё же простое увеличение диаметра ветроколеса.

Весьма вероятно, что уникальные лесосплавные сооружения Шаубергера со сверхмалым расходом воды тоже работали не столько за счёт «левитативной силы воды», сколько именно за счёт эффекта Трещалова, оптимальным образом сочетая кинетическую и потенциальную энергию потока — недаром Шаубергер тщательно следил за углом наклона русла, избегая слишком крутых спусков и связанного с этим непроизводительного переразгона потока. Но вот в основе работы шаубергеровских энергетических установок (репульсина, «домашнего генератора» и др.) лежат, скорее всего, другие физические явления. Зато его труба для транспортировки руды, возможно, использовала и то, и другое.

Sciteclibrary. ru