Тайны моделей (Морозов) 1955 год - старые учебники

Страницы из истории плотин 145

Борьба с водой 158

Моделирование ветром 171

Победа над пустыней 176

Машины полей 183

ГИГАНТЫ

Стальное сердце 202

Враги турбин 213

Куйбышев — Москва 222

ПОМОЩНИКИ ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ

«Машина будущего» 237

«Думающие» аппараты и приборы .... 250

Под искусственным солнцем 256

Техника защиты человека 264

НЕОБЫКНОВЕННЫЕ МОДЕЛИ

Электропривод и «лифты» для рыб .... 277

Молния в лаборатории 284

Энергия атома 292

СЕГОДНЯ И ЗАВТРА

 Энергию воды часто называют «белым углем», хотя никто не видел воды белого цвета. Только низвергаясь с высоты, налетая на какое-нибудь препятствие, — словом, совершая работу, вода вскипает белою пеной. Это и натолкнуло на мысль назвать энергию РОДЫ «белым углем».

«Белый уголь» — самый дешевый, но «водяных лошадей», дающих его, нелегко запрячь, чтобы постоянно держать их в узде и управлять их энергией. Вырвавшись из плена гидротехнических сооружений, вода наносит сокрушительные удары. Энергия, развиваемая при этом, достигает колоссальных величин.

Например, на каждый метр водосливного фронта одной высокогорной плотины по расчетам инженеров приходилось 6 400 лошадиных сил: в этом случае вода низвергалась с высоты 100 метров. Погасить эти разрушительные силы или сделать их безопасными очень нелегко. Но пленить «диких водяных лошадей» — такая заманчивая задача, что приходится преодолевать многие трудности.

Тысячи лет в реке, бурля и пенясь, мчалась вода, бесполезно расходуя силы. Теперь соорудили гидростанцию, и машины словно черпают из воды бесплатную неистощимую энергию.

Каждое колесо куйбышевских турбин рассчитано для действия в потоке, равном 600 кубическим метрам в секунду. Что же дает один кубический метр воды? Падая с высоты, например, в 12,5 метра, он, вращая колесо турбины, соединенной с электрогенератором, вырабатывает количество электрического тока достаточное, чтобы накалить 1 000 стоваттных ламп или дать энергию для 20 станков, обрабатывающих металл. Энергии кубометра воды, каждую секунду падающего с высоты 12,5 метра, хватит и для работы трех электротракторов.

Не вся вода, задержанная плотиной, совершает полезную работу. Часть потока приходится сбрасывать через гребень плотины, минуя турбины. Такой «водопад» на Цимлянской плотине на каждом метре ее длины дает энергию — разрушительную — до 12 тысяч лошадиных сил.

Чудовищный водяной кулак, бьющий по грунту ниже плотины, представляет угрозу целости всего сооружения. Надо обязательно заставить разжаться этот кулак, чтобы его распрямленные пальцы — струи — потеряли большую часть своей силы. Выбор наилучшего способа гашения энергии падающей воды требует множества предварительных экспериментов, испытания всевозможных моделей.

Еще при создании Днепрогэса была организована специальная лаборатория, изучавшая, как будут работать устройства, предложенные конструкторами для защиты всего сооружения от разрушительных ударов воды, как громадная Днепровская плотина повлияет на судоходство по реке.

В этой лаборатории построили модель Днепрогэса очень больших размеров. Длина ее была около> 18 метров, а ширина около 5 метров. Модель воспроизводила основные сооружения натуры и позволяла исследовать скорости потока воды в определенных точках. Открывая отверстия в модели плотины, подобные отверстиям в настоящей плотине, инженеры наблюдали, как бурно стекающая вода образует водовороты в нижнем течении, как раскачиваются и прибиваются к берегу флотилии судов-моделей.

Чтобы днепровская вода ниже плотины не разрушала дна, строители должны были воздвигнуть струенаправляющие валы-дамбы. На модели Днепрогэса долго изучалось действие дамб, отыскивался способ их наилучшего расположения. Испытания этой модели не только очень помогли проектировщикам и строителям Днепрогэса, но и явились важным этапом в развитии советского моделирования крупных гидротехнических сооружений.

А как модели Днепрогэса послужили для самого строительства, пожалуй, лучше всего доказано прочностью гидроузла, когда за его уничтожение взялись руки специалистов по разрушению. Много трудов приложили гитлеровские военные инженеры, чтобы навсегда вывести Днепрогэс из строя. Но это им не удалось.

Основные сооружения, даже подвергшиеся действию сильнейших взрывчатых веществ, устояли, и Днепровская гидроэлектростанция была восстановлена советским народом в предельно короткий срок.

Сброс воды через отверстия в плотине — это своего рода «кровопускание»: мера нелегкая, но совершенно необходимая, иначе может возникнуть огромный избыток давления на плотину, да и будет мелеть река ниже плотины, так как воды, пропускаемой через турбинные камеры, недостаточно для сохранения нормального уровня реки.

Слой воды, льющийся через железобетонную Цимлянскую плотину, достигает 9 метров при высоте падения в 25 метров. Огромное значение имеет профиль части плотины, через которую сливается вода. Поток должен всюду как можно плотнее прилегать к поверхности плотины. Если вода где-либо оторвется от тела плотины, между ними образуется пустота, вакуум. При этом отрыве воды от плотины будут увлекаться и частицы бетона. Начнется разрушение поверхности плотины. Кроме того, резкие толчки, сопровождающие образование пустот на водосливе, сотрясают всю плотину, угрожают ее целости.

Бетонная часть плотины, где происходит сброс воды,— одно из самых дорогих гидротехнических сооружений. Поэтому советские специалисты всячески стараются уменьшить длину водосливной плотины. В подводной части между турбинами устраиваются водосбросные отверстия и через них пропускается паводковая вода. Благодаря этому размеры самого водослива очень уменьшаются.

Длина водосливной плотины Каховской ГЭС сократилась против первоначальной проектной, потому что решено было применить водосбросы в нижнем блоке, между турбинами в бетонном массиве, который раньше вообще использовался как конструкция недостаточно. Гидротехники теперь заставляют его работать с большей нагрузкой.

Им приходит идея и вовсе отказаться от водосливной плотины. Это дает огромную экономию и материалов и труда. Надо сделать только более крупные отверстия

в нижнем блоке плотины, чтобы через них можно было пропускать все необходимое количество паводковой воды. Но как это отразится на всей напряженной жизни гидроузла?

Смелые новаторские приемы требуют не только расчетов, но и многих опытов на моделях, так как математический анализ не всегда может дать ответ.

Кафедра использования водной энергии Московского института инженеров водного хозяйства имени В. Р. Вильямса произвела интересные и важные испытания моделей плотины с водосбросами, расположенными в нижнем блоке. Для наблюдения за тем, что совершается в водосбросах, модели этих сооружений изготовили из плексигласа. В лаборатории были созданы прозрачные водосбросы двадцати различных форм, и, определяя их пропускную способность, полностью направляя через них паводковые воды, ученым на модели удалось установить важные особенности плотин нового типа.

Чтобы занесенный над плотиной гигантский водяной кулак, обрушивающийся со всей сосредоточенной силой на дно, не повредил грунта, его необходимо покрывать бетонной броней длиною 150—200 метров. Часть этой брони составляет водобой — массивная бетонная плита толщиною от 1 до 5 метров с различными выступами — гасителями энергии — и водобойной стенкой в конце.

Удар воды первыми встречают рассекатели — железобетонные «клыки» высотою в 2,5 метра. Опыты на моделях показали, как лучше всего расположить сорок восемь рассекателей, направляющих «разрезанные» потоки воды на водобойную железобетонную стенку.

«Клыки»-рассекатели разжимают водяные пальцы кулака, обрушивающегося на дно, заставляют их тратить энергию на удары друг о друга. Еще дальше находится возвышение, называемое водобойной стенкой. О нее ударяются уже распрямленные «пальцы» — струи воды. Стенка заставляет их подняться вверх и столкнуться с верхними слоями воды.

Так гасится энергия воды, сливающейся через плотину Цимлянского моря в виде массы с почти единым

Тайны моделей

направлением сил, но разбиваемых системой защиты на отдельные части, действующие друг против друга. Свою последнюю энергию поток отдает глубокому ковшу, устроенному за плотиной.

Скорость воды, падающей через гребень Цимлянской плотины, достигает 20 метров в секунду. При такой скорости вода могла бы размыть песок на глубину нескольких десятков метров. Но, пройдя все «ловушки», устроенные гидротехниками на пути, поток воды уже течет со скоростью, не достигающей и одного метра в секунду. Водопад, недавно способный разрушить скалу, превращается в тихую реку, оставляющую в покое даже песчинки на дне.

И все же дно реки за водобоем требует защиты. К водобою присоединяется рисберма — ряд бетонных плит. Вода за плотиной совершает настолько сложный путь, что теоретически ее движение до сих пор всесторонне не изучено. Например, в теории нет ответа на вопрос, какой длины должна быть рисберма.

Проблема эта решается на моделях, часто очень больших. Вода за водосливом делает в речном грунте воронки. В одной гидравлической лаборатории проведено было много исследований на моделях, чтобы определить, как длина рисбермы действует на воронку в грунте, ниже водосливной плотины. Воронка, словно высверливаемая гигантским буравом в дне реки, удаляется или приближается к сооружению в зависимости от типа защитных устройств, их числа, способа размещения.

Опыты этой гидравлической лаборатории показали, что при длине рисбермы в 73,5, 65 и 40 метров наибольшая глубина воронки достигает 17 метров, и эта глубина погружения «водяного бурава» в грунт остается неизменной, но воронка удаляется от плотины тем дальше, чем длиннее рисберма. Таким образом, рисберму приходится делать очень длинной. На нее и на водобой иногда тратится почти такое же количество бетона, как и на тело плотины.

Выбор типа гасителей энергии падающей воды — одна из важнейших задач исследователя. Многое здесь подсказывает инженеру теория, но самые тщательные

расчеты иногда не оправдываются при испытании сооружения на практике, на модели.

Вот в большой модели вода с силой ударяется о гасители зубчатой формы. Струи, несшие вперед значительную разрушительную энергию, отклоняются почти под прямым углом к поверхности. Здесь происходит столкновение потоков воды и взаимное гашение их энергии.

Скорость воды у дна уменьшается гасителями примерно на 50 процентов. Но теория не могла предусмотреть, что будет происходить с различными предметами и льдом, плывущими в реке. Модель же показывает, как за плотиной стремительно ныряют искусственные обломки, куски льда. Они ударяются о гасители, движутся в обратном направлении, к плотине. Их скорость так велика, что удар этих «утопленников» о сооружения становится опасным — ведь таких ударов, следующих друг за другом, будет множество. И гаситель, допускающий подобные явления, после тщательного исследования получает неудовлетворительную оценку.

Говорят, что вода, даже кристально чистая, —самое грязное вещество на свете. Этим хотят подчеркнуть чрезвычайную сложность явлений в воде, трудность изучения запутанных физических процессов в ней при различных условиях.

Опыты на моделях гидротехнических сооружений открывают глазам исследователей такие подробности давно известных явлений, о которых раньше никто и не подозревал.

У всех гидротехнических сооружений, у берегов каналов и рек дно размывается вследствие того, что поток встречает препятствие. Но как движется часть жидкости, наиболее виновная в этом размывании?

Исследования на моделях установили сложный механизм движения воды после удара о препятствие, например о плотину. Ток жидкости здесь направляется круто вниз. И скорость этой воды, падающей, как гигантское тонкое лезвие, на даже, во много раз больше скорости, с которой вода набегает на препятствие. Поэтому в месте удара такого тока о дно грунт размывается. Этот разрушающий слой воды настолько тонок, что его не удавалось обнаружить обычными способами измерений, применяемых в гидротехнике.

Размыв грунта всегда совершается у самого основания плотины. Слой воды, с наибольшей энергией после удара о плотину опускающийся на дно, встречает на своем пути другие слои воды, которые еще только подходят к плотине. При их столкновении энергия нисходящего потока воды гасится почти вся, и только тонкий слой у самой плотины успевает прорваться и нанести удар по дну.

Модели, на которых были открыты эти разрушительные «микрослои» воды, помогли отыскать и средство борьбы с ними. Оно оказалось нехитрым, так как проще Всего предоставить гашение энергии воды самой же воде.

На определенном расстоянии от плотины скорость нисходящего тока воды равна нулю. Значит, укреплять дно реки у плотины, учитывая действие «водяной бритвы», надо только до этой границы, где побеждает вода, бегущая к плотине.

Во всей борьбе с водою инженерам важно наблюдать за скоростью и за направлением водяных струй, наталкивающихся на то или иное препятствие в моделях. Есть много различных способов делать зримым неуловимый для глаз бег отдельных слоев воды. Можно пользоваться поплавками, держащимися на поверхности, ярко окрашенными шариками с таким удельным весом, чтобы они плыли на разной глубине. Иногда к проволокам, натянутым поперек потока, привязывают короткие нити, и они вытягиваются в разные стороны, как донные травы, увлекаемые течением. Сильные красители, вылитые в воду, тоже помогают улавливать направление струй. В местах водоворотов быстрота смешивания краски с водой позволяет судить о скорости движения водяных вихрей.

В лабораториях Гидропроекта для изучения способов гашения энергии воды была устроена большая модель Куйбышевской водосливной плотины. Здесь все по-настоящему: с глухим монотонным шумом падает вода, сердито пенится, покрывается валами