ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ – основной объект гидроэлектроэнергетики. Она представляет собой неразрывную систему гидротехнических сооружений и оборудования для получения электрической энергии из энергии воды. Здесь  показана история развития тех её частей, без которых существование самой станции было бы невозможным.

1. ПЛОТИНЫ:

Плотина - важнейшее гидротехническое сооружение. Строится она поперек реки от берега до берега и перекрывает русло реки (ручья), что препятствует свободному стоку ее вод. Перегородив реку, плотина с одной своей стороны удерживает воду на более высоком уровне, чем с другой, создавая перепад в уровнях и увеличивая тем самым ее энергию. Ведь энергия падающей воды намного больше, чем энергия спокойно текущей воды.

Самые древние плотины были обнаружены в Иерусалиме и в Иордании. Эти земляные дамбы с каменной облицовкой построили еще в 3200 году до нашей эры.

Река Магреб. Йемен.

Около 2950-2750 до нашей эры, древние египтяне построили первые известные  когда –либо существовавшие плотины. Назывались они Сад ель Кафара, что по-арабски означает «Плотина язычников». Высота плотины составляла 37 футов,  а ширина составляла 348 футов по гребню и 265 футов у основания. Сделаны они были из каменной кладки, что позволяло им сдерживать напор воды за счет собственного веса . Однако плотина рухнула из-за переполнения водохранилища. Это были первые гравитационные плотины.

Следом за ними появились земляные плотины Дэм Нимрода в Месопотамии около 2000 до н. э.. Дэм Нимрод был построен к северу от Багдада через Тигр и был использован для предотвращения эрозии и снижения угрозы затопления. Основной целью здесь было  отвести течение реки и помочь орошению сельскохозяйственных культур.

Хеврон — один из древнейших городов мира, 1300 год до н. э. Ручей Хеврон огибающий городище с северо-запада перекрывали плотиной, от плотины прорывали подземный канал, который наполнял водой эти подземные водохранилища.

       Около 100 до н.э. Римляне стали первой цивилизацией, которая  использовала бетон и раствор в своих гравитационных плотинах.  Среди развалин Плотины Понте ди Сан Мауро, например,  имеется большой блок бетона.

Большие размеры и огромное количество строительных материалов для создания такого рода плотин способствовало изобретению арочных плотин. Арочная плотина зависит от формы, требует меньше материала и  относительно тонкая. Первая известная арочная плотина Кебар была построена около 1280 н.э. во времена существования татаро-монгол. 

С 16 века начинается строительство арочных плотин в средневековой Европе: Испании  и Италии. Строительство ирригационных систем и плотин пришло в Испанию, по всей видимости, с мусульманского Востока вместе с арабской экспансией в Европу. Первое письменное упоминание о старейшей арочной плотине Альманца Испании из каменной кладки относится к 1586 году. Специалисты считают, что плотина Альманца была возведена на 200 лет раньше первого письменного упоминания. При высоте 16 м плотина Альманца имела относительно большую, почти постоянную толщину 12 м. это свидетельствует о том, что строители плотины Альманца еще не представляли возможностей арочной конструкции. Вторая старейшая арочная плотина Испании Елче была «более изящной». При высоте 23 м она имела переменную толщину от 9 м на гребне (верх плотины) до 12 м у подошвы (место опирания плотины на своё основание).

Высочайшая древняя плотина Испании Аликанте была построена в 1580-1594 гг. и представляла собой гравитационную (сопротивляющуюся сдвигу собственным весом) стенку из каменной кладки трапецеидального сечения. Максимальная высота плотины 42 м, толщина по гребню 20 м, по подошве 34 м. В 1738 году плотина была реконструирована.

Французский инженер М. де Сазили (1853 г.) произвел расчеты старейших плотин Испании Альманца, Елче, Аликанте на прочность методами сопротивления материалов. Согласно этим расчетам максимальные напряжения сжатия (мера внутренних сил, возникающих в теле под воздействием внешних нагрузок) в Альманца составили 6 кг/см², в Аликанте - 14 кг/см². В современных бетонных плотинах сжимающие напряжения на порядок выше. Например, в плотине Саяно-Шушенской ГЭС они превышают 100 кг/см². (10 МПа).

Сложную историю имеет древнейшая арочная плотина Италии Понте Альто, возведенная в узком ущелье в Доломитовых Альпах. «Первая очередь» этой плотины была запроектирована и построена Франко Рекаматти  в 1534 г., а в 1542 г. была разрушена паводком. В 1550 г. плотина была реконструирована: каменная кладка выполнялась на цементном растворе. Впоследствии плотина неоднократно надстраивалась (1613 г., 1752 г. до высоты 18 м, 1825 г. до высоты 25 м, 1850 г. до высоты 34 м, 1887 г. до высоты 39 м при толщине всего 4,5 м). Даже по современным представлениям эта плотина достаточно стройное и смелое сооружение. При оценке плотин и в настоящее время используются коэффициент стройности (отношение ширины по основанию к высоте плотины) и коэффициент смелости (отношение гидростатического давления к массе или объёму строительного материала). Гидростатическое давление сила воды, действующая на поверхность тела перпендикулярно этой поверхности. Ниже плотины Понте Альто сохранился древний арочный мост из каменной кладки. Соседство плотины и моста иллюстрирует некоторое родство двух конструкций, показывает, что арочная плотина - это свод, «положенный на бок».

В Древнем Риме появляются плотины не только из каменной кладки.

Одной из наиболее интересных римских плотин считается Прозерпина, верховой клин которой (часть обращенная к водохранилищу) - грунтовый, а низовая часть - бетонная стена, облицованная камнем. Длина плотины свыше 400 м, максимальная высота 4,5 м. Бетон - искусственный каменный материал, получаемый из смеси вяжущего материала - цемента с водой и заполнителями (песок, щебень) после формирования смеси и её твердения.

В средние века плотины возводились практически во всех странах Западной Европы. В Италии, во Флоренции, проектированием плотин занимались Леонардо да Винчи, Джеральдо Мечини, в Милане - Доменико Малатеста.

Первая земляная (грунтовая) плотина была построена в 1191 г. во Франции, она разрушилась лишь через 100 лет. Самый крупный гидротехнический комплекс средневековой Франции - канал, соединяющий бассейны рек Средиземного моря и Атлантического океана Гаронны и Ауди, проектировал Леонардо да Винчи, приглашенный для этого в 1516-1519 гг. во Францию. Этот канал длиной более 200 км был построен спустя 150 лет.

На рубеже XVIII и XIX веков (1790-1810 гг.) была построена первая многоарочная плотина Meer Fllum dam высотой 12 м, состоящая из 21 арки радиусом 24 м каждая. В первой половине XIX века появились гравитационные и грунтовые плотины по конструкции близкие к современным.

Бетон, как строительный материал, был известен со времен Древнего Рима. Однако в плотиностроении бетон и железобетон (сочетание бетона и стальных стержней - арматуры) стали широко использоваться с начала ХХ века. Этому предшествовало несколько важных изобретений. Во времена промышленной революции в Англии был изобретен портланд-цемент. Французский садовник Жозеф Менье изобрел в 1867 г. железобетон. Французский инженер Эжен Фрейссине предложил в 1917 г. вибрирование бетона (уплотнение бетонной смеси в момент укладки её в тело плотины). После этого бетон и железобетон стали широко применяться в плотиностроении. Первая чисто бетонная плотина Сан Матео высотой 53 м, длиной 210 м была возведена в Калифорнии для водоснабжения Сан-Франциско в 1887-89 гг.

Россия по климатическим условиям не нуждалась остро в орошении.

Первые сведения о строительстве плотин на Руси для водяных мельниц относятся к XIV веку. Одно из первых письменных упоминаний о них приводится в завещании князя Дмитрия Донского, датированном 1389 годом, в котором говорится о мельницах на реках Яузе и Ходынке. Интенсивное строительство плотин началось в России в восемнадцатом веке, при Петре 1. Плотины сооружались для водоснабжения горно-металлургических, лесопильных, текстильных предприятий. Специалисты насчитывают до 200 плотин, возведенных в ХVIП веке в России под Москвой, Тулой, на Урале, Алтае, в Забайкалье. Среди первых плотин, построенных в России, выделяется Змеиногорская земляная плотина высотой 18 м. В это же время, одновременно с созданием флота, в России начинается строительство судоходных систем, соединивших бассейны разных рек. В XVIII - начале XIX веков сооружаются Тихвинская, Северо-Двинская, Вышневолоцкая и Мариинская (пере строенная в хх веке в Волго-Балтийскую) водные системы.

Первым искусственным водным путем, созданным в России, была Вышневолоцкая система. История ее строительства представляет безусловный интерес и заслуживает более подробного освещения.

История строительства водного пути началась 12 января 1703 года, когда Пётр I подписал указ о строительства канала между реками Цной и Тверцой. Руководство строительством было возложено на царского стольника князя М. П. Гагарина; техническое руководство осуществляли пять голландских мастеров во главе с Адрианом Гаутером. Строительство канала длиной 2811 м и шириной 15 м с двумя шлюзами было закончено весной 1709 года. Сначала канал получил имя Гагаринского (в честь князя М. П. Гагарина), а затем Тверецкого.

Это была первая дорога из Москвы в столицу, и уже после её постройки с 1712 года по указанию Петра I началось строительство столичного тракта между Москвой и Санкт-Петербургом, который взял на себя часть пассажирских и грузовых перевозок того времени.

Уже летом 1709 года стало ясно, что канал построен неправильно: воды для свободного хода судов не хватало. Доводку проекта осуществил инженер-конструктор М. И. Сердюков, также известный как Бароно Имегенов, бурят по национальности. 26 июня 1719 года Пётр I издал указ об отдаче М. И. Сердюкову в содержание Вышневолоцкого судоходного пути. Среди предпринятых Сердюковым мер были починка шлюзов, чистка канала, воды реки Шлины были направлены в Цну. В 1722 году был построен Цнинский канал длиной 1280 м, построен шлюз, что позволило обойти опасный для судоходства рукав реки Цны. На Цне была выстроена плотина.

В 1774 году Вышневолоцкая водная система была выкуплена государством у потомков М. И. Сердюкова. После этого водная система была серьёзно перестроена с целью повышения уровня воды: деревянный бейшлот был заменён гранитным, повышены дамбы и др. Позже, в начале XIX века были построены Мариинская и Тихвинская водные системы, которые стали новыми водными дорогами из центральной России в Санкт-Петербург.

В 1943—1947 годах была осуществлена очередная реконструкция Вышневолоцкой водной системы, в ходе которой был построен пятикилометровый Ново-Тверецкий канал, увеличена до 109 км² площадь водохранилища. Данные изменения были произведены для увеличения обводнения верховьев Волги.

Отражение Богоявленского собора в водах Цнинского канала.

Система использовалась для массового транзитного судоходства до конца XIX века. В 1870 году через водную систему прошло 805 судов, в 1872 — только 406, потом дошло до двух сотен (в начале XIX века ежегодно проходило свыше 4000 судов). К началу 1890-х годов движение по системе к Петербургу прекратилось. Сказалась конкуренция со стороны Николаевской железной дороги и более удобной Мариинской водной системы. В дальнейшем Вышневолоцкая водная система использовалась только для местного движения и сплава леса (в том числе и до Петербурга).

Вышневолоцкая плотина

В настоящее время в Перечень внутренних водных путей России включены два участка Вышневолоцкой водной системы: Вышний Волочёк — плотина на реке Мста (25 км) и Вышний Волочёк — посёлок Здешево (8 км).

2. ТУРБИНА:

Иригация положила начало  многим открытиям, вдальнейшем применявшимся и использовавшимся в строительстве и эксплуатации гидроэлектростанций

Архиме́д (287 до н. э. — 212 до н. э.) — древнегреческий математик, физик, механик и инженер. Сделал множество открытий в геометрии. Заложил основы механики, гидростатики, автор ряда важных изобретений.

Уроженец греческого города Сиракузы на острове Сицилия, Архимед был приближенным управлявшего городом царя Гиерона (и, вероятно, его родственником). Возможно, какое-то время Архимед жил в Александрии – знаменитом научном центре того времени. То, что сообщения о своих открытиях он адресовал математикам, связанным с Александрией, например Эратосфену, подтверждает мнение о том, что Архимед являлся одним из деятельных преемников Евклида, развивавших математические традиции александрийской школы. Вернувшись в Сиракузы, Архимед находился там вплоть до своей гибели при захвате Сиракуз римлянами в 212 до н.э.

Дата рождения Архимеда (287 до н.э.) определяется исходя из свидетельства византийского историка 12 в. Иоанна Цеца, согласно которому он «прожил семьдесят пять лет». Яркие картины его гибели, описанные Ливием, Плутархом и Валерием Максимом, различаются лишь в деталях, но сходятся в том, что Архимеда, занимавшегося в глубокой задумчивости геометрическими построениями, зарубил римский воин. Кроме того, Плутарх сообщает, что Архимед, «как утверждают, завещал родным и друзьям установить на его могиле описанный вокруг шара цилиндр с указанием отношения объема описанного тела к вписанному», что было одним из наиболее славных его открытий. Цицерон, который в 75 до н.э. был на Сицилии, обнаружил выглядывавшее из колючего кустарника надгробие и на нем – шар и цилиндр.

АРХИМЕДОВ ВИНТ представляет собой приспособление для подъема воды снизу вверх. Нижняя часть установленного под наклоном цилиндра располагается в воде. Как правило, он располагается под  углом 45°.  Внутри него помещается спираль в форме самозавинчивающегося винта. При ее вращении — например, с помощью рукояти — вода, набранная в нижней части такого насоса, поднимается к верхней части цилиндра на на высоту до 4 м. Такой подъёмный винт предназначался для орошения прилегающих к Нилу зон и получил в Египте широкое применение.

Римский инженер Ктесибий (греч. Κτησίβιος, годы деятельности 285–222 год до н. э.) — древнегреческий изобретатель и математик, живший в Александрии в Эллинистическом Египте приблизительно в одно время с Героном. Ктесибия считают «отцом пневматики». Он написал первые научные трактаты об упругой силе сжатого воздуха и её использовании в воздушных насосах и других механизмах (даже в пневматическом оружии), заложил основы Пневматики, Гидравлики и Теории упругости воздуха. К числу его изобретений относятся водяные часы, орган, пожарный насос, действовавший по принципу воздушного насоса. Сочинения Ктесибия утрачены, а потому невозможно с определенностью судить о ценности его теоретических построений; вместе с тем ясно, что его практические успехи были основаны на четко продуманных решениях. Положение Ктесибия о материальности воздуха и его способности к сжатию было воспринято его знаменитыми последователями — Афинеем Механиком, Филоном и Геродом. Сильное влияние оказал Ктесибий и на Витрувия.

Ктесибий изобрёл двухцилиндровый поршневой насос, снабженный всасывающими и нагнетательными клапанами, воздушным уравнительным колпаком и рычагом-балансиром для ручного привода.

Поршневой насос. Схема.

Марк Витру́вий Поллион (2\5 1 в.до н.э) — римский архитектор, инженер, теоретик архитектуры. Имя Марк и прозвище (когномен) Поллион являются вероятными, т.к. источником большей доли биографических сведений являются работы самого Витрувия. Вероятно, был рожден как свободный римский гражданин в Кампании. Заполучил архитектурное образование. В ходе гражданской военных действий под руководством Юлия Цезаря принимал участие в постройке армейских машин. Позже, будучи военным инженером, своими силами занимался разработкой и созданием баллист и иных осадных орудий. Посреди воплощённых проектов Витрувия максимально значимыми являются базилика в Фано и конструкции римского акведука. Витрувий к тому же является автором эргономической системы пропорционирования, позже получившей распространение в изобразительном искусстве и архитектуре под именем "Витрувианский житель". Дата смерти Витрувия доподлинно неизвестна, что может свидетельствовать о том, что при проживания его труды не получили широкого признания.

Витрувий первым описал такое замечательное новшество, как водяная мельница. Придумали её в I в. до н.э. В основе механизма — два изобретения александрийских инженеров: водяное колесо (в мельнице оно не поднимает воду, а, наоборот, движется благодаря её течению) и передаточный механизм, состоящий из двух зубчатых колёс (с его помощью вращение колеса передавалось на ось с насаженным на неё мельничным камнем).

Колесо Витрувия

Герон Александрийский (10 — 75 н. э) — древнегреческий математик и механик. Занимался геометрией, механикой, гидростатикой, оптикой. Автор работ, в которых систематически изложил основные достижения античного мира в области прикладной механики. В «Механике» Герон описал 5 простейших машин: рычаг, ворот, клин, винт и блок. Герон был известен и параллелограмм сил. Используя зубчатую передачу, Герон построил прибор для измерения протяжённости дорог, основанный на том же принципе, что и современные таксометры. Автомат Герона для продажи «священной» воды явился прообразом наших автоматов для отпуска жидкостей. Механизмы и автоматы Герона не нашли сколько-нибудь широкого практического применения. Они употреблялись в основном в конструкциях механических игрушек, Исключение составляют только гидравлические машины Герона, при помощи которых были усовершенствованы античные водочерпалки. Изложение основ античной артиллерии Герон дал в трактате «Об изготовлении метательных машин», Математические работы Герона являются энциклопедией античной прикладной математики. В «Метрике» даны правила и формулы для точного и приближённого расчёта различных геометрических фигур, например формула Герона для определения площади треугольника по трём сторонам, правила численного решения квадратных уравнений и приближённого извлечения квадратных и кубических корней. В основном изложение в математических трудах Герона догматично — правила часто не выводятся, а только выясняются на примерах.

В 1814 году было найдено сочинение Герона «О диоптре, в котором изложены правила земельной съемки, фактически основанные на использовании прямоугольных координат.  Здесь же даётся описание диоптра — прибора для измерения углов — прототипа современного теодолита.

Насос Герона.

Насос представлял собой два сообщенных поршневых цилиндра, оборудованных клапанами, из которых поочередно вытеснялась вода. Насос приводился в действие мускульной силой двух человек, которые по очереди нажимали на плечи рычага. Известно, что насосы такого типа впоследствии использовались римлянами для тушения пожаров и отличались высоким качеством изготовления и удивительно точной подгонкой всех деталей. Подобные им насосы вплоть до открытия электричества часто использовались, как и для тушения пожаров, так и во флоте для откачки воды из трюмов при аварии.

Так же, в трактате «Пневматика» Герон описал различные сифоны, хитроумно устроенные сосуды, автоматы, приводимые в движение сжатым воздухом или паром.  Эолипил ( в переводе с греческого "шар бога ветров Эола") представлял собой наглухо запаянный котел с двумя трубками на крышке. На трубках устанавливался вращающийся полый шар, на поверхности которого были установлены два Г-образных патрубка-сопла. В котел через отверстие заливалась вода, отверстие закрывалось пробкой, и котел устанавливался над огнем. Вода вскипала, образовывался пар, который по трубкам поступал в шар и в Г-образные патрубки. При достаточном давлении струи пара, вырываясь из сопел, быстро вращали шар. Построенный современными учеными по чертежам Герона эолипил развивал до 3500 оборотов в минуту!

При сборке эолипила ученые столкнулись с проблемой уплотнения в шарнирных соединениях шара и пароподающих трубок. При большом зазоре шар получал большую степень свободы вращения, но зато пар легко выходил через щели, и его давление быстро падало. Если зазор уменьшали, потеря пара исчезала, но и шар вращался труднее из-за возросшего трения. Нам неизвестно, как Герон решал эту проблему. Возможно, его эолипил вращался не с такой большой скоростью, как современная модель.

К сожалению эолипил не получил должного признания и не был востребован ни в эпоху античности ни позже, хотя и производил огромное впечатление на всех, кто его видел. К этому изобретению относились лишь, как к забавной игрушке. Фактически эолипил Герона является прототипом паровых турбин, появившихся лишь спустя два тысячелетия! Более того, эолипил можно считать одним из первых реактивных двигателей. До открытия принципа реактивного движения остался один шаг: имея перед собой экспериментальную установку, требовалось сформулировать сам принцип. На этот шаг человечество затратило почти 2000 лет. Сложно представить, как бы выглядела история человечества, если бы принцип реактивного движения получил бы распространение 2000 лет назад. Возможно, человечество уже давно бы изучило всю Солнечную систему и добралось до звезд.

Паровой шар Герона — эолипил.

Паровой бойлер

Конструкция представляла собой большую бронзовую емкость, с коаксиально установленным цилиндром, жаровней и трубами для подачи холодной и выведения горячей воды. Бойлер обладал большой экономичностью и обеспечивал быстрый нагрев воды.

Как мы видим, Героном было разработано три очень интересных изобретения: эолипил, поршневой насос и бойлер. Скомпоновав их можно было получить паровую машину. Такая задача, наверняка, была под силу если не самому Герону, то его последователям.

Также он описал автомат для открывания дверей, пожарный насос, различные сифоны, водяной орган, механический театр марионеток и т.д.

Леона́рдо ди сер Пье́ро да Ви́нчи (итал. Leonardo di ser Piero da Vinci,
дата и место рождения: 1

5 апреля 1452, село Анкиано, около городка Винчи, близ Флоренции;  дата и место смерти: мая 1519, замок Кло-Люсэ, близ Амбуаза, Турень, Франция) — великий итальянский художник (живописец, скульптор, архитектор) и учёный (анатом, математик, физик, естествоиспытатель), яркий представитель типа «универсального человека» (лат. homo universale) — идеала итальянского Ренессанса.

Его называли считали алхимиком, волшебником, приспешником дьявола, «итальянским Фаустом и божественным духом».

Он опередил свое время на много  веков. Окруженный легендами ещё при жизни, великий Леонардо — символ безграничных устремлений человеческого разума.
Явив собою идеал ренессансного «универсального человека», Леонардо осмысливался в последующей традиции как личность, наиболее ярко очертившая диапазон творческих исканий эпохи. Являлся основателем искусства Высокого Возрождения.

Будучи главным инженером Герцога, Леонардо да Винчи разрабатывал вопросы гидравлики для использования в сельском хозяйстве и обеспечения энергией машин и мельниц. Он занимался изучением свойств жидкости, хотя уже существовали и работали акведуки, каналы и другие гидравлические сооружения. Таким образом, Леонардо да Винчи пришлось опираться на собственный опыт, наблюдая течение рек, непрерывную изменчивость форм в воде. Это рождало у него аналогии со строением Вселенной и существованием жизни на Земле, что отразилось в его поэтических комментариях к рисункам. Леонардо да Винчи часто использовал деревянные или стеклянные модели каналов, в которых он окрашивал создаваемые потоки воды, отмечал их  маленькими буйками, чтобы удобнее было следить за течением. Результаты этих экспериментов нашли свое практическое применение в решении проблем канализации. Среди его рисунков - порты, затворы и шлюзы с раздвижными дверями(1495 г.). Леонардо да Винчи даже планировал прорыть судоходный канал, отводящий р. Арно, чтобы связать Флоренцию с морем через Прато, Пистойю и Серраваль.

Шлюз со створными воротами, 1826 г.

Ворота для шлюза
Леонардо усовершенствовал систему открытия и закрытия шлюзовых ворот. Он изобрел маленькие шлюзовые ворота с засовом в их основании. Засов позволял впустить то количество воды, которое было необходимо для выравнивания давления по обеим сторонам главных ворот, что облегчало их открытие.

Гидравлическая пила
Поток воды приводил в движение колесо, которое, в свою очередь, двигало вертикальную пилу и тележку со стволом дерева. Таким образом, весь процесс распиливания становился автоматизированным.

Дноуглубительный снаряд
Для очистки каналов Леонардо изобрел драгу, помещаемую между двумя лодками и снабженную четырьмя лопастями. Лопасти приводились в движение рукоятью. По замыслу, собранный со дна ил складывался на плот, укрепленный между двумя лодками. При повороте колеса трос, привязанный к берегу, наматывался на барабан, что автоматически передвигало установку. Ось вращения барабана можно было установить вертикально. Тем самым регулировалась глубина выборки грунта.

Канал со шлюзами
Изобретение Леонардо "Канал со шлюзами" относится к периоду его работы в Ломбардии. По каналу, текущему под уклон, благодаря ряду шлюзов могло осуществляться судоходство. Уровень воды при заходе судна на воду можно было контролировать открытием или закрытием ворот, спускающих или поднимающих воду таким образом, что достигалась необходимая высота воды для прохождения кораблей.

Серравальский тоннель

На рисунке - планы земляных работ Леонардо по прорытию тоннеля в лощине под Серраваллем, около Пистойи.

Проект канала к Средиземному морю

Идея искусственного канала между Флоренцией и Средиземным морем была не нова для флорентийцев. Согласно планам Леонардо, канал изменял русло р. Арно в сторону Прато, Пистойи и Серравалля. Не достигая Пизы, река должна была вновь войти в свое обычное русло. Это создало возможность обильной ирригации региона, а также способоствовало судоходству между Флоренцией и Пизой. Возможность реализовать этот проект возникла во время войны против Пизы в начале XVI в. Многие флорентийцы, включая Маккиавелли, поддерживали этот проект, надеясь таким образом отрезать вражеский город от р. Арно. Под руководством Леонардо, вернувшегося из северной Италии, работы были начаты, но они скоро прекратились как по техническим причинам, так и в силу препятствий, чинимых пизанцами.

Способы поднятия воды
Приспособления, поднимающие воду, были известны еще в Древнем Египте. В  Древней Греции этой разработкой занимался Архимед. В эпоху Возрождения такие устройства стали применяться повсюду. Леонардо нарисовал множество их вариантов, часто улучшая их конструкцию и внешний вид. Спектр применения такой техники варьируется от фонтанов до водоснабжения, от водных игр до осушения болот.

- Водяное колесо:

С древнейших времен люди нуждались в силе, в двигателях, которые помогали бы выкорчевывать деревья, приводили бы в действие приспособления для подачи воды на поля, пахали землю, вращали жернова, мелющие зерно. В странах Древнего Востока, в Египте, Индии, Китае для этой цели уже в 3-м тыс. до н.э. использовались водяное колесо.

Водяные колеса использовались на реках Нил, Евфрат и Янцзы для подъема воды. Древние греки и римляне использовали водяные колеса в качестве  двигателя для привода насосов и мельниц, где выжималось масло. 

Наличие водяных мельниц на северо-востоке и юго-западе древней Руси отмечается в исторических документах, относящихся к XIII веку.

Водяное колесо,  механическое устройство для преобразования энергии падающей воды в энергию вращательного движения с тем, чтобы на оси колеса можно было совершать работу. При подъеме воды на некоторый уровень в ней запасается соответствующая этому уровню потенциальная энергия, поэтому падающая вода может совершать работу.

Водяные  колеса и ветряные мельницы вплоть до XVII века обширно использовались, являясь основными типами двигателей.

Изображение водяного колеса.

• Типы водяных колес.

а. подливное (нижнебойное) водяное колесо, КПД до 35 %;

б. среднебойное, КПД до 75 %;

в. наливное (верхнебойное), КПД до 85 %;

Водяные колеса бывают горизонтальные, применявшиеся в Древнем Риме, и вертикальные.

Различают три основных вида водяного колеса – подливное (нижнебойное), наливное (верхнебойное) и среднебойное; их схемы приведены на рисунке

Подливное колесо – самое древнее, им с незапамятных времен пользовались древние египтяне и персы в своих черпаковых подъемниках воды, которые известны теперь под названием норий. В простейшем водяном колесе на ободе установлены прямые лопатки; нижние лопатки погружаются в водный поток. Течение давит на лопатки, и колесо вращается. Для увеличения отбора энергии из водного источника лопатки колеса стали делать в виде ковшей. Подливные водяные колеса могли работать почти в любых относительно обильных потоках с умеренной скоростью воды, но наиболее эффективны они были в узких протоках.

В потоке с некоторым перепадом уровня воды используют среднебойное или подливное колесо вместе с направляющим аппаратом (желобом с затвором, которыми регулируется набегающий водный поток). Когда высота перепада достигает диаметра колеса или больше него, устанавливают наливное колесо.

При использовании верхнебойных колес вода падала сверху на лопасти (или черпаки), приделанные к ободу колеса, что намного увеличило его мощность. Это колесо можно было устанавливать не только на реках, но и на отводных каналах, применять в разных отраслях промышленности — сукноделии, горнорудном, металлургическом и бумажном производствах.

До эпохи Возрождения применялось множество типов только подливных колес; остальные виды водяных колес привлекли в себе внимание позже.

Сначала водяные колеса изготовлялись полностью деревянными, затем начали делать отдельные части и детали, прежде всего вал, из металла, главным образом железа. Постепенно растет и мощность гидродвигателя за счет увеличения его размеров: диаметра, ширины. Совершенствование гидродвигателя позволило значительно улучшить его технические характеристики: КПД, мощность, срок службы.

С появлением в начале 19 в. гидравлических турбин водяные колеса утратили свое былое значение. Теперь они используются лишь в малых энергетических установках. Самым большим водяным колесом наливного вида является, вероятно, колесо Лэкси (диаметром 22 м), установленное на о.Мэн в Англии.

• Применение водяного колеса.

Для помола и просеивания зерна (водяная мельница).

В ирригации — нории

Для ковки железа (c 1197, Швеция)

В сукновальном деле (с 1223, Германия).

Для изготовления бумаги (с 1238, Испания).

Для распиловки брёвен (не позже 1240)

Для мятья и трепанья льна.

Для привода генератора электрического тока (гидроэлектростанция с н.19 в).

Для обратного превращения энергии в движение.

Широкое распространение водяные мельницы получили в Средневековье, особенно при монастырях. Бенедикт Нурсийский предписывал каждому монастырю обзавестись водяной мельницей.

Водяная мельница в Бельгии, 12 в.

Конструкция пилы дОнекура основанная на использовании движущей силы воды.

Принцип использования движущей силы воды, а так же устройства водяного колеса, легли в основу ряда проектов первых двигателей.

В 1750 году венгр Сегнер, работавший в Геттингенском университете, выдвинул совершенно новую идею водяного двигателя, в котором наряду с напором и весом использовалась еще и сила реакции, создаваемая потоком воды. Вода поступала сверху в сосуд, соединенный с осью, внизу которого располагались крестообразные трубки с загнутыми в одну сторону концами. Вода вытекала через них, и получавшаяся при этом сила реакции действовала во всех четырех трубках в одну и ту же сторону, приводя во вращение все колесо.

Великий немецкий математик Эйлер одним из первых откликнулся на эту новинку, посвятив исследованию колеса Сегнера несколько своих работ. Прежде всего, Эйлер указал на недостатки в конструкции Сегнера, отметив при этом, что невысокий КПД колеса был следствием нерациональных потерь энергии. Далее он писал, что эти потери могут быть значительно снижены. Значительные потери происходили, прежде всего, при входе воды в колесо из-за резкого изменения направления и скорости течения воды (энергия здесь расходовалась на удар). Но их можно было уменьшить, если подводить воду к колесу в направлении вращения со скоростью этого вращения. На выходе так же имелись потери, так как часть энергии уносилась с выходной скоростью воды. В идеале вода должна отдавать колесу всю свою скорость. Для этого Эйлер предлагал заменить горизонтальные водовыпускные трубки трубками криволинейной формы, идущими сверху вниз. Тогда уже не было нужды делать отверстия для выпуска воды сбоку, так как можно было просто оставлять открытым нижний конец замкнутой трубки. Эйлер предсказал, что в будущем гидравлические машины этого нового типа (собственно, речь здесь шла о гидравлической турбине, но самого этого названия еще не было в употреблении) будут иметь две части: неподвижный направляющий аппарат, по прохождению через который вода будет поступать в нижнее вращающееся колесо, являющееся рабочим органом машины. Несмотря на высказанные замечания, Эйлер очень высоко оценил изобретение Сегнера и прозорливо указал, что тот открыл новый путь развития гидравлических двигателей, которому суждено большое будущее.

Однако и колесо Сегнера, и работы Эйлера несколько опередили свое время. Следующие семьдесят лет никто не пытался усовершенствовать колесо Сегнера в соответствии с замечаниями Эйлера. Интерес к ним в первой четверти XIX века возродили работы французского математика Понселе, который предложил особый вид подливных колес новой конструкции. КПД колеса Понселе достигало 70%, что было совершенно недостижимо для других типов водяных двигателей. Изобретение Понселе стало важным шагом на пути к водяной турбине. Для того чтобы этот путь был пройден до конца, де доставало второго элемента турбины, описанного Эйлером – направляющего аппарата.

Впервые направляющий аппарат к водяному колесу применил профессор Бюрден в 1827 году. Он же первый назвал свою машину турбиной (от латинского turbo – быстрое вращение), после чего это определение вошло в обиход. В 1832 году первую практически применимую гидротурбину создал французский инженер Фурнейрон.

КПД турбины Фурнейрона достигал 80%. Созданная им конструкция имела громадное значение для дальнейшей истории турбостроения. Слух об этом удивительным изобретении быстро распространился по всей Европе. Специалисты-инженеры из многих стран в течение нескольких лет приезжали в глухое местечко Шварцвальда, чтобы осматривать работавшую там турбину Фурнейрона как великую достопримечательность. Вскоре турбины стали строить по всему миру.

- Виды турбин:

Реактивная турбина представляла собой усовершенствованное колесо Сегнера. Она имела турбинное колесо, насаженное на вал, с особым образом искривленными лопатками. Это колесо заключало внутри себя или было окружено направляющим аппаратом. Последний представлял из себя неподвижное колесо с направляющими лопатками. Вода устремлялась вниз через направляющий аппарат и турбинное колесо, причем лопатки первого направляли воду на лопатки второго. При выливании вода давила на лопатки и вращала колесо. От вала вращение передавалось дальше к какому-нибудь устройству (например, электрогенератору). Реактивные турбины оказались очень удобны там, где напор воды невелик, но есть возможность создать перепад в 10-15 м. Они получили в XX веке очень широкое распространение. Другим распространенным типом турбин были струйные. Их принципиальное устройство заключалось в том, что струя воды под сильным напором ударяла в лопатки колеса и этим заставляла его вращаться. Сходство струйной турбины с нижнебойным колесом очень велико. Прообразы таких турбин появились еще в средние века, как это можно заключить из некоторых изображений того времени.

Схема реактивной гидротурбины: а — рабочее колесо; б — направляющий аппарат.

Проточная часть реактивных гидротурбин состоит из следующих основных элементов спиральной камеры гидротурбины 1; направляющего аппарата 2, регулирующего расход воды; рабочего колеса 3 и отсасывающей трубы 4, отводящей воду от гидротурбины. Реактивные гидротурбины по направлению потока в рабочем колесе делятся на осевые и радиально-осевые.

- Гидротурбины:  

В 1855 г. американский инженер Дж.Френсис изобрел радиально-осевое рабочее колесо гидротурбины с неповоротными лопастями, а в 1887 г. немецкий инженер Финк предложил направляющий аппарат с поворотными лопатками.

В рабочем колесе турбин  радиально-осевого типа поток  воды сначала движется радиально (от периферии к центру), а затем в осевом направлении (на выход). Применяют при напорах до 600 м. Мощность до 640 МВт.

       В 1884 году американский инженер Пельтон значительно усовершенствовал струйную турбину, создав новую конструкцию рабочего колеса. В этом колесе гладкие лопатки прежней струйной турбины были заменены особенными, им изобретенными, имеющими вид двух соединенных вместе ложек (ковшей). У этой  гидротурбины вода на лопасти рабочего колеса поступала через сопла по касательной к окружности, проходящей через середину ковша. При этом вода, проходя через сопло, формировала струю, летящую с большой скоростью и ударяющую о лопатку турбины, после чего колесо проворачивалось совершая работу.
КПД турбины Пельтона был очень высок и приближался к 85%, поэтому она и получила широчайшее распространение. Сейчас его применяют при напорах свыше 500 м.

В 1920 г. австрийский инженер В. Каплан получил патент на поворотно-лопастную гидротурбину. Поворотно-лопастная гидротурбина имеет двойное регулирование – мощность регулируется одновременным поворотом лопаток направляющего аппарата и рабочего колеса. Применяется при напорах 15-60 м.

3. ГИДРОГЕНЕРАТОР:

Динамо-машина Йедлика

В 1827 венгр Аньош Иштван Йедлик начал экспериментировать с электромагнитными вращающимися устройствами, которые он называл электромагнитные самовращающиеся роторы. Суть его идеи состояла в использовании вместо постоянных магнитов двух противоположно расположенных электромагнитов, которые создавали магнитное поле вокруг ротора.

Динамо-машина стала первым электрическим генератором, способным вырабатывать мощность для промышленности. Работа динамо-машины основана на законах электромагнетизма для преобразования механической энергии в пульсирующий постоянный ток. Постоянный ток вырабатывался благодаря использованию механического коммутатора. Первая динамо-машина была построена Hippolyte Pixii в 1832.

Пройдя ряд менее значимых открытий, динамо-машина стала прообразом, из которого появились дальнейшие изобретения, такие как двигатель постоянного тока, генератор переменного тока, синхронный двигатель, роторный преобразователь.

Динамо-машина состоит из статора, который создает постоянное магнитное поле, и набора вращающихся обмоток, вращающихся в этом поле. На маленьких машинах постоянное магнитное поле могло создаваться с помощью постоянных магнитов, у крупных машин постоянное магнитное поле создается одним или несколькими электромагнитами, обмотки которых обычно называют обмотками возбуждения.

Большие мощные динамо-машины сейчас можно редко где увидеть, из-за большей универсальности использования переменного тока на сетях электропитания и электронных твердотельных преобразователей постоянного тока в переменный. Однако до того, как был открыт переменный ток, огромные динамо-машины, вырабатывающие постоянный ток, были единственной возможностью для выработки электроэнергии. Сейчас динамо-машины являются редкостью.

Диск Фарадея

В 1831—1832 Майкл Фарадей открыл принцип работы электромагнитных генераторов. Принцип, позднее названный законом Фарадея, заключался в том, что разница потенциалов образовывалась между концами проводника, который двигался перпендикулярно магнитному полю. Он также построил первый электромагнитный генератор, названный «диском Фарадея», который являлся униполярным генератором, использовавшим медный диск, вращающийся между полюсами подковообразного магнита. Он вырабатывал небольшое постоянное напряжение и сильный ток.

Конструкция была несовершенна, потому что ток самозамыкался через участки диска, не находившиеся в магнитном поле. Паразитный ток ограничивал мощность, снимаемую с контактных проводов и вызывал бесполезный нагрев медного диска. Позднее в униполярный генераторах удалось решить эту проблему, расположив вокруг диска множество маленьких, распределенных по всему периметру диска, чтобы создать равномерное поле и ток только в одном направлении.

Другой недостаток состоял в том, что выходное напряжение было очень маленьким, потому что образовывался только один виток вокруг магнитного потока. Эксперименты показали, что используя много витков провода в катушке можно получить часто требовавшееся более высокое напряжение. Обмотки из проводов стали основной характерной чертой всех последующих разработок генераторов.

Однако, последние достижения (редкоземельные магниты), сделали возможными униполярные двигатели с магнитом на роторе, и должны внести много усовершенствований в старые конструкции.

В 1888 Михаил Осипович Доливо-Добровольский. построил первый трёхфазный генератор переменного тока с вращающимся магнитным полем мощностью 2,2 квт, предложил асинхронный двигатель трёхфазного переменного тока с ротором из литого железа с насаженным полым медным цилиндром.

      4 . ТРАНСФОРМАТОРЫ:

Явление электромагнитной индукции

В 1821 г. Майкл Фарадей начал заниматься электрическими и магнитными явлениями. Он считал очевидным, что если ток в проводе создает магнитное поле, действующее на магнитную стрелку, если проводник с током движется в магнитном поле, то должно быть верно и обратное – магнитное поле должно создавать ток в проводнике. В течение многих лет Фарадею не удавалось доказать это экспериментально, так как он не понимал, что для возникновения тока важно относительное движение магнита и провода. Однажды почти случайно он заметил, что в момент вхождения магнита в катушку стрелка гальванометра отклоняется. Так был открыт закон электромагнитной индукции. На окончательную его формулировку (1831 г.) потребовалось десять лет напряженных исследований.

Это явление легло в основу действия электрического трансформатора.

Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своём приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока.

В 1836 г. ирландский физик Николас Каллан (1799—1864 гг.) изобрел индукционную катушку. В 1838 г. это изобретение повторил американский изобретатель Чарлз Пейдж, по наибольшую известность получил немецкий механик Генрих Румкорф (1803—1877), именем которого впоследствии стали называть индукционную катушку,   которая сыграла огромную роль в истории техники. Она явилась прообразом трансформатора.

Катушка Румкорфа  состоит из цилиндрической части, с центральным железным стержнем внутри, на которую намотана первичная обмотка из толстой проволоки. Поверх первичной обмотки наматывается несколько тысяч витков вторичной обмотки из очень тонкой проволоки. Первичная обмотка подсоединена к батарее химических элементов и конденсатору. В эту же цепь вводится прерыватель и коммутатор. Назначение прерывателя состоит в быстром попеременном замыкании и размыкании цепи. Результатом этого является то, что при каждом замыкании и размыкании в первичной цепи во вторичной обмотке появляются сильные мгновенные токи: при прерывании — прямого (одинакового направления с током первичной обмотки) и при замыкании обратного.

30 ноября 1876 года, дата получения патента Яблочковым Павлом Николаевичем, считается датой рождения первого трансформатора. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки.

Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон. Он состоял из набранных стальных полос, разделенных между собой изоляционным материалом. На сердечнике установили поочередно «повышающие» и «понижающие» катушки. Однако для передачи электрической энергии переменного тока высокого напряжения было необходимо дальнейшее усовершенствование системы.

Это произошло в 1885 г. Венгерские электротехники Блажи, Дери и Циперновски предложили сразу несколько модификаций устройства – кольцевую, броневую и стержневую.

Авторы решения также ввели в обиход термин «трансформатор». Изобретение уже было оснащено основными элементами, присущими современным однофазным трансформаторам. Так, изобретатели в своей патентной заявке обращали особое внимание комиссии на замкнутый шихтованный сердечник, имевший особое значение для мощных силовых трансформаторов. Кроме того, в результате экспериментов с материалами инженеры нашли оптимальное соотношение меди и  стали в конструкции трансформатора. Эту систему принято считать прототипом современных осветительных систем. Она состояла из 75 параллельно соединенных трансформаторов, подводивших питание к 1067 лампам накаливания Эдисона от генератора переменного тока с напряжением 1350 В.

С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току. В 1889 году Доливо-Добровольский построил электрическую систему, предназначенную для передачи трёхфазного переменного тока напряжением 8500 В, мощностью 220 кВт на расстояние 175 км. Он построил её всего за один год. В этом же году М. О. Доливо-Добровольский изобрел трехфазный трансформатор.  Вначале это был трансформатор с радиальным расположением сердечников. Затем было предложено несколько конструкций так называемых «призматических» трансформаторов, в которых удалось получить более компактную форму магнитопровода.

На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891 г. Доливо-Добровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу трёхфазного тока на расстояние 175 км. Трёхфазный генератор имел мощность 230 КВт при напряжении 95 В.

5. ПЕРВЫЕ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ:

Первая электростанция мощностью всего в несколько киловатт для питания системы освещения завода была сооружена в конце 19 века под руководством бельгийско-французского изобретателя Зеноба Грамма.

В 70-80 гг. XIX в. каждая более или менее солидный завод, дом, или даже улица, имели свой источник электроэнергии.

Первая электростанция (блок-станция) в России была построена на Сормовском машиностроительном заводе для питания осветительных установок в 1876 г.

Первая блок-станция в Петербурге была сооружена в 1879 г. при участии П. Яблочкова для освещения Литейного моста.

В 1879 г. была построена первая электростанция в США в г. Сан-Франциско на 30 кВт.

Первые центральные станции возникли уже в 80-х годах XIX в.

Они были более целесообразны и более экономичны, так как снабжали электричеством сразу много предприятий. В то время массовыми потребителями электроэнергии были источники света – дуговые лампы и лампы накаливания.

Первая в мире центральная станция была пущена в работу в 1882 г. в Нью-Йорке, она имела мощность 500 кВт.

В Москве первая центральная электростанция на 400 кВт (Георгиевская) на угольном топливе была построена в 1888 году.

Первые электростанции Петербурга вначале размещались на баржах, закрепленных у причалов на реках Мойке и Фонтанке в начале 80-х гг. Мощность каждой станции составляла примерно 200 кВт.

Первая паровая турбина на электростанции в России была установлена в Петербурге в 1891 г. Все электростанции вначале работали на постоянном токе, а это ограничивало радиус обслуживания потребителей несколькими сотнями метров, так как потери составляли почти 20 %.

Увеличение радиуса действия электростанций могло быть осуществлено только при переходе электростанций на переменный ток, при котором можно было использовать повышающие трансформаторы.

В 1884 г. была построена электростанция переменного тока в Лондоне.

В России крупная электростанция однофазного переменного тока была построена в 1887 г. в Одессе для освещения театра.

В Царском Селе протяженность электрической сети в 1887 г. составляла 64 км. Царское Село было первым городом в Европе, который был освещен исключительно электричеством.

Крупнейшая в России электростанция однофазного тока на 800 кВт была построена на Васильевском острове в Петербурге в 1894 г. под руководством инженера Н.В. Смирнова.

Применение переменного тока позволило упростить и удешевить электрическую сеть.

Начало современного этапа в развитии электроэнергетики относится к 90-м годам XIX в., когда была решена комплексная энергетическая проблема электропередачи и электропривода – применение трехфазного тока.

Первым в России предприятием с трехфазным электроснабжением был Новороссийский элеватор (1893 г.), строителем электростанции был русский инженер А.Н. Шенснович.

Первая трехфазная установка в Америке была сооружена в Калифорнии на гидроэлектростанции в 1893 г.

С 1897 г. началась электрификация крупных городов России.

В конце 1906 г. были изобретены подвесные изоляторы, что позволило увеличить величину передаваемого напряжения.

Первая гидроэлектростанция была построена в США в городе Эплтон (штат Висконсин). Ее мощность была всего 1 л.с..  Первая же, по-настоящему промышленная ГЭС на Ниагаре (Ниагара Фолс), мощностью 50 тыс. л. с. при напоре 41,2 м,  предназначенная для электроснабжения г. Буффало, заработала в 1890 г. На ней была реализована трехфазная система тока, передача электроэнергии осуществлялась на расстояние 40 км.

Первой электростанцией трехфазного тока была Лаутенская гидроэлектростанция. На ней были установлены два одинаковых трехфазных синхронных генератора. Фазное напряжение при помощи трансформаторов повышалось с 50 до 5000 вольт. Ее электроэнергия использовалась для питания осветительной сети города Хейльбронна, а также ряда небольших заводов и мастерских. Понизительные трансформаторы устанавливались непосредственно у потребителей. Эта первая в мире промышленная установка трехфазного тока была запущена в эксплуатацию в начале 1892 г. Использование энергии вод в этой установке показало возможность использования гидроресурсов, отдаленных от промышленных центров. С тех пор число гидроэлектрических установок все время возрастает.

Первые гидростанции, как правило, возводились на базе построенных ирригационных плотин. По-видимому, первой плотиной в Европе, построенной для ГЭС, была Одерич, высочайшая плотина Германии конца ХIХ века. Длина 151 м, максимальная высота 22 м, толщина 16 м на гребне и 44 м у подошвы. Интересна конструкция этой плотины-сэндвича: три стены из гранитной кладки, верховая, низовая и центральная - ядро; пазухи между стенами заполнены грунтом и мхом.

В конце XIX века ГЭС интенсивно строятся в США, Англии, Германии, Франции. В это время были сооружены: Рейнфельдская гидроэлектростанция (Германия, 1898 г.) мощностью 16 800 кВт при напоре воды 3,2 м, Жонажская (Франция, 1901 г.) мощностью 11 200 л. с. В начале второго десятилетия XX в. были пущены в ход гидроэлектростанции Аугст-Виллен (Германия, 1911 г.) мощностью 44 тыс. л. с, Кеокук (США, 1912 г.) мощностью 180 тыс. л. с. Качество турбинного оборудования было еще недостаточно высоким, КПД колебался в пределах 0,8—0,84. Несовершенными были формы и конструкции гидросооружений, что объясняется недостаточной изученностью вопросов инженерной гидравлики и гидротехники. Поэтому некоторые ГЭС, построенные в эти годы, в последующем подверглись более или менее серьезной реконструкции.
В ХХ веке почти все крупнейшие плотины возводились для получения электроэнергии на гидроэлектростанциях. Строительство ГЭС дало толчок плотиностроению.

В России в эти годы разрабатывается несколько проектов строительства ГЭС. В 1892 г. Н. Н. Бенардос предложил организовать электроснабжение Петербурга путем утилизации энергии Невы на специально построенных электрических станциях (мощностью до 20 000 л. с). В 1893 г. Н. С. Лелявский разработал схему использования гидроэнергии Днепровских порогов. В. Н. Чиколев, пропагандировавший еще в начале 80-х годов XIX в. использование водяных турбин в качестве первичных двигателей электростанций, в 1896 г. совместно с Р. Э. Классоном построил в Петербурге на р. Охта гидроэлектростанцию и линию электропередач трехфазного тока. Также разрабатывались проекты на порогах рек Нарова, Иматра, Волхов (В.Добротворский, 1895-99 гг.)

Строительство ГЭС сдерживали общая техническая отсталость и противодействие владельцев угольных шахт. Однако ряд российских инженеров участвовали в строительстве ГЭС в Европе. Так, русский политэмигрант М.О.Доливо-Добровольский в 1891 г. переоборудовал гидросиловую установку на р. Неккар (Германия) в гидростанцию мощностью 220 кВт с генератором трёхфазного тока и осуществил передачу ее переменным током с напряжением 8500 Вольт на расстояние 170 км во Франкфурт на Майне.

В дореволюционной России гидроэлектростанций было мало. Первой была установка на Охтинском заводе в Петербурге мощностью 350 л. с. (1896 г.). Кроме того, действовали ГЭС «Белый уголь» на р. Подкумок (1903 г.) мощностью 990 л. с, напряжением 8000 В, Гиндукушская ГЭС (1909 г.) на р. Мургаб, мощностью 1 590 л. с. Кроме того, действовали несколько более мелких по мощности (Сашнинская, Аллавердинская, Тургусунская, Сестрорецкая и др.). Общая мощность гидростанций дореволюционной России составляла 8000 кВт.

В 1913 установленная мощность электростанций России составила около 1,1 миллиона кВт. К 1917 году в России было несколько гидростанций установленной мощность в 19 МВт. Самой мощной в то время была Гиндукушская ГЭС - 1,35 МВт.

Существенный вклад в строительство первых ГЭС в Европе внёс выходец из России Габриэль Нарутович. Студент Петербургского университета Нарутович в 1888 г. уехал в Швейцарию на лечение туберкулеза и там остался. По проектам Нарутовича в Европе было построено несколько десятков гидростанций. В их числе ГЭС Мюлленберг на р.Аар (1920 г, 48 тыс. л.с.) в Швейцарии - самая мощная тогда в Европе. Нарутович возглавлял комиссию по зарегулированию р. Рейн. В 1919 г. Нарутович вернулся в Польшу, был министром общественных работ, затем министром иностранных дел. Стал первым президентом независимой Польши.