Небо над Берлином

Херманн Хоннеф на фоне
модели своего ветряка

Херманн Хоннеф (Hermann Honnef) родился 19 июля 1878 года в городе Бад Хоннеф на самом западе Германии. Работать он начал в конструкторском бюро фирмы мостостроителя Хиглерса (Hilgers). Без отрыва от производства занимался самообразованием, университетов не кончал. В 22 года занял место главного инженера в мостостроительной фирме Флендера (Brückenbau Flender). В 1907 году основал собственную инженерно-строительную фирму в Лотарингии. После Первой мировой войны Лотарингия отошла ко Франции, тогда Хоннеф на базе заброшенного аэродрома в Баден-Вюртенберге создал новую фирму; 500 рабочих, 50 инженеров. Строил уникальные инженерные объекты. В 1925 году его фирма построила радиовышку в городе Кёнигс-Вустерхаузен (Königs Wusterhausen). Ферменная металлическая конструкция из трёх мачт общим весом в 700 тонн достигала 243 метров в высоту и должна была быть ещё выше за счёт коротковолновых антенн на своей верхушке, но их установить не удалось из-за ограничений, наложенных Версальским договором. Башня получила прозвище "Толстяк" (Der Dicke) и была настолько популярна, что её изображение стало гербом города Кёнигс-Вустерхаузен (город расположен неподалёку от Берлина и входил в советскую оккупационную зону). По иронии судьбы, башня была разрушена ветром в 1972 году. В 1931 году фирма Хоннефа обанкротилась, сам он переехал в Берлин. Тут-то и началась его новая жизнь, целиком связанная с ветром.

Страница из журнала
Everyday Science and Mechanics

"Ветер у поверхности Земли, как известно, неустойчивый, но последние исследования показывают, что на высоте тысячи и более футов над землёй (300 м) ветер сравнительно ровный и непрерывный. Это известие придало новую жизнь надежде найти устойчивый источник природной энергии, куда более общедоступный, чем энергия воды. Конструкции на этих иллюстрациях были подготовлены немецким инженером Хоннефом, воздвигшим несколько гигантских радиовышек. Как здесь показано, конструкция, несущая электростанцию, могла бы стать выше любого когда-либо воздвигнутого строения.
Изыскания, проведённые в Германии, показывают, что  скорости ветра в 22 мили в час (10 м/с) практически постоянны (с небольшими вариациями) на указанной высоте. Для их утилизации вместо маленьких ветряных колёс предполагается возвести на каждой башне ветряной турбины по три мощных колеса, каждое 530 футов в диаметре (162 м). Общий вес так сбалансирован на опорных подшипниках, что колёса обращены к ветру, причём угол, под которым колёса встречают поток ветра, зависит от скорости ветра. Если она очень большая, как при шторме, колёса подставляются ветру только своими кромками, если поток воздуха лёгок, то колёса занимают вертикальную позицию, как показано в деталях в нижнем правом углу нашей иллюстрации. Колеса начинают вращаться на ветерке 4 мили в час (2 м/с) и по причине большой инерции будут вертеться ровно.
Метод генерации электричества уникальный. Вместо редуктора, соединяющего большие колёса с генератором, как в предшествующих конструкциях, каждое колесо само по себе представляет огромный электрический генератор. Колёса двойные; статорные и роторные обмотки встроены во внешнее и внутреннее кольцо, соответственно. С выхода запитывается распределительная система, которая имеет необходимые трансформаторы и преобразователи.  Изобретатель планирует использовать линию постоянного тока напряжением 40 кВ. Стоимость каждой установки мощностью 30 тыс. л.с. (22 МВт) оценивается в 1,1 млн. USD, наработка в 130 млн. кВт-ч в год, затраты на поддержание невысокие.
Первая возведённая экспериментальная башня должна быть 665 футов высотой (203 м), иметь 200-футовые колёса (61 м) и располагаться вблизи Берлина". -- так в июне 1932 года живописал американский журнал Everyday Science and Mechanics.

Столь короток был путь Херманна Хоннефа от банкротства к мировой известности. Эти лихие 30-е годы ХХ века. Между прочим, процитированный журнал тоже был только что перелицован после банкротства. Кризис, это другое имя открывающихся возможностей. В Берлине Хоннефу удалось привлечь на свою сторону очень влиятельных лиц. То ли они попали под впечатление от его грандиозных планов, то ли сами решили обаять ими других, либо же и то, и другое вместе, что вероятней всего. Время действительно было безумное, тем более в Германии. Хоннеф фонтанировал идеями, с практикой было сложнее. Ему, как практику, должны были бы быть понятны препятствия, стоящие на пути его гигантомании, но они его не пугали по какой-то причине. Эксперименты продолжались до 1943 года, когда уже было всё. Самый большой экспериментальный ветряк имел 10-метровый ротор. Результаты были более чем скромные. Предложенная им схема двойного ротора оказалась абсолютно неоправданной с экономической, да и со всех прочих точек зрения.Тем не менее, идеи его достойны рассмотрения, более того, в чистом виде некоторые из них вполне здравые. По счастью, от творчества Хоннефа сохранились патенты. Среди них даже один советский -- картинка слева.

Советский патент (заявлен 5 марта 1931 года, опубликован 31 июля 1933 года) описывает главное изобретение Хоннефа в самых общих чертах, поэтому я воздержусь от его рассмотрения, его легко найти в сети и прочесть, если кому нужно. Рассмотрим по отдельности наиболее примечательные идеи Хоннефа, как ветростроителя.

Во-первых, это несколько симметрично расположенных ветряных колёс взамен одного традиционного. В первоначальном варианте ветряка Хоннефа колёс было два больших и одно маленькое вспомогательное, но далее аппетиты росли и число колёс достигло пяти. Идея продуктивная -- можно сэкономить на башне и фундаменте, кроме того, вращающиеся в противоположные стороны колёса компенсируют момент друг друга, поэтому их проще поворачивать к ветру. В 2016 году был построен первый экспериментальный ветряк с двумя ветряными колёсами. Специальная компьютерная система этого ветряка согласует вращение колёс. Вряд ли такая система управления могла бы быть создана в тридцатых годах прошлого века. Без неё же колёса с разной силой давили бы на опору, что привело бы к перекосу в опорном подшипнике с последующим его заклиниванием и разрушением. Потому что ветер переменчивый даже на высоте.

Во-вторых, это колёса на поворотной раме, описанные в американском журнале. Придумка оригинальная, однако очень сырая. Проблема, опять таки, в переменчивости ветра. Сильный ветер уводит раму от вертикального положения (как занавеску), но он может внезапно стихнуть, обычное дело. Тогда рама из наклонного положения вернётся в вертикальное. Причём сделает она это с ускорением свободного падения (почти). Попробуйте наклонить шкаф, а затем внезапно его отпустить. А теперь представьте, что этот шкаф -- буфет с хрустальной посудой. А это так, ведь колёса ветряка Хоннефа -- сложные электро-механические устройства. Тут необходим некий механизм доводчика, который в патенте даже не упомянут. Механизм же этот не может быть простым, учитывая габариты конструкции. Пружинками тут не отделаешься, нужно гидравлическое устройство, наподобие того, что подхватывает и тормозит самолёты, садящиеся на палубу авианосца. Устройство не только сложное, но и весьма массивное. Из всех виданных мною механизмов увода от сильного ветра -- этот самый причудливый и нелепый, несмотря на простоту, да она, как говорится...

Ветряное колесо-генератор. Набор обмоток со
смещённой фазой обеспечивал постоянный ток,
поэтому требование постоянства частоты вращения
 ветряка в схеме Хоннефа отсутствовало.

В-третьих, это генератор, встроенный в ветряное колесо. Такое совмещение вызвано желанием сэкономить на редукторе. Большое колесо вращается медленно, иначе центробежные силы будут слишком велики. Но для электрических генераторов того времени нужна была высокая частота вращения, поэтому использовались редукторы, устройства сложные и капризные, очень не любящие встряску. И теперь расходы на ремонт и замену редукторов составляют основную часть стоимости технического обслуживания ветряков. Разумеется тех, у кого есть редукторы. В наше время проблема создания безредукторных ветряков решена (direct drive), но на иной технической основе. Так что, идея была здравая, но реализация не очень.

Зазор между статорными  и роторными обмотками не должен быть очень большим, и, тем более, нулевым. Малейшее касание ободов привело бы к разрушению генератора, а то и всего колеса. Ремонт же был бы очень проблематичен. Хоннеф темы техобслуживания в своих патентах вообще не касался, вероятно понимая, что его ветряк нерементопригоден, поэтому и "затраты на поддержание невысокие". Авторы патента указывают (колесо было запатентовано отдельно в соавторстве с Хайнрихом Геффкеном (Heinrich Geffcken)), что зазор должен быть в пределах нескольких десятков миллиметров. Диаметр же самого колеса -- более пятидесяти метров. То есть, относительное изменение его формы не должно быть больше, чем 0,1%. Это известная проблема всего турбиностроения, проблема радиального зазора. В частности, она решается введением в зазор истираемых вкладок, но в зазор электрогенератора их нельзя поместить. До Хоннефа ветростроение проблемы радиального зазора не знало. Не знал и сам Хоннеф с соавтором, надо понимать, потому что буквально пару месяцев спустя (ноябрь 1936 года) они инициируют ещё один патент, где зазор между ротором и статором организован иначе. Ротор более не вложен в статор, оба они расположены параллельно на одной оси (как шашлык). Более того, колесо снабжено специальным сервоприводом, который отслеживает величину зазора и при необходимости меняет его, смещая колёса относительно друг друга. Это, наверное, был первый в мире регулируемый зазор. Однако, привод в патенте просто описан словами, не сложней, чем здесь. Тоже понятно почему, проблема была решена стратегически, без тактических деталей. На практике же стальное колесо (а его планировали делать из стали), несомненно деформировалось бы неравномерно. Не надо забывать, что оно ещё уклонялось от ветра. Так что,  регулировать его форму одним мотором не получилось бы. В наше время поддержка формы массивных узлов машин с помощью сервоприводов используется в астрономии, в таких гигантских телескопах как Keck, например. Там достигается точность в нанометры на десятиметровых зеркалах (~0,00000001%). Но телескопы находятся в тепличных условиях, они всего лишь отслеживают вращение небосвода, а оно не очень быстрое (один оборот в сутки). Кроме того, система управляется компьютером и стоит дороже паровоза. Впрочем, схема Хоннефа с обмотками на ободе вполне годная для маленьких ветряных колёс, там можно обойтись фиксированным радиальным зазором. Умельцы делают теперь такие ветряки "для дома, для семьи".

Цикл ветер - электричество - водород - уголь -
топливо - дизель - электричество - потребитель.

В-четвёртых, это система сглаживания неравномерности как работы ветряка, так и потребительской нагрузки, ей посвящён ещё один патент. Часть электричества от ветряка Хоннеф предлагал направлять на производство синтетического дизельного топлива, которое в случае повышенной нагрузки, либо недостаточного ветра приводило бы в действие дизель-генератор. Получать водород из воды первым начал ещё Поль Ла Кур, Хоннеф же предложил направлять электролитический водород в реактор процесса Фишера-Тропша для превращения каменного угля в жидкие углеводороды. Как известно, в Германии того времени месторождения углеводородов не были известны, каменного же угля было много. Поэтому переработке угля в жидкое топливо уделялось очень много внимания, несмотря на низкий КПД этого процесса. В конце WWII, когда Германия оказалась в полной блокаде, всё топливо получали из угля (ветряки в процессе не использовались). В последующем идеи гидратации угля по-прежнему владели умами (в Китае, в частности, где схожая проблема недостатка углеводородов при избытке угля), но процесс, в целом, действительно малоэффективный, поэтому он находился на задворках технического прогресса. По-новому на него взглянули в XXI веке, с появлением переизбытка ветроэлектричества, но теперь в качестве источника углерода рассматривается не каменный уголь, а углекислый газ. До промышленного производства дело пока не дошло, но опытные установки уже существуют. Таким образом, бензин собираются получать непосредственно из воздуха. Не исключено, что со временем такой процесс будет дешевле, чем традиционный цикл геологоразведка - добыча - транспортировка - хранение - нефтеперегонка.

В-пятых, Хоннеф предложил отправлять ветряки в открытое море, где ветер сильней и почти не бывает штилей. Тем самым, он изобрёл морские ветропарки. Предложенная им конструкция морского ветряка заметно отличается от современных (картинка слева), но сам принцип...

Идеи Хоннефа имели большой резонанс по всему миру. В особенности ими были индоктринированны в СССР и США, где под влиянием Хоннефа состоялись собственные проекты гигантских ветряков, с примерно тем же результатом, правда.

Оценили его заслуги и на родине. В 1952 году он получил от правительства ФРГ Командорский крест, став одним из первых его кавалеров, между прочим. Именем Хоннефа названы улицы в двух немецких городах. Так что, на родине его помнят, а вот за рубежом стали забывать, что не совсем справедливо. Всё-таки, жюль-верновский размах его фантазии достоин внимания. Но помимо восхищения от его фантазии, возникают и другие чувства, ведь как ни крути, а Херманн Хоннеф был наглым дилетантом и сыном своего времени, что объясняет забывчивость международного технического сообщества. Тем не менее, справедливость должна торжествовать, чему и посвящён этот пост.

Назад

К оглавлению

Вперёд