Фирма вяжет веники

Чертёж StGW 34.
Взят без разрешения из архива
университета Штугарта.

В 1949 году при университете Штутгарта по инициативе Земельного управления бизнесом (Landesgewerbeamt), с участием электростанций, а также производителей электрооборудования и машиностроителей, была организована "Группа исследований энергии ветра" (Studiengesellschaft Windenergie, StGW). Группа должна была проводить научную работу, а ЗУБ обязался её финансировать за счёт бизнеса. В 1965 году группа была распущена с замечательной резолюцией (хранится в архиве университета): „Eine Wirtschaftlichkeit von Windenergieanlagen ist jedoch für deutsche Verhältnisse nicht vorhanden, auch nicht bei einer Fertigung in großen Stückzahlen.“ "Экономическая эффективность ветряных электростанций, однако, в условиях Германии недостижима, даже при их массовом производстве". Экономика экономикой, а наука сама по себе, окупаемой она быть не обязана, так что, хотя у группы не было экономических достижений, зато были замечательные научные результаты, полученные на опытно-экспериментальной установке StGW 34 (34, это диаметр ротора в метрах, несмотря на чертёж слева). Как несложно догадаться, в работе группы принял самое деятельное участие восстановленный в гражданских правах давнишний наш знакомый У. Хюттер.

Установка была построена в 1957 году. Характеристики её в литературе приводятся без привязки к точной дате, что представляется мне опрометчивым. Как пример уже было приведено несоответствие диаметра ротора в названии машины и в её чертеже. Возможно, в названии фигурирует эффективный диаметр, с учётом наклона ротора к вертикали, но, скорее, всё обстояло намного проще; проект и его реализация менялись со временем, ведь это была студенческая работа со всеми вытекающими. Есть и ещё одна причина, почему я ограничусь чертежом. Резолюция не охладила рвения Хюттера, он продолжал мастерить свои поделки, без описания некоторых из них не обойтись в дальнейшем, и это при том, что все они продолжают линию StGW 34. Здесь достаточно будет указать только на те новшества, которые оставили StGW 34 в истории ветроэнергетики.

StGW 34 в натуре.

В сочинениях графа Толстого есть басня о том, как умирающий отец призвал своих многочисленных сыновей и велел им разломать пополам веник. Когда у них ничего из этого не вышло, он посоветовал им развязать веник и переломать каждый прутик по отдельности. Можно ли после этого назвать Льва Николаевича отцом-основателем композитных материалов? Почему бы и нет, для хорошего человека ничего не жалко; всё зависит от того, какую историю мы собираемся написать, ведь композитные материалы стары как мир. Обычно в качестве древнейшего примера их приводят саманные кирпичи, но даже они не были первыми. Уже переход от палеолита к неолиту сопровождался появлением композитов. Новшества в каменных изделиях, так называемые микролиты, указывающие на начало неолита, объясняются тем обстоятельством, что люди стали производить орудия из различных материалов, склеивая их друг с другом в единое целое. В неолите же появляется керамика, тоже пример композита. Если мы записываем историю ветроэнергетики, то нам важно понять где, кем, когда и почему композитные материалы были внедрены в производство ветряков. Если на первые три вопроса есть исчерпывающий и точный ответ, то с последним не всё так ясно, хотя он и определяет первые три.

На предыдущих страницах мы выяснили, что для снижения стоимости электричества из ветра нужно строить ветряки как можно больших размеров. Уже первые опыты в гигантизме показали, что перед строителями встаёт пугающая задача усталости материала, вызванная большими циклическими нагрузками на ветряк со стороны ветра. Путнам своей работой доказал, что сталь для ротора большого ветряка совершенно точно не подходит. Дело не в том, что она непрочная, ещё какая прочная, но она ещё и тяжёлая. Если нам необходимо увеличить прочность стальной лопасти, то мы должны её утолстить, но утолщая её мы увеличиваем также и её массу. В то время как масса лопасти создаёт нагрузку на ось ротора и на всю остальную конструкцию. Мы попадаем в такую ситуацию, когда наши попытки увеличить прочность конструкции только снижают её, потому что нагрузка от массы растёт быстрее, чем увеличивается прочность. Ровно в такую же ситуацию попали авиастроители, когда дерево перестало удовлетворять их запросам, а самым ходовым конструкционным материалом была сталь. Было бы заманчиво использовать её для строительства самолётов, но она, увы, не летала. В качестве аттракциона можно и дирижабль из свинца сделать, как показали "Разрушители мифов", но на практике стальной самолёт очень плох.

Первое время самолёты строили из дерева, как и ветряные мельницы. Потом захотелось большего и конструкцию усилили стальными элементами. Так первый флагман "Аэрофлота", самолёт К-5 (созданный на основе Dornier Komet), имел каркас из стальных труб, обшитый деревом, фанерой, дюралем, полотном. В самолёте использовалась проволока, целлулоид, резина и прочая конопатка, лишь бы снизить вес где только можно. Примерно так же была устроена мельница Гедсера. Затем настала эра "крылатого металла" -- алюминия. Его мы тоже видели у ветростроителей, на мельнице Ножан-лё-Руа. Когда авиастроителей перестал устраивать алюминий, они обратились к титану. Теперь переходят к композитам, но это теперь, а в 50-х годах прошлого века алюминию альтернативы не было.

Откуда Хюттер взял идею использовать композитный материал, а именно армированный пластик, можно прочесть в книге "Крылья из чёрного золота" (Flügel aus „Schwarzem Gold“) доктора Андреаса Хака (Andreas Haka) из университета Штутгарта. Армировать пластик искусственным волокном начали в тридцатых годах прошлого века, и сразу стало ясно, что у такого материала большие перспективы в авиации, но дальше разговоров дело почти не двигалось. Даже импортозамещение не помогало. Мешало несовершенство технологий. После войны разработки в области новейших авиационных материалов в западной оккупационной зоне Германии и вовсе оказались под запретом. Но нашлась лазейка -- исследования материалов продолжились под нейтральными заголовками и нацеленные на отличные от авиации применения. Запрет продержался до 1955 года. В Штутгарте в 1953 году министерством экономики земли Баден-Вюртемберг была организована "Группа вертолётных исследований" (Studiengemeinschaft Hubschrauber, StGH). В 1958 году из группы выделился отдел "Прикладная физика полёта" под руководством партайгеноссе Хюттера. В 1959 году министерство обороны поручило отделу разработку миниатюрного вертолёта, который должен был состоять в основном из пластика. Теперь, если вспомнить в каком году состоялся StGW 34, то несложно понять, зачем он проектировался и почему был так безжалостно брошен.

Хюттер и отлитая им лопасть.

Становятся также понятны некоторые черты, свойственные StGW 34, и появление которых непросто объяснить иначе. Во-первых, лопасти ветряка были сделаны из армированного пластика. Никакой нужды, кроме как испытать новый материал в экстремальных условиях, для этого не было. Куда более доступный дюраль вполне бы подошёл, Романи доказал это на практике. Во-вторых, ротор был сделан двухлопастным, в то время как предыдущий ветряк Хюттера был трёхлопастным. Такой переход привёл к увеличению скорости вращения ротора. Более того, Хюттер намеренно стремился как можно больше увеличить скорость вращения ротора, и утончал лопасти. Некоторые авторы пишут, что тем самым он стремился к совершенству, к повышению эффективности ротора, но ему достаточно было вернуть третью лопасть и получить эффект, недостижимый его увёртками с тонкими лопастями. Не стремился ли он к скоростям вертолётного винта? В-третьих, это башня. Она кургузая, на растяжках, из-за которых ось ротора имеет большой наклон, градусов 15, если не больше. Неужели нельзя было построить нормальную башню? В 1956 году в Штутгарте построили телебашню, прототип Останкинской, а тут-то многого не надо было. Юуль и Романи смогли вертикально ротор поставить, а Хюттеру-то что мешало?

На семинаре НАСА в 1973 году Хюттер оправдывал низкий рост своей башни тем обстоятельством, что скорость ветра растёт с высотой медленно, в степени 1/7, соответственно мощность будет расти в степени 3/7, поэтому целесообразно увеличивать диаметр ротора, мощность от которого зависит квадратично. Увеличивать и то, и другое одновременно он не считал допустимым, надо понимать. Он призывал беречь башню, ведь если разрушится ротор, то башня останется, но если разрушится башня, то не останется ничего. Поэтому, говорил Хюттер, предпочтительным является заветренное расположение ротора, когда возмущения от башни ударяют по ротору, а не наоборот. Вспоминая ветряк на острове Богё, предупредительные меры не выглядят излишними, но тот же ветряк показывает, что меры эти не так страшны и весьма эффективны. Ко времени семинара башня на Богё уже тридцать лет как отстояла и не думала разрушаться, как и теперь, на восьмом десятке.

Но если принять, что устанавливая свой ветряк боком на короткой башне, Хюттер стремился к созданию неоднородной нагрузки на ротор, то тогда всё правильно. Уже только по причине наклона к горизонту и конусности ротора лопасть в верхнем положении испытывает нагрузку на 15% больше, чем в нижнем. Ведь в верхнем положении лопасть перпендикулярна к ветру, а в нижнем она находится под углом к нему в 60 градусов. С учётом высотной неравномерности (у поверхности она особенно велика) разница в нагрузке будет ещё больше. Такое преднамеренное ухудшение условий работы ротора на пустом месте вполне могло бы быть предназначено для моделирования условий, в которых находится винт вертолёта, совершающего маневр.

Всё это напоминает мне немецкий анекдот постверсальского времени. Один рабочий устроился на завод по производству детских колясок. Жена его была беременна, и, вот, поскольку молодая семья была стеснена в средствах, рабочий решил украсть коляску с завода. Коляску он вынес по частям, когда же стал их собирать, то как не пытался, у него все равно вместо коляски получался пулемёт. Не знаю, пригодился ли пулемёт рабочему, но придумка Хюттера сделать лопасть из армированного пластика оказалась востребованной, правда ждать до того времени пришлось много лет, до тех пор пока для появления пластиковых лопастей действительно созрели условия. Додумались ли бы до них без участия Хюттера? У меня нет в том сомнений, хотя, вероятно, чуть позже, чем было на самом деле.

Крепление Хюттера.

Тогда же Хюттер делает ещё одно долгоживущее изобретение, которое до сих пор носит его имя, не вполне заслуженно, кстати. Это изобретение -- крепление пластиковой лопасти к металлической оси турбины. Жёсткое контактное соединение между двумя деталями, сделанными из разнородных материалов, всегда большая проблема. Разные материалы всегда ведут себя хоть немного, но по-разному. Это касается и теплового расширения, и модуля упругости, поэтому такие детали по-разному деформируются, так что контактная поверхность в один момент времени будет отличаться от таковой в другой, что породит напряжения в месте контакта, могущие иметь самые неприятные последствия вплоть до разрушения контакта. В общем-то, это банальность, с которой наверняка почти все сталкивались в быту. Проблемой уже является установление соединения как такового, клей не держит, а сварка невозможна. Механическое же крепление, сшивка, только усиливает напряжения в контактной зоне. В наше время дошло до того, что создана технология 3D-печати, при которой деталь печатается из двух материалов с постепенным изменением концентрации материалов в сплаве, так что один конец детали состоит из одного материала, а другой из другого. Но армированный пластик пока не научились печатать на принтере. Я разумно говорю "пока".

Крепление Хюттера представляет собой фланцевое соединение на шпильках. От обычного оно отличается разве что отсутствием прокладки между фланцами. Прокладку делают из пластичного материала, здесь же один из материалов сам по себе пластик, поэтому он дополнительно выполняет роль прокладки. Хитрость была в том, чтобы правильно ввинтить шпильки в лопасть. Так, как это показано на чертеже Хюттера слева, никто теперь не делает. Решение связать шпильки с армирующим волокном оказалось неудачным. Теперь шпильки вставляют в отверстия в толстых стенках цилиндрического основания лопасти, закрепляя их гайками внутри, помещёнными туда через вспомогательные отверстия. Примерно как на четвёртой минуте этого видео:



Примерно потому, что у каждой фирмы своя технология. Прогресс не стоит на месте. Хотя какие-то вещи остаются неизменными, как лопасть Хюттера.

Как хотел крепить болты Хюттер, я в точности не знаю, патента он не защищал, видимо ещё и потому, что из его затеи ничего хорошего не получилось, а патентовать обычное фланцевое соединение задача не из простых. Судя по рисунку, предполагалось помещать болты в лопасть в процессе изготовления. Каждый болт должна была охватывать направляющая нить (Strang-Führung), нить-фюрер армирующего волокна, по которой изгибные и прочие напряжения передавались бы на болт. Тем самым напряжения уходили бы из зоны контакта, распределяясь по телу лопасти  и болту, который многое может выдержать. Проблемы возникли с точной установкой болта, он перекашивался, а косой болт во фланцевом соединении сам по себе концентратор. Вообще, проблемы в изготовлении деталей из армированного пластика сводились к большим отклонениям размеров готовых изделий от чертёжных. Большие были допуски и посадки.

Настоящее соединение устроено проще. Контакт осуществляется через тело болта, который испытывает деформацию. Поскольку перемещения малые, то деформация упругая. Стержень может выдержать практически неограниченное количество циклов такой деформации, благодаря своей простой и совершенной форме, в первую очередь. Отверстия выполняются в уже готовом изделии из пластика, поэтому их позиции точно соответствуют чертёжным. Цилиндрическая форма фланца способствует равномерному распределению нагрузки по болтам. Тут самое главное -- геометрическая простота, в хорошем смысле слова.

Принципиальная схема фланцевого крепления лопасти.

Что же касается авиационного применения армированных пластиков, то единственной сферой, в которой они смогли прижиться в то время (50-60-ые годы), стали безмоторные планеры. Германии планеризм был популярен ещё со времён Версальского договора, который запретил моторизованный авиационный спорт. Планеры было можно, как и ветряки.

Назад

К оглавлению

Вперёд