Механика сплошных вторников

Добрый вторник!

Принесённые ветром

Для индивидуального использования.

В середине 70-х годов прошлого века в борьбу за призрачный рынок ветряных турбин бросились не только одиночки, но и целые компании, маленькие и средние, только крупный бизнес не вошёл в этот ветряной раж. Последующая четверть века ветроэнергетической промышленности напоминает классический капитализм с его конкуренцией, падениями, взлётами, слияниями и поглощениями. Поклонники книжек "Чипполино", "Капитал" и пр., могут найти подтверждения логическому концу этой борьбы -- появлению сверхкомпании-монополиста, но это не совсем так, точнее, совсем не так, всё получилось намного сложнее. Я не уверен, что история этих компаний и есть история ветроэнергетики последней четверти XX-го века, но и обойти её стороной я тоже не могу. Причина тому -- недостаток информации, который вызван, в значительной степени, коммерческой тайной, которая хотя уже и потеряла всякий смысл, но вместе с ним было утрачено и всё остальное. Придётся отталкиваться от официальных источников, где авторами выступают лица моральные, а не физические.

Йенсен с моделью своего ветряка, начало 80-х годов.
Из рекламного буклета Nordtank
на сайте "Ветер перемен".

Молодой датчанин Торкильд Йенсен (Thorkild Rørbaek Jensen, ушёл из жизни месяц назад), техник-самоучка, перепробовал множество работ, прежде чем в 1962 году занялся собственным бизнесом. Его идея была настолько же проста, насколько удачна. Он устанавливал на грузовики ёмкости для жидких и сыпучих грузов, превращая их в специализированные автоцистерны. Автопромышленности было тяжело одновременно обеспечивать и массовый выпуск, и большое количество модификаций, это и сейчас непросто, поэтому такие "тюнинговые" фирмы существуют до сих пор, но тогда их роль была ещё выше. Любопытно, что приблизительно в тоже самое время в Дании сходным тюнингом занималась компания, которая в последующем поглотит бизнес, начатый Йенсеном, но пока всё ещё только начиналось. Дело Йенсена шло в гору, в 1967 году он построил собственную фабрику и основал фирму Nordtank (подверглась слиянию в 1997 году, а в 2004 была поглощена). После войны Судного дня дела на фабрике пошли хуже: и возить меньше стало и перевоз вздорожал. Йенсен задумался о реструктуризации. Как было написано в одной официальной презентации, точно неизвестно, что вдохновило его на новую идею; то ли переезд семьи на ферму со старой мельницей, то ли просто ветром принесло, но в 1979 году компания Йенсена переключилась на производство ветряных мельниц.

Эскиз ветряков NTK фирмы "Нордтанк",
с сайта "Ветер перемен".

Как уже было сказано, Твинд породил волну подражателей. Поскольку полномасштабные копии большого ветряка Твинд были не по силам маленьким компаниям, они копировали меньший, "тренировочный" ветряк Твинд. Таким образом стала массовой компоновка турбины, получившая название "Датский концепт" (Danish concept). Первым датский концепт реализовал Юуль, он включает в себя трёхлопастный ротор с наветренным расположением, фиксированные лопасти с воздушными тормозами на своих кончиках и ограничением скорости вращения за счёт отрыва потока, а также асинхронный генератор и, по мнению некоторых, вращение ротора по часовой стрелке, если смотреть на турбину по ветру. О выборе направления вращения рассказывают анекдот про жену и стол, но в разных вариантах, поэтому я воздержусь от цитирования. Как турбинист я хорошо понимаю, что вопрос о хиральности не имеет никакого технического значения, но с эстетической точки зрения правило буравчика вроде как выигрывает (возможно, это как-то связано с тем, что большинство людей правши), что выступает дополнительным аргументом против анекдота, хотя да, Риисагер крутил ротор в другую сторону. Но оставим этот спор тупоконечников с остроконечниками.

Эскиз башни ветряка NTK,
с сайта "Ветер перемен".

Так вот. "Нордтанк" взялся за производство небольших турбин для отдельных домохозяйств на основе стандартного датского концепта, они даже лопасти закупали у стороннего производителя, не говоря уже об электрике. Примкнул к армии клонов, можно сказать. Инженером в компании на тот момент числился Эрик Нильсен (Erik Ørum Nielsen, не тот, что был партнёром Риисагера, тот потом пытался работать самостоятельно, другой, в Дании много и эриков, и нильсенов). Нильсен ли до того додумался, или ему спустили идею сверху, но для производства башни было решено воспользоваться прежним опытом компании. Башню свинтили из цистерн. В 1980 году был построен второй в истории ветряк с башней в виде металлической трубы. В машине Андрё, которая была первой, труба нужна была лишь как воздуховод, её дополнительно крепили с помощью растяжек, не рассчитывая на её надёжность. В "Нордтанке" несомненно знали о прекрасных несущих качествах металлического цилиндра, поэтому возложили на него всю нагрузку и не прогадали. По неизвестным мне причинам дизайн башни не был запатентован, что, впрочем, несложно понять. События развивались слишком быстро, фирмы производители ветряных турбин появились буквально в течении пары лет. Никто не знал как пойдёт дальше развитие техники, что в будущем окажется полезным, а что нет. К тому же, за патент надо платить, а денег было немного. Да и когда их бывает много?

Danregn (Bonus), полезен
тем, что серия этих
машин развивается
 до сих пор. С сайта
"Ветер перемен".

Уже в том же году фирма "Датский дождь" (Danregn, изначально производила оборудование для ирригации, после смены ориентации, в 1983 году, стала называться Bonus, продана в 2004 году) скопировала башню "Нордтанка". За ней последовали другие, в наши дни дизайн "Нордтанка" является классическим и почти безальтернативным. "Нордтанк" молодец, конечно, но и "Датский дождь" ложку мимо рта не проносил, недаром он стал единственной датской ветряной компанией, которая не потерпела экономического краха в конце XX-го века. Ведь отнюдь не все бросились строить башни из пустых бочек, некоторые отнеслись к новшеству скептически. К скептикам присоединилась и компания, впоследствии поглотившая "Нордтанк".

В народе бытует мнение о необычных прочностных свойствах труб. Специалисты знают, что это не так. Труба вовсе не прочнее стрежня того же диаметра и даже стрежня той же поперечной площади. У трубы есть некоторое преимущество перед стержнем в деле противостояния кручению. Отчасти поэтому победило фланцевое соединение лопастей со ступицей в споре с балочным (лонжеронным) креплением. Башня тоже подвергается кручению, но её никто никогда и не делал в форме монолитного стержня. Конкурентом "бочковой" башни выступала ферменная. Ажурная ферменная башня может быть легче бочковой, но она будет чуть шире, т.е., вынос будет больше. Бочковая башня проще в производстве и, что важнее, в сборке, поскольку сборку ветряных турбин приходится выполнять под открытым небом и в местах с сильными ветрами. Даосы говорят, что нет ничего полезнее пустоты. Пустота в бочковой башне оказалась очень полезной. Туда можно было прятать кабеля и прочее электрооборудование, в ней персонал добирался до механизмов гондолы. И те, и другие были защищены непроницаемыми стальными стенками от неблагоприятных факторов окружающей среды, включая сильный ветер, разумеется. Металла на такую башню уйдёт больше, но это же простая дешёвая сталь. Жёсткость тоже может быть меньше, но, как показал опыт и прежде упомянутые эксперименты НАСА, избыточная жёсткость ветряку вредна.

В завершении этого сверхкраткого обзора новорождённой ветряной индустрии, я бы дал самую общую характеристику ветряку "Нордтанка", как представителю датских клонов. Прежде я сравнивал Балаклавский ветряк с австралопитеком. Ветряки NTK в этой сравнительной антропологии я бы отнёс уже к человеческому роду, хотя и к самому его началу, к хомо эректусам. Уже человек, но ещё неразумный, хотя и с микропроцессором.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Плотники и родоначальники

Мельница Кристиана Риисагера
в Датском музее энергетики.

В Музее энергетики, что расположен в самом центре Ютландии, хранится ветряная мельница, построенная плотником Кристианом Риисагером (Christian Riisager, фото) в 1978 году. Эту мельницу использовала в своих исследованиях по датской ветряной программе лаборатория Рисё. Всего же Риисагер построил более семидесяти подобных мельниц разной мощности, став первым в новейшей истории датской ветроэнергетики серийным производителем ветряных турбин.

Начался его бизнес в 1975 году, когда 45-летний Кристиан взялся найти замену водяной мельнице на своём участке, потому что летом ручей, которым она питалась, пересыхал. Каким-то образом (есть мнение, что через сына-лётчика) Кристиану попало в руки подробное описание мельницы на Гедсере, сделанное самим Юулем. Плотник сделал деревянный ротор, такой же как у Юуля, только меньше размером, остальное же выполнил наиболее простым и традиционным способом. На фото слева можно разобрать, что мельница выставлялась по ветру с помощью виндрозы, а генератор лежал на земле, усилие же к нему со стороны ротора передавалось через вертикальный вал -- уже позабытое к тому времени решение, но обычное на старинных мукомольных мельницах.

Первая мельница была маленькой, на 7 кВт, и совсем не предназначалась для использования другими лицами, но... Кристиан самовольно подключил её к распределительной сети. Генератор-то был асинхронный, ему нужен был переменный ток для возбуждения электромагнитов. Счётчик электричества в доме Кристиана закрутился в противоположную сторону, и теперь уже не он должен был сети, а она ему. Жалоб от соседей, которых Кристиан добросовестно опросил, не поступило, и в апреле 1976 года он получил официальное разрешение на подключение, что можно считать датой начала работы частной ветряной электростанции Риисагера.

Об электростанции прознали журналисты, и один из них, с говорящей фамилией Мёллер (Torgny Møller), не только лично посетил Риисагера, но и заказал у него турбину для собственных нужд. В последствии Мёллер сыграл заметную роль в популяризации ветроэнергетики, так например, он издавал ежемесячник Windpower Monthly, старейший и наиболее авторитетный на сегодняшний день журнал по этой тематике, но тот его поступок по сути дал начало современному рынку ветряных турбин. Риисагер взял в помощь своего приятеля Эрика Нильсена (Erik Nielsen), и вдвоём они к ноябрю 1976 года закончили новую 22-киловаттную турбину. Вскоре поступил ещё один заказ от знакомого Мёллера, затем другой... В 1979 году Риисагер продал права на производство фирме Windmatic (поглощена в 1988 году). Сотрудничество с фирмой продолжалось четыре года, пока не поссорились. Затем Риисагер самостоятельно работал над проектом 45-киловаттной турбины на севере Ютландии, из которого ничего не вышло, после чего переехал к своему сыну на Фарерские острова, что между Исландией и Европой. Там у него тоже был проект на 120 киловатт, но и он продолжения не получил -- цены на нефть пошли вниз. Кристиан вернулся к плотницкой мастерской, с которой не расставался до самой своей смерти в 2008 году.

Кристиан Риисагер не был единственным частным предпринимателем 70-х, кто обратился к производству ветрогенераторов, он даже не был первым. Точное количество этих людей неизвестно, но счёт им шёл на сотни. На сайте "Ветер перемен" можно посмотреть на творения некоторых из них. Имя Риисагера стоит обособлено потому, что ему удалось наладить относительно массовое производство, а также, по всей видимости, благодаря неким его личностным качествам, о которых трудно судить людям, не бывшим с ним знакомыми, мемуары же о нём неизвестны. Движение "самодельщиков", охватившее Данию, создало сообщество по обмену идеями и опытом, взрастившее, в свою очередь, профессиональную среду массовых производителей, которых просто не было в середине 70-х.

И тут впору обратить внимание на некоторый щекотливый момент... На этих страницах прежде неоднократно утверждалось, что коммерчески успешными на рынке могут стать только турбины большой мощности (от 0,5 МВт), в то время как турбины датских родоначальников не дотягивали даже до средней мощности (от 100 кВт), как такое может быть? Всё так, поскольку прежде речь шла о рынке электроэнергии, первые же датские "самовары" торговались на рынке мечты. Покупатели и не думали получать с них прибыль, скажу больше, они не рассчитывали на безупречную работу чудо-агрегатов. По счастью, Дания страна зажиточная, электричество здесь традиционно дорогое, желающих приобрести модную и общественно полезную игрушку, от которой, всё же, будет и некоторой частный толк, нашлось немало. Покупают же люди домашних собак даже в тех странах, где собаку запросто можно подобрать на улице. Конечно, если такая собака будет стоить как слон или мегаваттный ветрогенератор, то покупателей станет намного меньше...

В нашей стране, где капитализму учились по книжкам "Незнайка на Луне", "Чипполино" и тому подобным, принято подсмеиваться над "невидимой рукой рынка" и приравнивать её к Деду Морозу. Самой руке на это отношение, конечно же, наплевать. Один из законов рынка: спрос рождает предложение. Спрос возник и предложение родилось совершенно неожиданным и непредсказанным образом где-то в богом позабытой Дании, несмотря на все преграды и трудности. Несмотря на отсутствие продукта как такового! Конечно же, такой, в некотором роде, лохотрон долго продолжаться не мог. Но невидимая рука не дремала. Менялись, соревнуясь друг с другом, продавцы, совершенствовали свои продукты, менялся спрос покупателей, открывались новые возможности, не только в маленькой Дании, но и в других странах и на других континентах...

Назад

К оглавлению

Вперёд

Фанера над Ютландией

Nibe B на переднем плане, Nibe A позади.

Европа не осталась в стороне от своего старшего слона. Датская Академия технических наук (Akademiet for de Tekniske Videnskaber) в 1975 году объявила о начале создания программы исследований ветроэнергетики. В набросках программы предполагалось, что через 10-15 лет за счёт ветра будет обеспечено 10% датских потребностей в электричестве. Такая доля была выбрана потому, что она не требует создания дополнительных резервов на случай штиля -- имеющиеся станции могут временно повысить мощность. В 1977 году программа была написана. В соответствии с ней научную часть должны были возять на себя Лаборатория Рисё (Risø) и Датский Технический университет (которые уже оказывали поддержку Твинд). В качестве же исполнителей предполагались крупные коммерческие компании. Всё как у людей, короче говоря.

Тогда же, в 1977 году, началась первая фаза программы, призванная продлиться до 1980 года. В Данию приехали специалисты из НАСА и совместно со своими датскими коллегами осуществили расконсервацию и запуск в эксплуатацию турбины на острове Гедсер. Турбина отработала до марта 1979 года и показала хорошие результаты. В тоже самое время датчане поехали в США что бы ознакомиться с американским опытом и обсудить возможную кооперацию. Помимо прочего была одна проблема -- Дания к тому времени лишилась своей авиационной отрасли, а ротор, по американскому образцу, должны были делать авиаторы. Поэтому возникло желание позаимствовать у американцев (на возмездной основе) готовый ротор, либо, если этого не получится, методики, которые позволят создать его самостоятельно. Но с этим не вышло, американцы ничего не продали... Пришлось обойтись собственными силами.

Несмотря на неизвестность, даже не дождавшись окончания испытаний на острове Гедсер, во всё том же 1977 году вблизи городка Нибе (Nibe), на крайнем севере Ютландии, началось создание двух рядом стоящих экспериментальных ветряных турбин. Предполагалось, что они станут прототипами для будущего парка из 500-600 турбин с мощностью от 0,5 до 1 МВт, которые будут построены в период между 1985 и 1990 годом, чтобы выполнить намеченный 10-ти процентный план. Прототипом же для этих турбин ожидаемо была взята турбина Гедсера, но с увеличенной до 630 кВт мощностью, т.е., больше чем в три раза. У одной из двух турбин ротор был с неподвижными лопастями, как у Гедсер, а у другой с поворотными. Диаметр его в обоих случаях был одинаковый -- 40 метров.

В производстве тоже возникла проблема -- единого подрядчика найти не удалось, поэтому заказ распределили по нескольким фирмам. Так, например, редуктор взялась изготовить знакомая нам по острову Богё фирма F.L.Smidth. В проекте Твинд она не участвовала, не договорились, надо понимать, поскольку по слухам известно, что один из её сотрудников заявил, мол, что без их помощи башня у Твинд обрушится (именно это высказывание и было запечатлено в балладе Ровикса). Правительство оказалось более договорно способным партнёром, но тоже ограниченным в средствах (финансировало проект в основном министерство энергетики и немного SEAS). Поэтому, в целях экономии, несущую часть лопастей сделали стальной, стеклопластиковой была только их оболочка.

Первую турбину, получившую имя Nibe A, подключили к сети в сентябре 1979 года, Nibe B заработала в августе 1980. Но это была не работа, а одни слёзы. Турбины, что называется, "сыпались на глазах". Основной проблемой, как не сложно теперь догадаться, были усталостные повреждения лопастей. Экспериментаторов, однако, эти неприятности не особенно беспокоили, поскольку их целью было наблюдение за аэродинамическими эффектами, такими как отрыв течения от лопастей и след, оставляемой за собой турбиной (wake). Поэтому, турбины включали только во время измерений, которые проводились нечасто, так за период с 1983 по 1991 год Nibe A отработала только несколько часов.

Иллюстрация wake effect. Кильватерный след становится
 видимым за счёт конденсации воды и появления тумана.
Автор фото неизвестен.

В Дании был накоплен большой опыт в использовании ветра, поэтому интересы датчан устремились к такому, казалось бы частному явлению как кильватерный след (wake effect). На самом деле, эти исследования не были пустой блажью, в них появилась острая необходимость. В планах стояла установка сотен ветряков, причём стоять они должны были рядом друг с другом, а из-за того, что ветер меняет своё направление, временами неизбежно должна была складываться такая ситуация, когда след от одного ветряка попадал бы на соседний. Как мы помним, ветряная турбина работает за счёт того, что забирает у ветра часть его скорости. Кроме того, в соответствии с законом сохранения момента импульса воздух за турбиной приобретает закрутку, противоположную той, что получает сама турбина. В результате скорость ветра за турбиной снижается, и воздух турбулизируется. Турбина, попавшая в такой след, снижает свою производительность, а её ротор подвергается дополнительным нагрузкам. Требовалось определить, насколько силён этот эффект, чтобы правильно расположить турбины на местности. Стоящие рядом и очень похожие друг на друга турбины Nibe были созданы для таких исследований в самом прямом смысле этого слова. И да, ветряки города Нибе -- первый в мире ветропарк.

Наработка ветряка Nibe B была намного больше, чем у его близнеца. В январе 1984 года ему поменяли лопасти. Старые пластико-стальные выбросили, поставили новые, блестящие... фанерные. В течении следующего года он работал почти непрерывно (86% времени), а к 1988 году наработка составила 18000 часов. Датская стратегическая разработка оказалась удачной, но в серию не пошла. Оболочка лопасти склеивалась из тонких деревянных полос, по существу это был тот же армированный пластик; в качестве пластика выступал клей, а вместо искусственного волокна дерево.

Схема проклейки оболочки лопасти Nibe B. Из архива НАСА.

На ветряках Нибе упражнения министерства не закончились, но продолжение оказалось ещё менее примечательным. Дело закончилось тем, что остатки ветряной программы были проданы одной коммерческой фирме, о которой ещё пойдёт речь далее. Похожим, но ещё более печальным образом развивалась госпрограмма в Нидерландах, столице ветряных мельниц. В итоге на рынке ветроэнергетики победу одержали ни госпрограммы, ни идеологи на подобии Твинд, но третья сила, те самые пресловутые лавочники.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Пас.., пас.., пассажиры, не забывайте паспорта и пассатижи.

На голубых экранах

Mod-1, на Бугре Ховарда.
Из архива НАСА.

Конкуренция благо, поэтому параллельно проекту Mod-0 развивался проект Mod-1 с другими подрядчиками. Главным выбрали космическое подразделение компании "Дженерал Электрик" (General Electric Company's Space Division), ДжиИ, как её у нас теперь называют на американский манер, а та подрядила на изготовление лопастей "Боинг" (Boeing Engineering and Construction Company). Ветряк установили в местности под названием Бугор Ховарда (Howard's Knob) в Северной Каролине. Не знаю, повлияло ли как-то название на выбор площадки, или же строители руководствовались исключительно данными ветроразведки, но получилось хорошо. Техзадание для обоих проектов, по всей видимости, мало различалось. Основное отличие состояло в мощности, Mod-1 был в десять раз мощнее Mod-0, став самым мощным на тот момент ветрогенератором в мире, 2 мегаватта до него ещё никто не развивал. Mod-1 выходил на максимум при скорости ветра 11 м/c, см. график внизу.

Кривая мощности Mod-1. Из архива НАСА.

Для такой высокой мощности и крылья нужны длинные. В 1970 году самым большим самолётом Боинга стала модель 747, выпускаемая и в наши дни (с модификациями, разумеется). Может показаться удивительным, но размах крыльев Боинг-747 и Mod-1 совпал с точностью до метра. Однако конструктивно они сильно отличались друг от друга.

Сравнение Боинг-747
и Mod-1.

Проектирование лопастей началось после того, когда всё остальное в основном уже прорисовалось, поэтому проектировщики творили в строгих рамках дозволенного. Ограничения, в первую очередь, касались массы, но также и геометрии, и, разумеется, производительности, но самыми критичными из ограничений мне представляются временные. Делать лопасть ветряка такой же широкой и жёсткой, как крыло самолёта, не было нужды, поэтому разработчики стремились упростить конструкцию, но не успели пройти весь необходимый путь. Внутренность самолётного крыла состоит из множества продольных и поперечных балок, перегородок и рёбер жёсткости. В Локхиде перенесли этот дизайн на Mod-0 с минимальными изменениями, в Боинге же взялись устранить детали, оказавшиеся лишними. Решено было оставить основной несущий элемент, балку, протянутую вдоль всей лопасти, лонжерон, по-самолётному говоря, а всё остальное свести к минимуму, к оболочке. Рассмотрели восемь вариантов с различной конфигурацией лонжерона и материалами для изготовления лопасти. Рассматривали тщательно, проводили серьёзные компьютерные расчёты на конечно-элементных моделях, что заняло немало времени. Остановились на варианте стальной лопасти с монококовым (оболочечным) лонжероном эллиптической формы и тонкостенной оболочечной же выходной кромкой (на чертеже внизу).

Лопасть Mod-1 в сечении. Из архива НАСА.

Следующим логичным шагом мог бы стать переход к лонжерону в форме лопасти, то есть к монококовой лопасти, но до него на этот раз не дошли -- следующего шага просто не было. Такой переходный момент в эволюции техники обычно не фиксируется в готовом изделии, чем и любопытна эта лопасть. Казалось бы, между самолётным крылом и лопастью Хюттера один шаг, но это не так, между ними ещё несколько маленьких шажков. Глаз у камбалы не сразу перескочил на другую сторону.

Поучительным моментом в этом примере также представляется и демонстрация работы проектного менеджмента в области создания новых продуктов, системы уже полностью сформировавшейся в США в 70-е годы. Проектирование при такой системе управления происходит не до появления первого работоспособного продукта, как это было в прошлом, и не до тех пор пока не будет достигнуто совершенство, как это бывает у непризнанных гениев, но до строго указанного времени -- дедлайна. Чтобы удовлетворить этому требованию, необходимо твёрдо знать производительность персонала, произвести расчёт трудозатрат и запланировать последовательность работ. При таком управлении разработками продукт в результате не всегда получается высококачественным, зато получается всегда, если, конечно, проект не будет прерван либо приостановлен по каким-то причинам. Поэтому у такой системы есть ещё один закон -- работа не может занять время меньшее, чем было заявлено в самом начале её. Это отступление можно рассматривать как продолжение темы перехода технического развития из рук одиночек в руки проектных коллективов.

Итак, у проектного коллектива получилось следующее:

Ротор

Схема Mod-1, из архива НАСА.

• Диаметр 200 футов (61 метр)
• 2 лопасти
• аэродинамический профиль НАСА 44ХХ
• 11° закрутка лопасти
• скорость вращения 35/23 об/мин
• регулировка угла атаки по всему размаху лопасти
• высота оси 140 футов (42,7 метров)
• заветренное расположение (на корме гондолы)

Редуктор

• трёхступенчатого типа
• передаточное отношение 51
• параллельная конфигурация осей
• гидравлическая муфта на высокоскоростной оси

Генератор

• синхронный переменного тока 60 Гц
• 2000 кВт активной мощности
• 1800/1200 об/мин
• 4160 В

Гондола

• активное управление курсовым углом
• гидравлический привод

Башня

• ферменного типа 
• высота 140 футов (42 метра)
• общая масса с оборудованием 295 тонн

Рабочие характеристики

• минимальная скорость ветра 4,5 м/с
• номинальная скорость ветра 11 м/с
• максимальная скорость ветра 15 м/с

Скорости вращения ротора и генератора проставлены через / потому что они менялись в ходе недолгой, но беспокойной эксплуатации. Турбина впервые завертелась в мае 1979 года, и тут же на неё поступили жалобы. Первыми недовольство выразили телезрители. В соседнем городке Бун (Boone) качество телесигнала и до возведения ветряка вызывало нарекания. А надо понимать, что в те далёкие годы телевидение даже в США было чем-то особым, тем более, для маленького городка. Стальная заземлённая конструкция на господствующей над городом высоте замахивалась лопастями на семьдесят метров над бугром и будто наматывала на них телевизионную картинку с частотой 35 об/мин. Хотя особо пострадавшие исчислялись буквально единицами семей, но они были и давали о себе знать. Исследование проблемы и поиски возможных путей её решения заняли год. Всё это время турбину включали по минимуму. Среди прочего изучались:

1) Достоинства и недостатки широко- и узконаправленных антенн;
2) Возможность местной ретрансляции телесигнала;
3) Прокладка телевизионного кабеля к пострадавшим районам.

Однако все эти усилия в сущности были напрасными, потому что раздались другие жалобы.

Ветряк издавал громкие и неприятные звуки. Проблемой занялась специально созданная акустическая комиссия (special sound team) из Института исследования солнечной энергии (в его недрах рождались в то время проекты возобновляемой энергетики) и ДжиИ. Комиссия провела весной 1980 года серию акустических тестов. Тесты показали, что звук рождается в результате прохождения лопасти мимо опоры башни. Тут же было найдено и простое решение проблемы: снижение скорости вращения ротора примерно до той же величины, что была у Смита-Путнама.

В октябре 1980 года на машину был установлен новый генератор на 1200 об/мин., скорость ротора уменьшилась с 35 до 23 об/мин. В январе 1981 были проделаны акустические тесты, которые показали значительное снижение шумов. Тогда же в месте крепления ступицы ветряного колеса к низкоскоростной оси срезало 22 болта. На этом опытная эксплуатация Mod-1 завершилась. ДжиИ разработала два альтернативных плана дальнейших действий. По первому из них предполагалось восстановление машины и проведение дальнейших экспериментов на том же месте. По второму плану машина подлежала перемещению на другую точку. Был проведён анализ необходимых затрат по каждому варианту и возможный выигрыш от дополнительных экспериментальных результатов. Заключение, выведенное из анализа, можно передать словами отца народов: "Оба хуже". В сентябре 1983 года машину демонтировали.

Что тут можно сказать? И на бугре Ховарда ветер вновь показал, что он сильнее стали. Если бы в состав акустической комиссии включили человека, который рассчитывал прочность болтового крепления (я не знаю наверняка, но скорей всего его там не было), то такой результат можно было бы получить и чисто теоретическим путём. Тут в самый раз вспомнить того, с кого началась ветроэнергетика -- Герона Александрийского. Ему приписывается формулировка золотого правила механики, который гласит, что "выигрышу в силе соответствует проигрыш в расстоянии". Применительно к вращающимся машинам оно звучит как "выигрыш в силе соответствует проигрышу в скорости вращения" и наоборот, разумеется. Уменьшив скорость вращения ротора в полтора раза, акустическая комиссия во столько же раз увеличила усилие на валу. Болты и срезало. Остаётся только восхититься тому, как точно их рассчитали -- всего-то с полуторным запасом прочности! В прочих узлах прочнисты перезаложились, надо полагать.

Труды акустической комиссии не пропали даром. В НАСА озаботились проблемой шумового загрязнения и в дальнейшем потратили на её решение много сил. Что касается подрядчиков, то ДжиИ в программе ветроэнергетики на практическом уровне больше ничего не сделала, зато Боинг продолжил работу. Интересно, что в наши дни ДжиИ -- один из лидеров мировой ветряной промышленности, а Боинг отошёл от этой тематики с момента завершения программы НАСА и больше к ней пока не возвращался.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Удар тени

Курсовой сдвиг Mod-0.

Памятуя проблемы турбины Смита-Путнама, разработчики Mod-0 облегчили ротор своей машины. Алюминиевые лопасти снизили нагрузку на ступицу, но малая масса ротора создала новую проблему. Проявился дефект конструкции, который незаметно перемалывался массивным ротором турбины Смита-Путнама, а в Mod-0 вылез наружу. Что ж, как сказал В.И.Ленин на IX съезде Советов: «Наши недостатки -- продолжение наших достоинств». Дело в том, что ветер запутывался в деталях башни, она создавала позади себя след из сильно турбулизированного воздуха, некое подобие тени. Об эту тень спотыкалась лопасть, когда переходила в нижнее вертикальное положение, смыкаясь с башней. Мало того, что такой удар оказывал разрушительное воздействие на конструкцию, он ещё к тому же приводил к сдвижке гондолы по курсовому углу. Ситуация схематично изображена на рисунке слева. В то время как нижняя лопасть притормаживала, верхняя лопасть продолжала движение в прежнем направлении, по инерции и влекомая аэродинамическими силами. Ротор превращался в рычаг, закреплённый в нижней точке, который поворачивали за верхнюю лопасть, заодно сдвигая и гондолу тоже.

Жертвы ветряной тени
поднимаются на лебёдке.
Архив НАСА.

Об этом явлении предупреждал Хюттер, однако он же сам рекомендовал заветренное размещение ротора как меньшее из зол. Всё от того, что у его турбины StGW 34 была тонюсенькая цилиндрическая башня, создававшая минимальное сопротивление ветру. Американцы не обратили внимания на эту разницу, видимо воодушевлённые опытом Смита-Путнама, но та турбина была настолько тяжела, что её нельзя было свернуть с места такими мелочами. Короче говоря, в компоновке машины была заложена неустранимая ошибка, всё следовало бы переделать целиком и полностью, но поскольку машина была опытной, решили просто подкорректировать неприятные моменты. Чтобы уменьшить влияние тени, устранили все внутренности башни; убрали лестницу и лифт, наверх можно было попасть только на лебёдке (как монахам в Метеоры). Этого оказалось недостаточно, поэтому добавили специальный курсовой дисковый тормоз, который препятствовал сдвигам гондолы. Тормоз, разумеется, удары не устранил, но теперь они приходились на всю башню в целом, тем самым терялся смысл заветренного расположения ротора: доставалось и башне, и ротору.

Курсовой тормоз.
Архив НАСА.

Много внимания уделялось исследованиям вибраций, их распространению и причинам их появления. Помимо непосредственно натурных измерений (простукивания, в прямом смысле этого слова) использовалось компьютерное моделирование, что стало большим новшеством в ветростроении, которое прежде было больше экспериментально-интуитивном, чем расчётным. Так по результатам  моделирования в конструкцию была добавлена гидравлическая муфта, снизившая вибрацию, возникавшую из-за неравномерности усилия, подаваемого на генератор со стороны ротора турбины. Моделировалось также крепление лопастей к оси. Рассматривалось два варианта: жёсткое крепление и крепление на рычажном шарнире, если я правильно перевожу термин teetering. Дело в том, что такой шарнир, который я бы назвал "качельки", широко использовался в американском вертолётостроении, но в отечественном распространения не получил, поскольку он имеет смысл только в двухлопастном винте, а у нас такие вертолёты не были популярны, поэтому с русскоязычной терминологией как-то не очень.

В схеме с качельками лопасти крепятся к шарниру, а уже он к оси, тем самым ротор приобретает дополнительную степень свободы, он может покачиваться. Смысл такого покачивания в том, что в нём реализуется неравномерность нагрузки на разные лопасти. Если такого шарнира нет, то неравномерность передаётся через ось дальше по конструкции, а так она уходит на безвредное покачивание.  

"Качельки" (teetering hub).

Хотя качельки остроумное и эффективное решение, но оно на самом деле отнюдь не безвредное. Во-первых, они плохи уже тем, что они есть. Лишний узел усложняет конструкцию, делает её дороже, тяжелей, менее надёжной. Во-вторых, работает такой шарнир не безупречно. Колебания качелек следует как-то гасить. Дети на рисунке делают это ногами, опираясь о землю. Лопасти, так или иначе, будут опираться на башню, так что неоднородность всё-таки будет добираться и до других узлов. В-третьих, не следует забывать, что лопасти, как не крепи их на оси турбины, должны поворачиваться вокруг своих собственных осей, отслеживая скорость ветра. Для этого насосом во вращающуюся ступицу подаётся гидравлическая жидкость, что само по себе непросто (вспомним маслобойню острова Гедсер). Подать жидкость ещё и через шарнир сложнее вдвойне. Поэтому, несмотря на то, что схема с качельками была признана лучшей с точки зрения динамической устойчивости системы, реализовывать её не стали.

Здесь в самый раз вернуться к Владимиру Ильичу. Вся эта эпопея с динамической неустойчивостью началась с того, что решили сэкономить. Двухлопастной ротор позволяет сэкономить на лопастях и частоте вращения (о чём будет особый разговор). К вертолёту это тоже применимо, кстати. Лучше всего сделать вертолёт с одной лопастью, но людей в такой вертолёт лучше не сажать. Двухлопастный вертолёт чуть проще и поустойчивей, но всё равно проблем слишком много, поэтому отечественные вертолётостроители не стали за них браться. В общем, как говорил дедушка Ленин: лучше больше, да хуже. Американцы же решили, что их технологии позволят устранить все проблемы и воплотить наилучшую конструкцию. Какое-то время им это удавалось в отсутствии конкурентов. Но конкуренция всегда благо, отчасти поэтому следующий шаг был выполнен в четырёх экземплярах. Модифицированные ветряки получили название Mod-0a и были размещены в разных точках страны, разнесённых на тысячи километров друг от друга.

Ветрогенераторы Mod-0a подключили к местным электрическим сетям для получения опыта практической работы в энергетике. Все эти сети были небольшие, дизель-генераторные. Их гибкость позволяла быстро и без особого труда подключить источник переменной мощности, а замкнутый характер сети предоставлял точную информацию о выработке электроэнергии и потреблении топлива, то есть, информацию об экономической эффективности ветряка. Все четыре ветряка оснастили телеметрическим комплексом, правда данные с датчиков передавали недалеко, на специально оборудованный автобус. Автобус ездил по США от турбины к турбине. Несмотря на некоторую ущербность (всё-таки опытные установки), эту систему вполне можно назвать первым удалённым мониторингом ветряных турбин, без чего теперь ветропарки не обходятся.

Автобус мониторинга. Архив НАСА.

Первым (ноябрь 1977 года) заработал ветряк в Нью-Мексико. Помимо уже описанных изменений в него внесли ещё одно -- усилили лопасти, они потяжелели на 12%. Такими лопастями оснастили три первых ветряка, четвёртый, гавайский, получил совсем другие, что заметно даже на плохенькой фотографии внизу. В марте следующего года ветряк в Нью-Мексико включили в местную распределительную сеть городка Клейтон (Clayton). Машину остановили в июне 1982 года, а в октябре того же года демонтировали. За время своей работы ветряк был подключён к сети на протяжении 12 000 часов и выдал 1,1 млн. кВт-ч. Итого, его средняя мощность составила 92 кВт, почти половина от максимальной.

4 Mod-0a: Нью-Мексико, Пуэрто-Рико, Род-Айленд, Гавайи. Архив НАСА.

Однако прочие характеристики усреднять следует аккуратно; машину по ходу дела не только ремонтировали, но и модернизировали, отсюда большие простои. Её только просто запустить удалось далеко не сразу. Электрические шумы приводили к сбоям автоматики с ложными аварийными остановами. Лопасти ремонтировали и меняли несколько раз. В конце эксплуатации перешли на "гавайский" тип. Неожиданной проблемой явилось обледенение лопастей. По опыту Смита-Путнама выходило, что лёд на гибких лопастях не успевает нарастать, но скалывается и слетает. В Клейтоне всё было также, но размер льдинок и скорость, с которой они разлетались по округе (под 300 км/ч), представляли собой угрозу для местного населения (опять вспомним маслобойню Гедсера). Поэтому во время погодных условий, способствующих обледенению, турбину принудительно приводили в режим останова, что увеличило общее время простоев. Через год работы вышел из строя подшипник генератора. Через два года из-за усталостной трещины пришлось заменить гидравлическую муфту. Чуть позже трещину обнаружили и на алюминиевой лопасти. Тем не менее, в первые два года коэффициент использования мощности (отношение реальной генерации к той, что была бы, если бы ветряк работал непрерывно по максимуму) составил 0,2. В НАСА решили, что это очень неплохо.

Следующий ветряк вступил в строй в Пуэрто-Рико в январе 1979 года, но уже в мае его остановили для ремонта лопасти, который продолжался до февраля следующего года. В Пуэрто-Рико тепло круглый год, поэтому с обледенением проблем не возникло, проблемы возникли с коррозией, в гондоле завелся грибок. Пришлось установить принудительную вентиляцию. В августе 1981 года на машину установили "гавайские" лопасти, а через год её остановили навсегда. Всего она отработала 8094 часов и выдала 0,683 млн. кВт-ч. То есть, средняя мощность оказалась чуть-чуть меньше, чем у ветряка из Нью-Мексико.

Сетевые эксперименты с третьим ветряком в Род-Айланде выдались ещё короче. Он проработал в электрической сети небольшого острова Блок-Айленд (Block Island) с февраля по апрель 1982 года, в это время на острове жило только 300 человек (остров курортный), так что даже пришлось уменьшить максимальную мощность ветряной турбины до 150 кВт. За это время ветер сэкономил 11567 кг дизельного топлива, что соответствовало уменьшению обычного расхода на 6,7%, тогда как ветряная турбина обеспечила 11% потребностей в электричестве. Очевидно, что подключение ветрогенератора несколько снизило КПД дизель-генераторов, выведя их из оптимального режима работы. В июне 1982 года машина была остановлена, общая наработка составила 8509 часов при генерации 0,588 млн. кВт-ч. Однако установлен ветряк был ещё в мае 1979 года, подключение к сети откладывалось из-за проблем с лопастями. Только в июле 1980 года (к московской олимпиаде) к нему приделали лопасти нового типа, которыми он дальше и работал.

Гавайский ветряк подключили к сети в июне 1980 года уже сразу с новыми лопастями. Эксперименты продолжались два года. Было испытано два комплекта лопастей: с прямоугольными и округлыми кончиками. Округлые показали лучшую производительность. Машина проработала 8444 часа (для справки, в астрономическом году 8766 часов) и выдала 1,261 млн. кВт-ч. Что просто блестящий результат, на Гавайях хороший ветер.

Чему научили эксперименты с Mod-0a ? Во-первых, как было показано и на опыте, и в расчётах, гибкая башня обладает преимуществами по сравнению с жёсткой. И, конечно, башня должна быть обтекаемой. Алюминий, взятый изначально как материал для лопастей, показал себя очень плохо. Циклика в ветряных турбинах внезапно оказалась намного большей, чем в авиации. Самолётные крылья не гнутся десятки раз в минуту, да и летают они меньше в течении года. Выводы для 80-х годов уже не очень свежие, но зато они были теперь научно обоснованы всей солидностью НАСА. Однако, наибольшее значение имели общественные последствия проекта. Турбину в Нью-Мексико посетило 20 тысяч человек. Произошло паломничество, подобное тому что было в Твинд. Так что, несмотря на экономический провал, ветряная энергетика получила одобрение американского общества на своё развитие. Хотя некоторый осадок остался...

Удар тени на примере вертолётной лопасти:

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Разум, это то, что предстоит создать человечеству.

Механика сплошных вторников

Кто читает этот пост, тот пережил 2016 год.