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