Сыны ошибок трудных

Созвездие Mod-2, фото НАСА.

А в это время на другом континенте НАСА строило новый агрегат. Наученные горьким опытом прежних упражнений, специалисты решили воплотить в новой машине, получившей имя Mod-2, сразу все рекомендации по снижению неблагоприятного воздействия башни на работу ветряка. Фирма "Боинг" установила ротор на гондолу в наветренном положении и на шарнире ("качельках"). Башню для турбины сделали обтекаемой, цилиндрической формы. Мощность генератора увеличили до 2,5 МВт. Кроме того, ветряк изготовили в трёх экземплярах, обозначенных WTS (Wind Turbine System) с порядковыми номерами 1, 2 и 3. От американских авторов можно услышать, что три Mod-2 составили первый в мире ветропарк. Это спорное утверждение. С одной стороны, Mod-2 был подключен к сети несколько позднее, чем близнецы Нибе, но, с другой стороны, тройняшки действительно работали, чего о нибийских двойняшках сложно сказать. Правда у американцев тоже не всё гладко складывалось, но, тем не менее, 19 мая 1981 года все три машины ветропарка Гудноэ Хиллз (Goodnoe Hills) в штате Вашингтон были подключены к сети.

Монтаж ротора Mod-2, архив НАСА.

Схема ступицы Mod-2, из архива НАСА.

Итак, ротор для пущей прочности сварили из стальных листов. Смелое, инновационное решение. Его диаметр (длина, поскольку геометрически он представлял собой брусок) составила 300 футов (91,5 метр) при весе 87,3 тонны. Шарнирное крепление к оси создало прежде упомянутые для такой схемы проблемы с организацией регулировки угла атаки лопастей. Совмещать поворотный механизм лопастей с шарниром не стали, но применили приём, к которому прибегали ещё Сабинин с Красовским. Лопасть поворачивалась не по всей длине, но только внешней своею частью (см. фото вверху). Кончики 13-метровой длины сделали поворотными. Поворот осуществлялся не аэродинамическими силами как у советских турбин, но принудительно с помощью гидравлики и под управлением электроники. Установка гидравлики тоже, как мы помним, была сопряжена с проблемой -- необходимостью передавать гидравлическую жидкость через подвижные соединения. Тут тоже схитрили, установив гидравлический привод непосредственно на ось ротора, тем самым жидкость нужно было подавать только через шарнир, на одном подвижном соединении сэкономили. Какое-то время это могло работать, но для опытной установки много времени и не требовалось. На рисунке справа представлена схема ступицы с механизмами. Тормоз качелек включался во время стоянки, в работе энергию колебаний поглощал специальный упругий элемент (на схеме не показан).

Монтаж башни Mod-2, из
архива НАСА.

Конструкцию башни американцы также считают пионерской, с чем совсем уже нельзя согласится. "Нордтанк" не только опередил НАСА, но его башня практически не отличалась от современных, в то время как американская использовала специфические решения, которые нынче не применяются. Во-первых, секции башни Mod-2 сваривались между собой, а не свинчивались болтами по фланцам как у всех людей. Сварной шов менее надёжен (в последствии на одном из швов обнаружили трещину), а варить снаружи и на высоте не особенно приятно. Сварочные же работы в закрытом помещении ещё хуже, в то время как болты изнутри заворачиваются прекрасно, а монтажные площадки внутри башни потом работают как рёбра жёсткости и промежуточные этажи.  Кроме того, болтовое соединение запросто разбирается, что упрощает демонтаж ветряка, который неизбежен. Во-вторых, вместо дискового фундамента "стойкого оловянного солдатика" башня устанавливалась в заглублённом "стакане", такой фундамент также более не используется, он более трудоёмкий (и вообще непонятно зачем так придумали, между нами говоря).

Стальная башня Mod-2 поднималась над землёй на 59 метров и была 3 метров в диаметре наверху и 6,4 метра внизу. Кроме того, чем уже американцы заслуженно гордятся, они поработали над тем, чтобы обезопасить башню от возможных резонансов со стороны ротора. Жёсткость башни просчитали такой, чтобы её собственная частота колебаний была в 1,3 раза больше частоты вращения ротора. Европейские же "самоварщики" делали всё без детальных расчётов, "по наитию", исходя из принципа "где сломалось, там усилить".

Коробку передач изготовили в Швеции, в славном городе Финспонг, на заводе Stal-Laval Turbine AB (ныне принадлежит Сименс). Коробка тоже инновационная, планетарная, облегчённая. Генератор синхронный на 2,5 МВт, 60 Гц, 1800 об./мин. Гидравлический привод установки курсового угла. Микропроцессорная система управления: 12 килобайт программной памяти, 4 килобайта оперативки, хватит на всё! С турбины снималась телеметрия с частотой 10 Гц, что позволяло подавать управляющие импульсы на лопасти с частотой 1 Гц. Вот так, в общих чертах.

Ротор

• Диаметр 300 футов (91,5 метра)
• 2 лопасти, на качельках
• аэродинамический профиль НАСА 230ХХ
• скорость вращения 17,5 об/мин
• регулировка угла атаки на концах лопастей
• высота оси 200 футов (61 метров)
• наветренное расположение (на носу гондолы)

Редуктор

• трёхступенчатый планетарный
• передаточное отношение 103
• гидравлическая муфта на высокоскоростной оси

Генератор

• синхронный переменного тока 60 Гц
• 2500 кВт активной мощности



Внутри башни, на самом верху,
из архива НАСА.

• 1800 об/мин

Гондола

• активное управление курсовым углом
• сервопривод

Башня

• стальной цилиндр 
• высота 59 метров
• лестница для персонала
• общая масса с турбиной 75 тонн

Рабочие характеристики

• минимальная скорость ветра 12 миль/час (5 м/с)
• номинальная скорость ветра 27,5 мили/час (12,5 м/с)
• максимальная скорость ветра 45 миль/час (20 м/с)
• полное время работы трёх ветряков в сумме 10321 часов
• средняя мощность 1,296 МВт
• полная наработка энергии ветропарком 13,379 млн. кВт*ч

Кривая производительности
(Mod-2 WTS-2), из архива НАСА

Уже через три недели после начала совместной работы троицы, 8-го июня 1981 года, первый из агрегатов, WTS-1, потерпел аварию. Во время испытания системы аварийной остановки что-то пошло не так (поворотные части лопастей не повернулись по причине засора в клапанах), что при отключённом генераторе привело к раскрутке ротора до 30 об/мин и к повреждению силового привода. Выявление причин, устранение последствий и внесение изменений в конструкцию и регламент работы всех трёх ветряков заняло почти полгода. Через год после возобновления работы, в ноябре 1982 года, WTS-1 уже самостоятельно остановился во время порывистого ветра, достигавшего скорости 18 миль в час (8 м/с). В главной, низкоскоростной оси ротора была обнаружена усталостная трещина, соединявшая многочисленные отверстия для крепежа (ещё бы, сколько на ось повесили). Тут надо понять, что это повреждение, фактически, явилось запоздалой расплатой за выбор двухлопастной схемы ротора. Были и другие неполадки, это уже по мелочи, с ними три WTS отработали до конца 1985 года, после чего были демонтированы. Три, потому что был ещё один, WTS-4, но это уже совсем другая машина с другой историей.

Критики проекта НАСА из числа европейских ветропромышленников утверждают, что проекты НАСА ничего путного не принесли, ибо не создали промышленного прототипа. Последнее верно, но из него никак не следует первое. Козьма Прутков наставлял: "Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые..." Специалисты НАСА неукоснительно следовали рекомендациям директора Пробирной палатки, и наблюдения, ими оставленные, впоследствии премного способствовали созданию ветряков мегаваттной мощности. С таким же успехом можно утверждать, что ничего путного после себя не оставили первые европейские ветропроизводители, ведь их самовары с экономической точки зрения были ничтожны, а от полного разорения этих капиталистов спасли европейские правительства и хлорофилловые марксисты. Поэтому, перейдём к конструктиву.

План ветропарка Гудноэ Хиллз, из архива НАСА.

Первым делом в НАСА определили производительность турбин и зависимость её от скорости ветра (выше, рядом с итоговой таблицей приведена картинка с экспериментальными данными). Ведь одно дело теория, а другое -- практика. Ветряных турбин такой большой мощности прежде не существовало. Имея такую зависимость, можно было изучать различные эффекты. В частности, изучили влияние ветряков друг на друга, кильватерный эффект. Ветряки были расставлены по вершинам неправильного треугольника со сторонами в 5, 7 и 10 диаметров ротора турбины (456, 641 и 915 метров, соответственно). Поэтому расстояние между стоящими друг за другом турбинами менялось в зависимости от направления ветра, но не в том смысле, что ветряки бегали по полю, просто каждый раз для замеров бралась подходящая пара, та, что стояла вдоль направления ветра. Из наблюдений было определено, что уже на расстоянии между ветряками в 7-10 диаметров их роторов ослабления мощности из-за кильватерного эффекта не происходит, хотя след, очерченный специальным дымом, простирается на много большие расстояния. Современные исследования показывают, что ослабление всё же есть, но его величина порядка процента.

Летом 1983 года проводились эксперименты с вихрегенераторами. Вихрегенераторы, это такие маленькие гибкие пластины, похожие на пёрышки птиц, которые крепятся к выпуклой стороне аэродинамического профиля, ближе ко входной кромке и препятствуют отрыву потока от поверхности. У птиц малые покровные перья также работают, кстати говоря. Прежде отрыв потока использовался в роторах с неподвижными лопастями для ограничения вращения при высокой скорости ветра. У ротора Mod-2 часть лопастей также была неподвижна и там отрыв случался слишком рано, что снижало мощность турбины. Вихрегенераторы позволили повысить "сбор" электричества с турбины на 11%. Полезная вещь, иногда применяемая до сих пор.

Изучался, конечно же, шум, издаваемый турбинами. Была проведена шестинедельная серия экспериментов, в которой замерили всё что только можно было замерить. Этих данных хватило на десять лет осмысления, по крайней мере, статьи продолжали выходить. Замеры производились на земле, на башне, в воздухе с использованием воздушных шариков, на разных расстояниях от турбин и при разных погодных условиях. Субъективные прослушивания показали, что в направлении ветра турбину становится не слышно на расстоянии более 16 её диаметров (полтора километра, шумные получились Mod-2 очень).

Зависимость частоты ветра от
его скорости, из архива НАСА.

Также был сделан существенный вклад в ветроразведку. Прежде говорилось, что метеорологические данные предоставляют только самые общие сведения о ветре в данной местности. Есть некая средняя величина, из которой крайне затруднительно получить выработку турбины. Нельзя просто взять и умножить мощность турбины при среднем ветре на время работы. Поэтому был проведён частотный анализ. На рисунке слева представлен его результат. Пунктирная линия показывает теоретическое распределение, взятое за основу при проектировании турбины. Его пик примерно приходится на "среднеметеорологическую скорость". Сплошная линия соответствует реальному распределению. Чтобы получить выработку, надо проинтегрировать по скорости и времени функцию мощности, умноженную на частотную кривую из графика слева, и пронормировать полученный результат на число часов в проинтегрированном промежутке времени. Такой будет двойной интеграл от произведения табличных функций. Звучит неприятно, но в действительности арифметика для бухучёта. Что можно сказать словами о полученном распределении? Из картинки видно, что ветра слабее среднего случаются чаще, чем ветра сильнее, что печально. Ведь мощность сильно зависит о скорости ветра, поэтому большую часть времени мощность, выдаваемая турбиной, будет ниже мощности при ветре средней скорости. Из чего следует, что для адекватного определения ветроресурса нужны многочисленные измерения с высокой частотой замеров.

Так в Америке наука постепенно продвигалась вперёд, но для практики там настали благие дни.

Назад

К оглавлению

Вперёд