Шведские спички

WTS-3 в Магларпе.

В посте про Mod-2 был упомянут четвёртый WTS, но на самом деле их было три. Два из них в штате Вайоминг в местечке Аптекарская лука (Medicine Bow), причём один из этих двух брат-близнец трёх вашингтонских Mod-2, про которого нечего сказать, кроме того, что он так и не заработал, по сути дела. Другой ветряк из Вайоминга, который собственно WTS-4, представлял собой увеличенную до четырёх мегаватт копию третьего, точнее, первого ветряка WTS-3 из Швеции. Так, я думаю, будет понятнее. По крайней мере, понятнее почему об этих двух из трёх четвёртых так мало пишут -- непонятно про какой писать. Мне проще, потому что предметом этих записок скорее являются идеи, а также их авторы, чем сами железяки как таковые.

Поэтому рассказ следует начать с американского авиаконструктора Глиддена Домана (Glidden S. Doman, ушёл из жизни в 2016 году), который идейно возглавил строительство ещё одной промежуточной ступени к промышленному ветрогенератору большой мощности. Глидден вырос в семье изобретателей и техников, поэтому рано приобщился к созданию машин. Ещё будучи подростком, в тридцатых годах прошлого века, он самостоятельно построил гоночный болид и даже выигрывал на нём гонки, как юный Энакин Скайуокер. Тогда же он взялся построить аэроплан, но не смог добыть к нему мотор. После окончания МГУ (Университет Мичигана) в 1942 году Глидден поступил на работу в фирму Сикорского, которого вряд ли надо представлять. Проработал он там недолго, и уже в 1945 году основал свою собственную вертолётную фирму.

Глидден Доман у своего ветролёта.

Компания просуществовала четверть века, сертифицировала несколько вертолётов, но не смогла достичь коммерческого успеха; своих средств у Глиддена не было, а направить финансовые потоки не получилось. В 1970 году он нанялся в "Боинг", где работал над снижением вибраций вертолётов. Когда "Боинг" подрядился в НАСА на постройку ветряка, Глидден подключился к этому проекту. Вероятно, это именно он подал идею использовать в ступице ветряного колеса шарнир ("качельки"), устройство, хорошо знакомое вертолётчикам. В 1978 году Глидден меняет место в "Боинге" на работу в "Гамильтон Стандард" (Hamilton Standard).

Корпорация "Гамильтон Стандард" (ныне UTC Aerospace Systems) занималась разработкой и производством авиационных пропеллеров. Её продукцию закупали "Боинг", фирма Сикорского и другие авиапроизводители, которые также являлись её акционерами. Иногда бывает выгодно передать часть разработок сторонним фирмам, несмотря на то, что они также обслуживают конкурентов, тем более, если так сложилось исторически. Такой производитель комплектующих может вкладывать больше средств в разработку, чем отдельные фирмы, поскольку собирает деньги со всех них разом. В Дании, как мы помним, аналогичным образом появился независимый производитель лопастей для ветряков, но просуществовал он недолго, собирать средства у него не получилось.

В 1977 году "Гамильтон Стандард" подписывает соглашение о долгосрочном сотрудничестве с новым партнёром, шведской судостроительной фирмой "Карлскрунаварвет" (Karlskronavarvet). Соглашение появилось не само по себе, но как часть шведской государственной программы по развитию ветроэнергетики. Датчане тоже пытались позаимствовать для своей программы достижения американских авиапроизводителей, но у них ничего из этого не вышло. Шведы поступили хитрее и взяли американцев в долю.

Внутреннее устройство WTS-3. Взято с сайта "Ветер перемен".

Глидден занялся в "Гамильтон Стандард" разработкой мощного ветряка, причём сразу в двух вариантах; одного 3-мегаваттного для Швеции и другого 4-мегаваттного для США, которые получили соответствующие имена -- WTS-3 и WTS-4. По счастью для нас, его изобретательскую работу можно проследить по патентам. У Глиддена было их множество, в основном по роторам вертолётов, но есть четыре по ветряным мельницам.

Редуктор из патента US4329117.

Первый из них, под нумером US4329117, посвящён проблеме борьбы с разрушающим воздействием порывов ветра. Патент представлен как продолжение и дополнение предыдущего патента US4193005 1978 года от "Гамильтон Стандард", в написании которого Глидден не участвовал и где описывается система управления ветряком посредством изменения угла атаки лопастей. Любопытно, что в иллюстрациях к патенту схематически, но узнаваемо изображён ветряк Mod-0. "Гамильтон Стандард" по-настоящему был "ласковым телёнком", в хорошем смысле слова. В своём патенте Глидден предложил сглаживать удары порывов ветра в подпружиненном редукторе. Прежде его роль отводилась гидравлической муфте, но, как совершенно справедливо пишет автор, такая муфта несёт изрядные потери, что снижает полезный выход ветрогенератора. Редуктор Глиддена обеспечивал равномерное вращение оси генератора, что было для того важным, ведь он был синхронным и требовал постоянства оборотов.

Редуктор, установленный на WTS.

От себя добавлю, что потери мощности выделялись бы в гидромуфте в виде тепла, которое пришлось бы каким-то образом отводить, а это непростая задача. Действительно, примем потери на муфте в 2%, что очень мало, тогда при мощности 3 мегаватта придётся отводить 60 киловатт тепла. 60 мощных электрочайника, они там всё вскипятят. Увы, но проблема возгорания перекочевала от ветряных мельниц к ветрогенераторам и потребовала внедрения в их конструкцию системы охлаждения. На WTS генератор принудительно охлаждался воздухом, а редуктор -- маслом. Планетарный редуктор из патента, установленный на WTS стал сложнее, чем принципиальная схема на рисунке, но это был всё ещё он. Такая вот рессорная подвеска. С тех пор появилось множество вариантов подобных устройств, поскольку проблема никуда не подевалась.

В патенте US4353681 Глидден предлагает выставлять турбину по ветру пассивным методом, подобно флюгеру, за счёт смещения опоры гондолы от оси ротора. Это решение использовалось на шведском ветряке, американский же был оборудован активной системой выставления курсового угла. Следующий патент US4515525 устраняет колебания гондолы по курсовому углу, возникающие из-за динамической нестабильности двухлопастного ветряка, проблема знакомая по Mod-0. Четвёртый патент US4695736 датирован 1985 годом и позволяет получать с генератора ток постоянной частоты при переменной частоте вращения ротора. WTS такой системы не имели, тем важнее для них были пружинные редукторы Глиддена Домана. В общем, в лице Глиддена шведы получили человека, который знает как заставить машину работать ровно, без излишней тряски и прочих неприятностей. Выбрали его нарочно, либо просто так совпало, я не знаю, но если всё делать с умом, то когда-нибудь совпадёт обязательно.

Лопасти "Гамильтон Стандард" -- ABL. Из архива НАСА.

Но это ещё не всё, американцы также предоставили шведам лопасти из стеклопластика совершенно оригинальной конструкции, о которой стоит здесь рассказать. Лопасти разрабатывались "Гамильтон Стандард" совместно с ABL (Allegany Ballistics Laboratory). Первые создали форму, опираясь на вертолётный опыт, вторые обеспечили технологию, используя свой опыт изготовления деталей твердотопливных ракет. Где там в ракетах применялись аналогичные конструкции мне, даже если бы я знал, следовало бы помалкивать.

Технология изготовления
лопасти WTS.

Геометрически лопатка WTS близка к лопатке Mod-1; цилиндрический лонжерон, которой служит входной кромкой аэродинамического профиля, к нему прикреплено треугольное "оперение", выполняющее роль всего остального. Производственный процесс совсем иной. Стеклопластик затвердевал на специальных болванках (оправках). Для этого на оправки последовательно наматывались волокна, пропитанные эпоксидной смолой (см. рис. слева). Процесс был автоматизирован и управлялся компьютером (контроллером). Это было первое автоматическое производство лопастей ветряных турбин из армированного пластика. Первое и на долгое время последнее, в последующем при изготовлении лопастей роль ручного труда была велика. К подобному уровню автоматизации возвращаются только в наши дни. Автоматизировать процесс в то время удалось благодаря простой геометрической форме оправок. В наше время для автоматизации требуются серьёзные роботизированные ткацкие станки и куча прочей автоматики и программного обеспечения, ведь форма лопастей усложнилась значительно. Такая простота была выбрана отнюдь не ради автоматизации, но для долговечности конструкции. Лопасть, состоящая из двух геометрических примитивов, предсказуема с точки зрения прочности. В ней нет каких-то потаённых углов, в которых могли бы спрятаться концентраторы напряжений. Цилиндрический лонжерон позволяет сформировать фланцевое соединение со ступицей ротора, а навес из выходной кромки крепится к лонжерону как к простой балке. Именно опасение получить трещину помешало перейти к монококовой конструкции с плавным переходом от фланца к выходной кромке. Такую сложную конструкцию в ту пору нельзя было не только просчитать, но даже проверить экспериментально -- набор необходимого числа циклов (десятки миллионов) занял бы длительное время.

Ниже традиционная таблица сразу для двух машин, если параметры отличаются, то они даются через слэш (WTS-3 / WTS-4). Отличия происходят из-за разницы сетевой частоты в Швеции и США, 50 и 60 Гц, соответственно.

Ротор

• Диаметр 72,2 метра
• 2 лопасти, на "качельках"
• 13° закрутка лопасти
• скорость вращения 25 / 30 об/мин
• регулировка угла атаки по всему размаху лопасти
• наклон оси ротора 0°
• конусность 6°
• высота оси 80 метров
• заветренное расположение (на корме гондолы)

Редуктор

• планетарный
• передаточное отношение 60
• пружинная амортизация порывов ветра

Генератор

• синхронный переменного тока 50 / 60 Гц
• 3 / 4 кВт активной мощности
• 1500 / 1800 об/мин
• 6,6 / 4,16 кВ

Гондола

• пассивное / активное управление курсовым углом

Башня

• стальная труба 
• высота 77,4 метра
• лифт для персонала
• общая масса с оборудованием 75 тонн

Рабочие характеристики

• минимальная скорость ветра 6 / 7,1 м/с
• номинальная скорость ветра 14,2 / 16,2 м/с
• максимальная скорость ветра 21 / 27 м/с

Турбину WTS-3 установили в местечке Магларп (Maglarp) вблизи города Треллеборга (Trelleborg) на самом южном побережье Швеции в 1982 году. Произведена турбина была, в основном, на "Карлскрунаварвет", за исключением лопастей, которые были доставлены из США. Установкой и эксплуатацией заведовала электрическая компания "Сюдкрафт" (Sydkraft, Энергетическая компания Южной Швеции, ныне E.ON Sverige AB). При установке турбины строители столкнулись с проблемой логистики. Башня была сварена целиком на верфи в Карлскруне, откуда отправлена морем в Треллеборг. Это было ещё ничего, перевести её по городским дорогам из Треллеборга в Магларп (около семи километров) оказалось совсем непросто. В последующем на логистике подорвались многие фирмы; некоторые крупногабаритные части ветряных турбин (лопасти, например) не могут быть ни изготовлены на месте, ни доставлены по частям, что создаёт массу проблем, требующих специальных технических решений.

Путешествие башни из Треллеборга в Магларп. С сайта "Ветер перемен".

Турбина проработала с 1982 по 1993 год, т.е., одиннадцать лет. Собственно, это и было её главным достижением. В первые два года эксплуатации она отработала 7500 часов и выдала 11,5 млн. кВт-ч. Её доступность (отношение времени, при котором турбина готова к работе, ко всему календарному периоду) составило 63%. Давайте проведём расчёт её средней мощности. Для этого нужно поделить выработку на отработанные часы и умножить полученный результат на доступность, чтобы перевести среднюю величину за отработанное время к календарному времени:

11,5 млн. кВт-ч / 7500 ч * 63% = 0,97 МВт (1/3 от номинальной мощности)

Вполне себе современная величина. Выработка за одиннадцать лет, посчитанная исходя из этой средней мощности, составит 93 млн. кВт-ч. Теперь, если умножить выработку на стоимость киловатт-часа и вспомнить, что современная турбина такой мощности стоит примерно пару миллионов долларов США, то её окупаемость совсем не выглядит фантастикой даже несмотря на наличие неучтённых эксплуатационных расходов. Другое дело, что опытный образец стоил существенно дороже. Сам расчёт я не привожу, поскольку стоимость электроэнергии не является какой-то фиксированной величиной, она определяется на рынках, которые очень разные, и о чём здесь уже говорилось.

Американский WTS-4 также изготовили в Швеции, за исключением лопастей и башни. Работы по нему оплатило Бюро мелиорации (Bureau of Reclamation), государственный орган, заведующий каналами и гидроэлектростанциями на западе США. В 1980 году шесть миллионов долларов пошли в "Гамильтон Стандард", который уже как-то со шведами расплачивался. Инженерную поддержку проекта осуществляли Льюесовский центр и министерство энергетики. Мелиорация появилась здесь потому, что ветрогенераторы планировалось использовать совместно гидроэлектростанциями, давняя идея как побороть проблему неравномерности ветра.

WTS-4 на Аптекарской луке.

В конце 1982 года WTS-4 был запущен на Аптекарской луке, но проблемы с электроникой не позволяли ему долго работать, остановы следовали один за другим. Потом начались проблемы с механикой (в том числе, с механизмом выставления по ветру, отсутствовавшем в WTS-3), но всего хуже были удары молний. Один удар случился в 1983 году, другой в 1986-м. Молнии выжигали электронику. Слабая защита от атмосферного электричества была присуща этой конструкции. Электроника WTS-3 в Швеции тоже была сожжена молнией (помимо молнии в Швеции были проблемы с подшипниками в ступице ротора, а за пару лет до конца обнаружилась трещина в корпусе редуктора, что вынудило уменьшить втрое максимальную мощность, а затем и вовсе вывести ветряк из эксплуатации). Бедственное существование WTS-4 в Бюро мелиорации продолжалось до января 1989 года, пока его не купил за двадцать тысяч долларов бывший инженер из бюро, 64-летний Билл Янг (Bill Young). Он потратил полтора года на ремонт машины, после чего она отработала в сети с января 1992 года по январь 1994-го в течении 3500 часов, почти столько же, сколько за всё предыдущее время. 14 января 1994 года, во время бури, Билл Янг самолично видел, как у WTS-4 оторвалась лопасть. Не выдержал шарнирный замок в ступице ротора, те самые "качельки".

Так закончилась история ветряков WTS, которых готовили для запуска в серию, но, в силу ряда объективных и субъективных причин и несмотря на долгую историю эксплуатации, не оправдавших ожидания индустрии. Не хватало им надёжности, слишком много средств уходило на ремонт. Что же касается Глиддена Домана, то он покинул в 1987 году "Гамильтон Стандард", компания к тому времени потеряла интерес к ветроэнергетике. Несмотря на пенсионный возраст, Глидден не ушёл на отдых, продолжал работать по ставшей ему близкой тематике, сотрудничал с итальянцами, но это уже другая история.

Назад

К оглавлению

Вперёд