Механика сплошных вторников: Звёздный десант

Ten little Injuns standing in a line
Septimus Winner

К 90-м годам прошлого века Европейская комиссия превратилась из первоначально временного и консультативного образования в постоянный орган, способный принимать самостоятельные решения, а после подписания в 1992 году Маастрихского договора и вовсе в правительство Евросоюза. Как правительство, Еврокомиссия взялась за крупные научные проекты, привлекая к работе научный потенциал всей Европы. Среди таких проектов оказался и проект по ветроэнергетике, получивший звёздное имя WEGA. Под этим именем скрывался немецкий акроним Wind Energie Große Anlangen, то есть, тоже самое, что и GROWIAN, только во множественном числе и вид сбоку. Имя WEGA появилось не сразу, вначале была исследовательская программа JOULE, которая началась в середине 80-х и породила желание начать всё сначала. Тогда JOULE стала WEGA I, а после 1993 года проект продолжился под именем WEGA II.

Помимо желания избежать путаницы и непонимания откуда взялся номер два в названии проекта, других особых причин рассказывать о программе JOULE нет. Просто перечислю машины, которые принимали в ней участие. Датская турбина датского же типа на 2 МВт в Тьереборге (Tjæreborg), и ещё две очень похожие на неё: испанская турбина AWEC-60, (фирмы M.A.N) на 1,2 МВт и английская машина в Ричборо (Richborough) на 1 МВт. Никаких новых знаний они не дали, кроме осознания необходимости улучшить конструкцию.

Другое дело WEGA II, он гарантировал результат. Всё познаётся в сравнении, как говорят некоторые, вот и этот проект предназначался для сравнения ветряков различных конструкций и от разных производителей. Экспертная группа проекта должна была привести к общему виду результаты измерений, проведённые в местах установки ветряков на оригинальном оборудовании, чтобы сравнить их и сделать выводы. Задача обработки таких данных сама по себе интересная и сложная, но за рамки этих записок выходит. Для эксперимента были выбраны десять ветрогенераторов мегаваттного класса. Серийных машин в этом классе в то время не существовало, все они были опытными, произведёнными в единственном экземпляре на основе прототипов. Производители были заинтересованы в создании таких машин, у них появлялась возможность провести испытания предкоммерческих образцов, используя господдержку (со стороны Еврокомиссии и национальных правительств). Собственно, это были их испытания, эксперты лишь консультировали и сводили вместе разнородные результаты. Вот эти машины, а так же их производители.

NM 1500/60

Фирма "Нордтанк-Микон" (NEG Micon) создала для испытаний ветрогенератор NM 1500/60. Турбина классического датского концепта на полтора мегаватта мощности, диаметр ротора 60 метров, как это уже можно понять из названия. Все характеристики этой и других турбин проекта можно узнать в отчёте для Еврокомиссии на английском языке (pdf-file, 12 MB), существуют также немецкий и французский варианты этого отчёта. Здесь я упомяну только отличительные качества именно этой машины. Ветеран датской ветроэнергетики "Нордтанк" (слился с "Микон" в 1997 году) сохранил свои старые привычки; лопасти ротора поставил сторонний производитель -- LM Glasfiber. Лопасти имели слоистую структуру: два слоя стеклопластика с пористым наполнителем между ними. Вероятно, такое усложнение потребовалось из-за необходимости сделать лопасти жёсткими, чтобы воздушные тормоза на их концах исправно работали. Другая особенность машины, это наличие в ней двух одинаковых генераторов. Не про запас, но ради оптимизации работы в разных диапазонах мощности. На малом ветре работал один генератор, а по мере возрастания мощности подключался другой. Генераторы, несложно догадаться, тоже были от стороннего производителя ("Сименс"), отсюда и такое затейливое решение.

Bonus 1 MW

Другой ветеран, "Бонус" тоже принял участие в звёздном проекте, его ветряк получил совсем прозрачное название -- Bonus 1 MW. Мегаваттный ветрогенератор хотя и был близок к датскому концепту, но "Бонус" внёс в него некоторые изменения. В роли воздушного тормоза выступали лопасти целиком, а не только их концы. Для этого каждую лопасть оснастили поворотным механизмом, с его помощью также регулировалась мощность турбины при сильном ветре. За счёт такой регулировки выдерживалась постоянная максимальная мощность, несмотря на плотность воздуха. Более ничего примечательного об этой машине сказать нельзя, что представляется несколько странным, учитывая последующие события. С другой стороны... может быть, так оно и должно было быть. Турбина "Бонуса" была просто нормальная, без отклонений, поэтому и сказать о ней ничего особенного нельзя.

E-66

"Энеркон" представил дальнейшее развитие ветрогенератора E-40, увеличив диаметр ротора с 40 до 66 метров, что и было отражено в названии -- E-66. Мощность при этом возросла до полутора мегаватт. Что же касается отличительного новшества, то им стал внешний вид ветряка, гондолы, в первую очередь. Надо заметить, что все производители на этом проекте позаботились о внешности своих машин, некоторые специально для этого приглашали дизайнерские фирмы. "Энеркон" пошёл, пожалуй, дальше всех, дизайн его ветряка разрабатывал знаменитый архитектор сэр Норман Фостер, и до сих пор его мотивы используются во всех турбинах фирмы. Каплевидная форма, которую Фостер придал гондоле, скрыла под собой кольцевой генератор большого диаметра. По этой капле энерконовские турбины можно мгновенно и безошибочно отличить от всех остальных. Мелочь, казалось бы, но фирма продемонстрировала способность быть оригинальной в деталях не в ущерб главному. Впрочем, как показала практика, видимость совсем не мелочь. Соседи E-66 пожаловались в суд на то, что по утрам тень от вращающегося ротора падает на их дома, а это бесит. С ними нельзя было не согласиться. В программу турбины прошлось внести изменения, теперь она каждый день выключалась в 8 утра и вновь включалась только в час дня. Такой график работы естественным образом не в лучшую сторону отразился на коэффициенте использованной мощности.

NW53/2/1000

Новорождённая нидерландская компания NedWind (в 1998 году поглощена "Нордтанк-Микон") выставила ветрогенератор NW53/2/1000. Цифры в названии расшифровываются следующим образом: диаметр ротора 52,6 метра, 2 ~~бортпроводницы~~ лопасти, 1000 кВт мощности. Двухлопастная схема намекает на то обстоятельство, что среди активов компании числились и американские тоже. Это объясняет и её быстрый технологический подъём; образовавшись в 1990 году, она уже через четыре года установила работоспособную турбину мегаваттного класса. Ротор турбины устанавливался с наветренной стороны, его стеклопластиковые лопасти поворачивались. Он мог вращаться с двумя различными фиксированными скоростями (для оптимизации соотношения окружной скорости к скорости ветра). Чуднее всего было генераторное хозяйство этого ветряка. Первоначально на нём было установлено целых шесть генераторов: четыре больших и два маленьких. Затем от маленьких удалось отказаться. Также можно отметить, что для коммерческого варианта ветряка была создана система управления на базе микропроцессора 80188C, сходного с процессорами х86, которыми оснащались первые PC. Процессор позволял пересылать данные через модем. Тем самым появлялась возможность удалённого перепрограммирования машины, а также её удалённого мониторинга, обязательной системы современного ветрогенератора.

V6.3-1.5MW

Фирма "Вестас" тоже не могла остаться в стороне от такого проекта. Её турбина V6.3-1.5MW походила на турбину "Бонуса". Или наоборот. Обе фирмы шли близкими путями. Отличие между ними сводилось, по большому счёту, к генераторному хозяйству. У "Вестас" оно было по-хитрее, лучше приспособлено к переменной нагрузке. Да и управление лопастями также было сложнее, что призвано было создать преимущество в эффективности и уменьшить шумы. Как оно получилось на самом деле, будет рассмотрено позже.

Вообще надо отметить, что все десять турбин проекта WEGA II сильно походили друг на друга. Дело тут не только в обмене идеями, но и в том, что оптимальные решения нередко обладают свойством единственности. Так очень похожи друг на друга современные авиалайнеры или автомобили класса "такси" (за исключением английских кэбов, разумеется). Ответ на вопрос "почему так получилось" можно дать в духе эволюционной теории: "потому что остальные не выжили". Из сказанного вовсе не следует, что к 90-м годам удалось достичь наилучшего решения, которое невозможно превзойти. Какие-то идеи не удавалось реализовать из-за несовершенства технологии, какие-то и вовсе не приходили в голову. Кроме того, по-прежнему существовали варианты из которых ещё только предстояло выбрать наилучший, о чём и говорит этот перечень.

Gamma 60

Следующая турбина, Gamma 60, разрабатывалась итальянской фирмой West под руководством Глиддена Домана, того самого вертолётчика, который проектировал "шведские спички". По иронии судьбы, эта его машина тоже сгорела, но виновата была уже не молния. Все ветряки проекта WEGA II оснащались надёжными громоотводами. Домана подвело отсутствие воздушного тормоза, обычный же, работающий на трении, сработал неудачно и спалил всю машину этим своим трением, на её восстановление ушло полтора года. Датский стандарт недаром в обязательном порядке включает в себя воздушный тормоз -- он снижает силу, действующую на ротор со стороны ветра, обычный же тормоз может только противопоставить силе ветра свою силу, но ветер завсегда оказывается сильней. По сравнению с предыдущей турбиной Домана, в этой были исправлены некоторые огрехи. Ротор был перемещён в наветренное положение, а скорость его вращения не фиксировалась (генератор выдавал "дикий ток", который затем выпрямлялся и преобразовывался в переменный постоянной частоты). Мощность снизили до одного мегаватта. А вот лопасти, например, изготовили по той же самой технологии американской ракетной фирмы.

Nordic 1000

Компания Nordic Windpower -- ещё один осколок зеркала Снежной королевы, шведской госпрограммы по ветроэнергетике, был приватизирован в США в 1990 году. Дальнейшая его судьба складывалась незавидно и в 2012 году он прекратил своё существование без следа. Но в 90-х ему удалось выставить на WEGA II свой мегаваттный ветряк Nordic 1000. Машина задумывалась как максимально упрощённая, облегчённая и "мягкая", уступчивая напору ветра. Таким образом планировалось снизить стоимость ветрогенерации. Двухлопастной ротор был установлен с наветренной стороны на "качельках" и с фиксированным положением лопастей. Скорость его вращения увеличивалась по мере нарастания силы ветра, пока мощность не достигала максимальной величины, после чего раскрутка ротора останавливалась и частота оставалась постоянной (25 об/мин). Стабилизация вращения происходила за счёт отрыва потока от лопастей, для минимизации потерь при отрыве, лопасти были оснащены вихрегенераторами.

MS4-600

Английская компания Wind Energy Group (в 1998 году поглощена "Нордтанк-Микон") выпускала для домашнего рынка турбины средней мощности (300 кВт). Специально для WEGA II она создала турбину MS4-600, но даже двукратное увеличение мощности не дало желаемого мегаватта. Тем не менее, и 600 киловатт было признано приемлемой величиной. Турбина получилась интересной, грех было её не протестировать. В своей "мягкости" она пошла много дальше Nordic. Трехлопастной ротор, установленный в заветренном положении, обладал гибкими лопастями. При сильном ветре они сгибались, уменьшая парусность. Ротор становился конусным с углом при вершине в 70°. Похожее решение проблемы уменьшения ветровой нагрузки использовалось и прежде, так называемая "зонтичная" схема. Машина Путнама, например, тоже складывала лопасти, он у ней они были жёсткими, из нержавейки, зато на шарнирах в ступице. Здесь же лопасти жёстко крепились к ступице (с возможностью поворота), а изгибались они за счёт собственной упругости. Основную нагрузку брали на себя стеклопластиковые лонжероны с продольным расположением армирующих волокон, что делало лонжероны устойчивыми на изгиб, остальная часть нагрузки ложилась на оболочки лопастей. Гондола тоже крепилась к башне на шарниром устройстве, что позволяло ей покачиваться. Да и сама башня была достаточно гибкая. Короче говоря, получилось что-то вроде одуванчика.

Aeolus II

Две оставшиеся машины следует рассматривать совместно: для их создания объединились немецкий и шведские заказчики, электросетевые компании, и подрядчики у них были одни и те же. Среди подрядчиков были исследовательские институты, шведская компания Kværner Turbin AB, часть норвежской группы Kværner, специализирующейся в тяжёлой промышленности, и "Мессершмитт", он участвовал в WEGA II параллельно с работой над однокрылами. На картинке слева, за "Эолом" можно увидеть одного из них. "Эол" (Aeolus II) испытывался немцами, "Нёзюдден" (Näsudden II) -- шведами. Машины были очень похожи, главное функциональное отличие заключалось в генераторном хозяйстве. Ротор "Эола" вращал с переменной скоростью синхронный генератор, а "Нёзюдден" оснащался двухскоростным индукционным генератором. Так же были отличия в башнях: "Нёзюдден 2" установили на башню его предшественника, "Нёзюддена 1".

Näsudden II

Наверное следует написать пару слов о генераторах. С "Эолом" понятно, он вырабатывал "дикий ток", который затем преобразовывался в удобоваримый вид. Генератор "Нёзюддена" был подсоединён к распределительной сети напрямую. На слабом ветре ротор турбины вращался с одной частотой (14 об/мин), присоединённый к нему через редуктор генератор выдавал в сеть напряжение заданной частоты. При сильном ветре микропроцессор переключал ротор на вращение с другой частотой (21 об/мин), а в генераторе производил переключение обмоток, из-за чего тот по-прежнему выдавал ту же самую частоту, хотя сам уже вращался с другой скоростью. Кроме того, генератор имел 3%-ное "пробуксовывание" по частоте, т.е., его скорость могла отличаться от номинальной на эти 3% без изменения частоты выходного напряжения.

В целом же обе машины имели двухлопастной ротор в наветренном положении со стеклопластиковыми лопастями с регулируемым углом атаки и выдавали по 3 мегаватта мощности.

Десять бойцов получились похожими друг на друга, но каждый имел свои особенности. Можно разделить их на две большие группы: датского и американского типа. Однако, даже в пределах одной группы различия вполне заметные. Экспертам предстояло определить, кто из них лучший, но сделать это было возможно только в полевых условиях. С этой целью звёздный десант высадился на берегах Европы, окружив старушку со всех сторон.