Некому берёзу заломати

Я пойду, погуляю,
Бѣлую березу заломаю;
Вырѣжу три пруточка,
Сдѣлаю три гудочка,
Четвертую балалайку.
Вы, гудки, не гудите,
Стараго мужа не будите!

Из сказанного прежде может сложится впечатление, что развитие ветроэнергетики в нулевые годы XXI века сводилось к простому расширению рынка и увеличению мощности ветрогенераторов, но это не так, разумеется. Совершенствовались технологи как изготовления, так и управления ветряками, менялась их конструкция, расширялась отрасль их технического обслуживания и ремонта, расчётные методы тоже не стояли на месте. Более того, с широким внедрением численного моделирования появилась потребность проведения теоретических работ в области прикладной математики. Возникло желание лучше использовать в конструкции турбин такое явление, как аэроупругость, но по-хорошему рассчитывать её было нечем. То есть, что-то уже было, созданное в лихие девяностые, но что-то.

По свидетельству Эрика Грове-Нильсона, первостроитель плотник Рииксадер объяснял своё пристрастие к дереву в конструкции ветряка следующим соображением: ветряк использует природную силу, поэтому и делать его следует из природного материала, лучше всего приспособленного к воздействию ветра. А что это, как не дерево? С этой симпатической магией трудно поспорить, особенно после прошедшего сквозь Москву шторма, повалившего тысячи деревьев, но большинство-то из них выжило! Выжили благодаря своей гибкости, иногда жертвуя листвой, дабы уменьшить парусность и ветровую нагрузку. Опыт ветростроительства говорит о том же. Жёсткие конструкции ветряков недолговечны. Их терзают вибрации, приводящие к усталостным трещинам, а также к истиранию движущихся частей. Как кошмарный эталон такой конструкции можно привести "этажерку" Хоннефа в небе над Берлином. Кстати, его башню "Толстяк" таки снесло ветром... Гибкие конструкции ведут себя куда лучше, но с ними тоже возникают проблемы.

Изменяя свою геометрию под воздействием ветра, они изменяют и само воздействие ветра, поскольку оно зависит от геометрии. Дерево, клонясь под ветром и роняя листья, уменьшает свое сопротивление ветру, и, стало быть, в соответствии с третьим законом Ньютона, уменьшает и действующую на него силу ветра, о чём и было выше сказано про шторм. Но так получается потому, что деревья созданы эволюцией, отобравшей тех, кто выжил под ударами ветра. К сожалению, нельзя просто так взять и создать гибкую конструкцию, которая будет изгибаться наилучшим образом, сохраняя себе жизнь. Вполне может получиться наоборот. Например, лопасти изогнутся под ветром так, что заденут башню, тут всё и закончится. Надо ещё вспомнить флаттер, с которого началась аэроупругость, он тоже убийственный. Да те же деревья, не все уцелели, опыт миллионов лет эволюции не смог предусмотреть все неприятности.

Кроме вынужденного внешними силами изменения геометрии, турбина с регулируемым углом атаки сама меняется под воздействием команд управления, что тоже меняет аэродинамические силы, в том числе, за счёт возмущения течения воздуха, установившегося до ворочения лопастью. Вращения лопастями из-за этого приводят к временным переходным процессам в течении ветра, что отражается на работе генератора и производстве электричества.

Все приведённые примеры относятся к аэроупругости, которую надо понимать, т.е., просчитывать, во избежание указанных проблем. Исключительно чтобы показать сложность задачи, рассмотрим основные положения теории аэроупругости. Математику трогать не будем, ограничимся физикой (ежели таковая бывает без математики, ну да ладно, на пальцах). Внизу изображён классический треугольник аэроупругости. Три цветных гудка прямоугольника обозначают три вида сил создающих феномен аэроупругости.

Треугольник аэроупругости.

Все три вида сил равноправны и действуют одновременно (хотя некоторые из них могут быть равны нулю в какой-то момент времени, но ноль тоже величина). Аэродинамические силы создаются давлением в потоке воздуха, которое меняется и от точки к точки, и со временем. Силы инерции проявляют себя при движении массы с ускорением. Когда ускорение равно нулю, то и силы инерции обнуляются, но в турбине такого практически никогда не происходит, потому что она вращается, а вращение создаёт центростремительное ускорение, а то -- центробежную силу, то бишь, силу инерции. Так же любые другие переменные процессы (колебания, например) вызывают к жизни силы инерции. Третьи силы -- силы упругости в твёрдом теле (ветряке), с ними всё просто, кроме того, что они описываются тензором второго ранга, собственным в каждой точке тела, но мы обещали не касаться математики, так что нам всё просто, ограничимся представлением о пружинке.

На картинке есть ещё стрелочки, обозначающие некоторые явления. Эти явления случаются при совместном действии пары цветных сил. Они хорошо известны в быту. Стрелочка внизу, между красным и зелёным, обозначает простые механические колебания, как в пружинном маятнике. Стрелочка справа, между красным и синим -- явления, которые протекают при обтекании жёсткого, недеформируемого тела. Стрелочка слева, между синими и зелёным, это статическая аэроупругость, самый простой пример аэроупругости как таковой. В этом случае аэродинамические силы деформируют тело, а тело меняет аэродинамические силы. Так происходит до тех пор, пока они не уравновесят друг друга, либо конструкция не разрушится (так, например, шторм срывает крыши с домов). Установившееся состояние и будет статической аэроупругостью.

Что же касается балалайки надписи в центре, то это как раз те явления, которые случаются при совместном действии всех трёх сил, то есть, интересующий нас предмет. Задача получается непростая, решать её нужно в объёме, окружающем ветряк (включая его самого), но самое печальное, что её нельзя решить раз и навсегда. Для каждого случая нужно новое решение, поэтому потребовалось разработать такие расчётные методы, которые позволяли бы справляться с задачей доступными средствами в разумные сроки. На спрос возникло предложение.

В 2000 году в Дании было объявлено о начале государственной долговременной программы по исследованию аэроупругости. Первоначально говорилось о двух годах. Параллельно какая-то работа по этой теме проводилась в Греции. Затем МЭА включила в свою программу по снижению стоимости ветряной энергии пункт о совершенствовании моделей аэроупругости с упором на 3D-эффекты и устойчивость. Работа уже предполагалась долговременная, о чём сообщалось в годовом отчёте МЭА за 2001 год. В 2002 году в Дании Рисё создал консорциум Технического университета с университетом Ольборга и Датским гидравлическим институтом, поручив ему, в том числе, и разработки в области аэроупругости. За год Рисё на одни только эти разработки потратил три миллиона датских крон. В 2003 году симпозиум в NREL по аэродинамике ветряных турбин подтвердил интерес к теме моделирования аэроупругости. В 2004 году к работе подключились итальянские исследователи из университетов Болоньи, Тренто и Милана. Они занялись совершенствованием расчётных программ, их валидацией на основе экспериментов. В университете Готланда (Швеция) создали CFD модель Фазы VI с учётом аэроупругости. (CFD - computational fluid dynamics -- расчёт течения среды, численное решение уравнения Навье-Стокса). Это то немногое, что удаётся отследить по отчётам МЭА. Работы ширились и углублялись.

В 2005 году Еврокомиссия учредила проекты KNOW-BLADE и STABCON нацеленные на расширение познаний в области аэроупругости, в рамках которых предполагалось разработка программных инструментов анализа аэроупругой устойчивости. Рисё представила новые компьютерные программы моделирования аэроупругости. Постепенно, во второй половине десятилетия, появилась некоторая ясность в вопросе, был создан набор рабочих инструментов численного анализа аэроупругости. Здесь нет ни возможности, ни смысла не только подробно их разбирать, но даже перечислять. Зато следует привести пример того, что удалось сделать с их помощью.

Пример аэроупругого расчёта. Из отчёта Технического университета для Рисё.

Защита привода турбины от порывов ветра одна из непреходящих зубных болей ветростроителей. Для её устранения придуманы различные хитроумные устройства, подрессоренные муфты на ведущем валу, например. Подобное запатентованное устройство -- главная гордость турбины Haliade 150. Однако, ветер силён, и противопоставлять ему одно только упругое сопротивление конструкции -- дело излишни самонадеянное. Поэтому датский стандарт включает в себя воздушные тормоза, которые уменьшают саму ветряную нагрузку на привод, не рассчитывая на один только обычный тормоз. В современных турбинах воздушным тормозом являются сами лопасти, автоматика поворачивает их соответствующим образом в случае необходимости. К сожалению, при порывах ветра, которые продолжаются время порядка секунды, поворотный механизм многотонных лопастей длинною в десятки метров не успевает сработать должным образом, поэтому приходится полагаться на механические амортизаторы.

Ветряное подразделение корпорации "Сименс" вышло из этого затруднения, создав турбины с лопастями, обладающими необычными свойствами. При порывах ветра их концы изгибаются таким образом, чтобы минимизировать ударную нагрузку на привод за счёт изменения аэродинамического качества деформированных лопастей. Изгибаются они самостоятельно под действием аэродинамических сил, без автоматики, за счёт своих упругих свойств и сил инерции. Это так называемая технология аэроупругой подгонки лопастей (aeroelastically tailored blade). Нечто подобное можно видеть когда ветер налетает на дерево и его ветки покачиваются. Ниже рекламный мультик компании, на его второй минуте демонстрируется технология подгонки, на которую без объяснения трудно обратить внимание.



Идея этой технологии не нова, к ней активно подбирались в последней четверти прошлого века, не только ветростроители, но и вертолётостроители, у которых те же проблемы. Более того, система Сабинина-Красовского тоже близка к этой идее, но вместо упругости самой лопасти использует пружину и противовесы.

Для изменения аэродинамической нагрузки лопасть должна не просто изогнуться, но закрутиться, чтобы изменился угол атаки. Этого можно добиться, если упругость лопасти анизотропна; то есть, разные части лопасти по разному деформируются при одной и той же нагрузке. Получить анизотропию упругости несложно (скорее наоборот, сложно сделать всё одинаковым). В качестве объяснения на пальцах (в самом прямом смысле слова) положите на раскрытую ладонь новую и гладкую денежную купюру. Очень скоро она сама закрутится в трубочку. Так происходит от того, что ладонь воздействует преимущественно на одну сторону купюры. Стороны деформируются по-разному и купюра закручивается. В случае с лопастью, роль ладони играет ветер. Секрет тут в том, как сделать так, чтобы всё закручивалось именно так, как нужно. Вот с этим до появления в XXI веке расчётных программ по аэроупругости дело обстояло туго. У разработчиков не было в запасе миллиона лет на пробы и ошибки как у эволюции, им был нужен точный расчёт, из которого стало бы ясно, куда следует двигаться дальше, чтобы достичь нужного результата. А для расчётов нужна была балалайка, математические методы и программные средства.

Конечно приведённое объяснение слишком поверхностное, чтобы быть правильным. Кто-то скажет, что вообще не надо так опошлять, лучше жевать, чем говорить, но по-моему мнению такая критика проистекает от болезненного перфекционизма. Даже самый большой специалист не всё понимает в своём деле, так что же, ему тоже помалкивать? Понимание не есть состояние, но процесс, который с чего-то начинается, с какого-то э-э-э... На правах этого э-э-э и примите вышеприведённое объяснение одного из многих усовершенствований, ставших возможными благодаря игре на балалайке. Игре, позволяющей создавать механизмы более похожие на организмы, чем на косную материю.

Назад

К оглавлению

Вперёд