Небо над Берлином

Херманн Хоннеф на фоне
модели своего ветряка

Херманн Хоннеф (Hermann Honnef) родился 19 июля 1878 года в городе Бад Хоннеф на самом западе Германии. Работать он начал в конструкторском бюро фирмы мостостроителя Хиглерса (Hilgers). Без отрыва от производства занимался самообразованием, университетов не кончал. В 22 года занял место главного инженера в мостостроительной фирме Флендера (Brückenbau Flender). В 1907 году основал собственную инженерно-строительную фирму в Лотарингии. После Первой мировой войны Лотарингия отошла ко Франции, тогда Хоннеф на базе заброшенного аэродрома в Баден-Вюртенберге создал новую фирму; 500 рабочих, 50 инженеров. Строил уникальные инженерные объекты. В 1925 году его фирма построила радиовышку в городе Кёнигс-Вустерхаузен (Königs Wusterhausen). Ферменная металлическая конструкция из трёх мачт общим весом в 700 тонн достигала 243 метров в высоту и должна была быть ещё выше за счёт коротковолновых антенн на своей верхушке, но их установить не удалось из-за ограничений, наложенных Версальским договором. Башня получила прозвище "Толстяк" (Der Dicke) и была настолько популярна, что её изображение стало гербом города Кёнигс-Вустерхаузен (город расположен неподалёку от Берлина и входил в советскую оккупационную зону). По иронии судьбы, башня была разрушена ветром в 1972 году. В 1931 году фирма Хоннефа обанкротилась, сам он переехал в Берлин. Тут-то и началась его новая жизнь, целиком связанная с ветром.

Страница из журнала
Everyday Science and Mechanics

"Ветер у поверхности Земли, как известно, неустойчивый, но последние исследования показывают, что на высоте тысячи и более футов над землёй (300 м) ветер сравнительно ровный и непрерывный. Это известие придало новую жизнь надежде найти устойчивый источник природной энергии, куда более общедоступный, чем энергия воды. Конструкции на этих иллюстрациях были подготовлены немецким инженером Хоннефом, воздвигшим несколько гигантских радиовышек. Как здесь показано, конструкция, несущая электростанцию, могла бы стать выше любого когда-либо воздвигнутого строения.
Изыскания, проведённые в Германии, показывают, что  скорости ветра в 22 мили в час (10 м/с) практически постоянны (с небольшими вариациями) на указанной высоте. Для их утилизации вместо маленьких ветряных колёс предполагается возвести на каждой башне ветряной турбины по три мощных колеса, каждое 530 футов в диаметре (162 м). Общий вес так сбалансирован на опорных подшипниках, что колёса обращены к ветру, причём угол, под которым колёса встречают поток ветра, зависит от скорости ветра. Если она очень большая, как при шторме, колёса подставляются ветру только своими кромками, если поток воздуха лёгок, то колёса занимают вертикальную позицию, как показано в деталях в нижнем правом углу нашей иллюстрации. Колеса начинают вращаться на ветерке 4 мили в час (2 м/с) и по причине большой инерции будут вертеться ровно.
Метод генерации электричества уникальный. Вместо редуктора, соединяющего большие колёса с генератором, как в предшествующих конструкциях, каждое колесо само по себе представляет огромный электрический генератор. Колёса двойные; статорные и роторные обмотки встроены во внешнее и внутреннее кольцо, соответственно. С выхода запитывается распределительная система, которая имеет необходимые трансформаторы и преобразователи.  Изобретатель планирует использовать линию постоянного тока напряжением 40 кВ. Стоимость каждой установки мощностью 30 тыс. л.с. (22 МВт) оценивается в 1,1 млн. USD, наработка в 130 млн. кВт-ч в год, затраты на поддержание невысокие.
Первая возведённая экспериментальная башня должна быть 665 футов высотой (203 м), иметь 200-футовые колёса (61 м) и располагаться вблизи Берлина". -- так в июне 1932 года живописал американский журнал Everyday Science and Mechanics.

Столь короток был путь Херманна Хоннефа от банкротства к мировой известности. Эти лихие 30-е годы ХХ века. Между прочим, процитированный журнал тоже был только что перелицован после банкротства. Кризис, это другое имя открывающихся возможностей. В Берлине Хоннефу удалось привлечь на свою сторону очень влиятельных лиц. То ли они попали под впечатление от его грандиозных планов, то ли сами решили обаять ими других, либо же и то, и другое вместе, что вероятней всего. Время действительно было безумное, тем более в Германии. Хоннеф фонтанировал идеями, с практикой было сложнее. Ему, как практику, должны были бы быть понятны препятствия, стоящие на пути его гигантомании, но они его не пугали по какой-то причине. Эксперименты продолжались до 1943 года, когда уже было всё. Самый большой экспериментальный ветряк имел 10-метровый ротор. Результаты были более чем скромные. Предложенная им схема двойного ротора оказалась абсолютно неоправданной с экономической, да и со всех прочих точек зрения.Тем не менее, идеи его достойны рассмотрения, более того, в чистом виде некоторые из них вполне здравые. По счастью, от творчества Хоннефа сохранились патенты. Среди них даже один советский -- картинка слева.

Советский патент (заявлен 5 марта 1931 года, опубликован 31 июля 1933 года) описывает главное изобретение Хоннефа в самых общих чертах, поэтому я воздержусь от его рассмотрения, его легко найти в сети и прочесть, если кому нужно. Рассмотрим по отдельности наиболее примечательные идеи Хоннефа, как ветростроителя.

Во-первых, это несколько симметрично расположенных ветряных колёс взамен одного традиционного. В первоначальном варианте ветряка Хоннефа колёс было два больших и одно маленькое вспомогательное, но далее аппетиты росли и число колёс достигло пяти. Идея продуктивная -- можно сэкономить на башне и фундаменте, кроме того, вращающиеся в противоположные стороны колёса компенсируют момент друг друга, поэтому их проще поворачивать к ветру. В 2016 году был построен первый экспериментальный ветряк с двумя ветряными колёсами. Специальная компьютерная система этого ветряка согласует вращение колёс. Вряд ли такая система управления могла бы быть создана в тридцатых годах прошлого века. Без неё же колёса с разной силой давили бы на опору, что привело бы к перекосу в опорном подшипнике с последующим его заклиниванием и разрушением. Потому что ветер переменчивый даже на высоте.

Во-вторых, это колёса на поворотной раме, описанные в американском журнале. Придумка оригинальная, однако очень сырая. Проблема, опять таки, в переменчивости ветра. Сильный ветер уводит раму от вертикального положения (как занавеску), но он может внезапно стихнуть, обычное дело. Тогда рама из наклонного положения вернётся в вертикальное. Причём сделает она это с ускорением свободного падения (почти). Попробуйте наклонить шкаф, а затем внезапно его отпустить. А теперь представьте, что этот шкаф -- буфет с хрустальной посудой. А это так, ведь колёса ветряка Хоннефа -- сложные электро-механические устройства. Тут необходим некий механизм доводчика, который в патенте даже не упомянут. Механизм же этот не может быть простым, учитывая габариты конструкции. Пружинками тут не отделаешься, нужно гидравлическое устройство, наподобие того, что подхватывает и тормозит самолёты, садящиеся на палубу авианосца. Устройство не только сложное, но и весьма массивное. Из всех виданных мною механизмов увода от сильного ветра -- этот самый причудливый и нелепый, несмотря на простоту, да она, как говорится...

Ветряное колесо-генератор. Набор обмоток со
смещённой фазой обеспечивал постоянный ток,
поэтому требование постоянства частоты вращения
 ветряка в схеме Хоннефа отсутствовало.

В-третьих, это генератор, встроенный в ветряное колесо. Такое совмещение вызвано желанием сэкономить на редукторе. Большое колесо вращается медленно, иначе центробежные силы будут слишком велики. Но для электрических генераторов того времени нужна была высокая частота вращения, поэтому использовались редукторы, устройства сложные и капризные, очень не любящие встряску. И теперь расходы на ремонт и замену редукторов составляют основную часть стоимости технического обслуживания ветряков. Разумеется тех, у кого есть редукторы. В наше время проблема создания безредукторных ветряков решена (direct drive), но на иной технической основе. Так что, идея была здравая, но реализация не очень.

Зазор между статорными  и роторными обмотками не должен быть очень большим, и, тем более, нулевым. Малейшее касание ободов привело бы к разрушению генератора, а то и всего колеса. Ремонт же был бы очень проблематичен. Хоннеф темы техобслуживания в своих патентах вообще не касался, вероятно понимая, что его ветряк нерементопригоден, поэтому и "затраты на поддержание невысокие". Авторы патента указывают (колесо было запатентовано отдельно в соавторстве с Хайнрихом Геффкеном (Heinrich Geffcken)), что зазор должен быть в пределах нескольких десятков миллиметров. Диаметр же самого колеса -- более пятидесяти метров. То есть, относительное изменение его формы не должно быть больше, чем 0,1%. Это известная проблема всего турбиностроения, проблема радиального зазора. В частности, она решается введением в зазор истираемых вкладок, но в зазор электрогенератора их нельзя поместить. До Хоннефа ветростроение проблемы радиального зазора не знало. Не знал и сам Хоннеф с соавтором, надо понимать, потому что буквально пару месяцев спустя (ноябрь 1936 года) они инициируют ещё один патент, где зазор между ротором и статором организован иначе. Ротор более не вложен в статор, оба они расположены параллельно на одной оси (как шашлык). Более того, колесо снабжено специальным сервоприводом, который отслеживает величину зазора и при необходимости меняет его, смещая колёса относительно друг друга. Это, наверное, был первый в мире регулируемый зазор. Однако, привод в патенте просто описан словами, не сложней, чем здесь. Тоже понятно почему, проблема была решена стратегически, без тактических деталей. На практике же стальное колесо (а его планировали делать из стали), несомненно деформировалось бы неравномерно. Не надо забывать, что оно ещё уклонялось от ветра. Так что,  регулировать его форму одним мотором не получилось бы. В наше время поддержка формы массивных узлов машин с помощью сервоприводов используется в астрономии, в таких гигантских телескопах как Keck, например. Там достигается точность в нанометры на десятиметровых зеркалах (~0,00000001%). Но телескопы находятся в тепличных условиях, они всего лишь отслеживают вращение небосвода, а оно не очень быстрое (один оборот в сутки). Кроме того, система управляется компьютером и стоит дороже паровоза. Впрочем, схема Хоннефа с обмотками на ободе вполне годная для маленьких ветряных колёс, там можно обойтись фиксированным радиальным зазором. Умельцы делают теперь такие ветряки "для дома, для семьи".

Цикл ветер - электричество - водород - уголь -
топливо - дизель - электричество - потребитель.

В-четвёртых, это система сглаживания неравномерности как работы ветряка, так и потребительской нагрузки, ей посвящён ещё один патент. Часть электричества от ветряка Хоннеф предлагал направлять на производство синтетического дизельного топлива, которое в случае повышенной нагрузки, либо недостаточного ветра приводило бы в действие дизель-генератор. Получать водород из воды первым начал ещё Поль Ла Кур, Хоннеф же предложил направлять электролитический водород в реактор процесса Фишера-Тропша для превращения каменного угля в жидкие углеводороды. Как известно, в Германии того времени месторождения углеводородов не были известны, каменного же угля было много. Поэтому переработке угля в жидкое топливо уделялось очень много внимания, несмотря на низкий КПД этого процесса. В конце WWII, когда Германия оказалась в полной блокаде, всё топливо получали из угля (ветряки в процессе не использовались). В последующем идеи гидратации угля по-прежнему владели умами (в Китае, в частности, где схожая проблема недостатка углеводородов при избытке угля), но процесс, в целом, действительно малоэффективный, поэтому он находился на задворках технического прогресса. По-новому на него взглянули в XXI веке, с появлением переизбытка ветроэлектричества, но теперь в качестве источника углерода рассматривается не каменный уголь, а углекислый газ. До промышленного производства дело пока не дошло, но опытные установки уже существуют. Таким образом, бензин собираются получать непосредственно из воздуха. Не исключено, что со временем такой процесс будет дешевле, чем традиционный цикл геологоразведка - добыча - транспортировка - хранение - нефтеперегонка.

В-пятых, Хоннеф предложил отправлять ветряки в открытое море, где ветер сильней и почти не бывает штилей. Тем самым, он изобрёл морские ветропарки. Предложенная им конструкция морского ветряка заметно отличается от современных (картинка слева), но сам принцип...

Идеи Хоннефа имели большой резонанс по всему миру. В особенности ими были индоктринированны в СССР и США, где под влиянием Хоннефа состоялись собственные проекты гигантских ветряков, с примерно тем же результатом, правда.

Оценили его заслуги и на родине. В 1952 году он получил от правительства ФРГ Командорский крест, став одним из первых его кавалеров, между прочим. Именем Хоннефа названы улицы в двух немецких городах. Так что, на родине его помнят, а вот за рубежом стали забывать, что не совсем справедливо. Всё-таки, жюль-верновский размах его фантазии достоин внимания. Но помимо восхищения от его фантазии, возникают и другие чувства, ведь как ни крути, а Херманн Хоннеф был наглым дилетантом и сыном своего времени, что объясняет забывчивость международного технического сообщества. Тем не менее, справедливость должна торжествовать, чему и посвящён этот пост.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Родителей не выбирают

Доктор Ульрих Хюттер,
истинный ариец,
член НСДАП с 1932 г.

Профессор Ульрих Хюттер (Ulrich W. Hütter) считается одним из отцов-основателей современной ветроэнергетики, поэтому умолчать о нём нельзя, как бы ни хотелось. Ульрих родился в декабре 1910 года в городе Пльзень, который в то время находился в Австро-Венгрии. По завершению этого имперского проекта семья перебирается в Австрию, где Ульрих заканчивает гуманистическую гимназию в Зальцбурге (примерно соответствовала российской дореволюционной гимназии). С 1930 по 1936 гг. изучал в Вене машиностроение и судостроение. С 1932 года вместе со своим братом Вольфгангом начинает работать в области планеризма. Тогда же они вдвоём вступают в НСДАП (партийный номер Ульриха 1205381, немецкая педантичность иногда полезна). В 1936 году он переезжает в Германию, в город Штутгарт, для изучения авиационной техники, о чём получает диплом в 1938 году. В 1942 году в Вене защищает докторскую диссертацию по теме "Основы проектирования ветровых электростанций" (Beitrag zur Schaffung von Gestaltungsgrundlagen für Windkraftwerke).

Его диссертация пользовалась большой популярностью в последующие годы, её часто цитировали  и продолжают цитировать до сих пор, хотя она уже устарела и ныне представляет собой исключительно историческую ценность. Всё та же идеальная среда, всё та же циркуляция, которых не существует. Главный результат этой работы -- расчётная методика моментов сил, действующих на ротор ветрогенератора. Примерно тоже самое, что изложено в книжке Фатеева. Однако, весьма интересны причины, которые привели к созданию этой работы.

История, вообще говоря, никогда не имеет начала, кроме как в книжках, но в целях связности изложения с чего-то необходимо начинать. Начну с того, что НСДАП взяла на вооружение принцип "жизненного пространства" (Lebensraum). Общепринятый перевод на русский язык этого принципа не вполне раскрывает его сущность. Здесь мы имеем биологический термин, ареал обитания. Нацисты полагали, что люди такие же животные, как и все остальные, а народы (точнее сказать расы, но в современном русском языке это слово тоже имеет не тот смысл, что немецкое der Rasse начала прошлого века) суть биологические виды. Под расой нацисты понимали как биологию, так и культуру, поскольку последняя в их понимании была простой функцией первой. Соответственно, каждый вид должен был занимать свой ареал, в рамках которого он формируется, потому что признаки вида обусловлены средой его обитания (на самом деле, принцип неточный даже в отношении животных). Отсюда как следствие проистекала другая теория: "кровь и почва" (Blut und Boden). Настоящий германец должен расти от земли, быть крестьянином (так лягушка сидит в болоте, поэтому она лягушка). Но земля в Германии к началу прошлого века вся уже была занята крестьянами, в городах же была сплошная безработица. В тоже время считалось, что к востоку от Германии, на месте Польши, прибалтийских стран и СССР, продолжается ареал обитания германцев, но вместо них там живут какие-то неправильные животные. Предполагалось их отсадить куда-нибудь на Мадагаскар, в Центральную Африку или за Урал. На освободившееся место должны были прийти колонисты (Wehrbauer) из числа бывших солдат, в первую очередь, из войск СС. Они должны были основать сельскохозяйственные колонии в чистом поле, возможно, в неприятельском окружении. В общем, примерно как римские ветераны на месте нынешней Румынии, или крестоносцы в Прибалтике. Идеи совершенно безумные, реализация их тоже была соответствующая.

Ветряк под Берлином, 1932 г.
Ротор заветренный.

Под воздействием этих идей штурмбанфюрер экономического подразделения СС Вальтер Шибер (Walther Schieber), химик по специальности, основал в Веймаре ООО "Вентимотор" (Ventimotor GmbH). Вообще этот человек был очень востребован в Третьем рейхе, да и после него, по слухам, участвовал в передаче американцам технологии производства зарина. Основное же направление его деятельности было связано с производством искусственных волокон. Попутно он разрабатывал эрзац-пищу из отходов целлюлозного производства для заключённых лагеря Маутхаузен. Впрочем, заслуги не уберегли его от уголовного преследования по обвинению в коррупции в самом конце рейха. Что же касается "Вентимотора", то фирма должна была работать на колонистов, обеспечивая их фермы ветряками. Между прочим, "Вентимотор" участвовал в разработке довоенного проекта ветроэлектростанции, которая упоминалась в статье "Голубой уголь". Проект был закрыт, но фирма построила опытный ветряк на 17 кВт неподалёку от Берлина. Для нужд "Вентимотора" Хюттер и разработал свою расчётную методику. В 1943 году, когда стало ясно, что история с колонистами откладывается, "Вентимотор" переключился на авиационную технику, а Хюттер переехал в Штутгарт, где работал в научно-исследовательском институте заводов графа Цеппелина. Там он, в частности, разрабатывает проект ночного бомбардировщика Hü 211 на основе Heinkel He 219. В 1944 году переходит на преподавательскую работу в университет Штутгарта.

Ветродвигатель Allgaier WE 10,
Университет Штутгарта, 2015 г.

После окончания войны он, вместе с остальными попавшимися под руку нацистами, был интернирован и помещён в фильтрационный лагерь. Заключение длилось недолго; интереса в нём не обнаружили, а кормить заключённых было нечем, в Германии 1945 года был голод, да и в остальной Европе с продовольствием была напряжёнка. Хюттера отправили на собственные хлеба (Шибер просидел дольше, несколько лет). На свободе Хюттер устроился по специальности, в фирму Allgaier Werke. С его помощью фирма выпускала серию 10 кВт ветродвигателей. Всего было выпущено около 200 двигателей на экспорт в Южную Африку, Аргентину и в Индию. Колонистам, надо полагать. Вновь преподавать в университете Штутгарта Хюттер стал только с 1952 года.

Умер Ульрих Хюттер в 1990 году, прожив долгую творческую жизнь и сделав множество изобретений. Некоторые из них опередили своё время на десятки лет, поэтому я пока не стану о них рассказывать. В целом же Хюттер оказал значительное влияние на немецкую ветроэнергетику, хотя я бы не назвал его положительным. Его хитроумные художества увели немцев куда-то в сторону. В итоге, они уступили в технологической гонке датчанам как те немцам в WWII. На рубеже XXI века немцам пришлось покупать мелкие датские ветряные фирмы из числа банкротов-неудачников, чтобы за их счёт сократить технологический разрыв со своим маленьким северным соседом. Но всё это было потом.

Было ли что-то общее между Хюттером, Шибером и ветряками? Да было, и ещё с планерами. Но об этом тоже позже. Пока предлагаю изучить фотографию справа (кликабельно). Что же касается именно этой истории с Хюттером, то она не на виду. Пришлось её раскапывать, причём материалы всё сплошь на немецком языке, в чём есть некоторый оптимизм.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Писать стихи умеют многие, но заставить людей их читать способны только избранные.

Синица в руках

1 -- классическая теория

2 -- теория Сабинина

3 -- эксперимент

Выпущенная вскоре после окончания ВОВ книга Фатеева "Ветродвигатели и ветроустановки" стала энциклопедией ветроэнергетика (позже была выпущена и "Поваренная книга ветроэнергетика"). В книге, в частности, были изложены наиболее важные теоретические аспекты отрасли; аэродинамика, типы конструкций ветряков, экспериментальные и расчётные методики определения их параметров, системы регулирования числа оборотов и мощности, системы установки на ветер, расчёты нагрузок, сведения из метеорологии и основы анеморазведки. Были подробно изложены теории ветряка, включая теорию Сабинина. Там же было приведено сравнение теории с экспериментом, проведённое самим Сабининым (картинка слева).

Из графика видно, что теория Сабинина приводит к большему расхождению с практикой, чем классическая. Фатеев изящно выходит из этого щепетильного положения тем, что утверждает, что экспериментальные точки являются средним между двумя теориями. Во-первых, это не так. Во-вторых, в наиболее важной части высоких относительных скоростей (ось Z) теория Сабинина даёт завышенный результат. При этом расчётная величина (относительный момент М) является полезным выходом машины, и она получается выше реальной. Такая методика должна быть признана некорректной, поскольку спроектированная на её основе машина будет заведомо обладать характеристиками худшими, чем заложенные в техническое задание. Правильная методика напротив занижает полезный выход; как общепринятое практикуется так называемый консервативный подход. Всем известным примером такого подхода является запас прочности, который в середине ХХ века иногда без смущения брали равным 10, а то и более. Прочнистов того времени можно было понять -- они не умели считать малоцикловую усталость, а вероятность того, что треснет пополам здоровенное бревно, невелика.

Теория Сабинина мало того, что представляла собой поток вздора, она ещё и под монастырь могла подвести при проектировании. Тем не менее, Сабинин твёрдо держался за неё и другим велел. Тоже самое было и с его системой стабилизации. Своё, оно ближе к телу, что можно понять, но в отсутствии здоровой конкуренции и при самодурном руководстве такая любовь ничего хорошего не породит. Однако, надо отдать должное научной честности Сабинина -- он не фальсифицировал результаты экспериментов и не противился их публикации. Что же касается расчётов, то у аэродинамиков тоже есть свой запас прочности. Конечно, 10 раз они никогда не брали, но в то время процентов 10 было в запасе наверняка.

Кроме теоретической части, в книге содержалась также практическая, с примерами реальных ветряков и с рекомендациями по их монтажу, техническому обслуживанию и эксплуатации. Один пример я уже привёл, хочется привести ещё один.

Ветряная мельница ВИМЭ Д-16.

В начале войны Фатеев, как сотрудник ВИМЭ, работал в Чувашии, модернизировал старые ветряные мельницы. В том числе, устанавливал на них крылья обтекаемой формы. Оказалось, что таким образом можно повысить производительность мельниц в два - три раза (вполне ожидаемо). В ВИМЭ под руководством Фатеева были разработаны упрощённые цельнодеревянные ветряные мельницы различных конструкций. В условиях войны и послевоенного восстановления, при отсутствии машин, топлива, электричества, тягловой силы, да и просто людей, такой агрегат был востребован. Мельницы строились в лесостепной зоне, в Рязанской, Курской, Киевской и других областях. Изготавливались они непосредственно на месте, из подручных материалов по чертежам ВИМЭ.

Мельница Д-16 (на рисунке справа) наиболее продвинутый вариант из этой серии, была построена чуть ли не в единственном экземпляре, в деревне Колонщино, Киевской области. Вот её основные характеристики:

• Диаметр ветроколеса -- 16 метров
• Число крыльев -- 4
• Ширина крыльев -- 2 метра
• Мощность на валу ветроколеса при скорости ветра 8 м/с -- 25 л.с. (18 кВт)
• Число оборотов ветроколеса при V=8 м/c -- 26 об/мин

Год издания книги 1948-й. Через год в СССР произойдёт испытание атомной бомбы. И в тоже самое время в стране изготавливаются деревянные мельницы XVIII века. Что поделать, объективная необходимость. Бомба не устранила соху. Чертёж масляного подшипника (внизу) произвёл на меня неизгладимое впечатление. Я привык считать, что такой подшипник должен изготавливаться с микронными точностями, а его эксплуатация требует мощных насосов и многие тонны минерального масла. Тут, похоже, обходились подсолнечным или дёгтем и самотёком. Правда, автор пишет, что вместо такого лучше использовать роликовый, тоже деревянный, разумеется, но он сложнее в изготовлении.

Передний подшипник главного вала ветряной мельницы.

Рассказывая об опыте эксплуатации мельниц, Фатеев помимо прочего пишет следующее:

"Следует полагать, что испытанные ветряные мельницы работали с низким коэфициентом эксплоатации не потому, что были слабые ветры, а потому, что не был использован полностью суточный ход рабочих скоростей ветра. Очевидно, в обязанности механиков не входила работа в ночные часы, когда был ветер достаточной  силы".

Отказ от журавля в небе лишил и синицы в руках. Как говорится, если ты отказываешься от свободы, то и бутерброд тебе тоже не положен, ты и без него никуда не денешься. Малая ветроэнергетика не имела никаких перспектив без автоматизации, о которой и речи быть не могло, при тогдашнем техническом уровне. К тому же, уходило на покой поколение учеников Жуковского. Новые поколения уже не были способны к созданию чего-то принципиального нового. Не было у них для этого... дерзости, что ли. Их дрессировали на другое. Так что, на мельнице ВИМЭ-Д-16 можно смело закончить рассказ о советской ветроэнергетике, поставив на ней жирную точку.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Журавль в небе

ЦВЭИ Д-50 из книги
"Ветродвигатели и ветроустановки".

Кстати, об СССР. В 1948 году в Москве, в издательстве сельскохозяйственной литературы вышла классическая книга "Ветродвигатели и ветроустановки" за авторством  Е.М. Фатеева, соратника Сабинина и Красовского. Помимо прочего, о чём будет сказано позднее, в книге содержатся выдержки из проекта ЦВЭИ Д-50, вероятно, продолжения того самого проекта, который проиграл в конкурсе проекту двух вредителей из Новосибирска. Проект в книге не датирован, но, судя по некоторым свидетельствам, к 1937 году он уже был давно готов, что логично, поскольку ЦВЭИ был расформирован в 1935 году. С другой стороны, вряд ли он был начат ранее 1932 года, когда были закончены работы по Балаклавскому ветряку.

Предполагалось, что ВЭС будет состоять из 10-ти мегаваттных агрегатов Д-50 и работать в общей сети с тепловой электростанцией на 7,5 МВт и ГЭС на 48 МВт. Т.е., её вклад в общую выработку будет около 15%. В книге приведены общие параметры агрегата Д-50, которые будет любопытно сравнить с параметрами ветряка Смита-Путнама. Там же указывается проектная стоимость киловатт-часа (1,8 коп.) и стоимость установленного киловатта мощности (425 рублей). Это уже не так любопытно, поскольку ценообразование в СССР уже и в тридцатые годы страдало волюнтаризмом, кроме того, совершенно непонятно, какие деньги указаны: 1935-го года или 1948-го? Между ними непроходимая разница, это доллар всё тот же, только цены растут.

Ротор

• Диаметр 50 метров
• 3 лопасти, система Сабинина-Красовского
• треугольные в плане
• скорость вращения 24 об/мин
• регулировка угла атаки на конце лопасти
• высота оси 50 метров
• заветренное расположение (на корме гондолы)
• вес 35 тонн

Редуктор

• двухступенчатого типа
• передаточное отношение 25
• гидравлическая муфта на высокоскоростной оси

Генератор

• синхронный переменного тока 50 Гц
• 1000 кВт активной мощности
• 600 об/мин
• 6300 В

Гондола

• активное управление курсовым углом
• сервопривод
• оборудованное место для оператора

Башня

• ферменного типа 
• высота 50 метров
• лифт для персонала
• общая масса с оборудованием 160 тонн

Рабочие характеристики

• номинальная скорость ветра 14 м/с
• годовое время работы 2380 часов
• годовая наработка энергии 2200 МВт*ч

Сходство между двумя ветряками несомненное. Фадеев, между прочим, пишет о ветряке Смита-Путнама подробнее, чем о Д-50. Есть одно существенное различие между ними, это вес ротора; 35 тонн у советского при 20 тоннах у американского. Это различие сказалось и на общей массе ветряков. Советская вдвое тяжелей, что, по крайней мере, требует двукратного увеличения расхода материала. Такова расплата за 3 лопастную схему плюс массивный стабилизатор. Зато вибраций у советского ветряка можно было бы ожидать меньших. Возможно, он проработал бы намного дольше американского, но зато американский работал.

Кабина ЦВЭИ Д-50.

Был ли знаком Палмер Путнам с проектом ЦВЭИ до того, как начал свой? Какая-то информация в Америку наверняка шла, поскольку был интерес. Просматривая архив НАСА в поисках материалов по ветроэнергетике, я случайно наткнулся на документ 1922 года под номером 19930081325, озаглавленный Joukowski Wings ("Крылья Профили Жуковского"). Это перевод из французского издания L'Aéronautique статьи об экспериментах в Геттингенской лаборатории по продувкам в аэродинамической трубе профилей Жуковского и о сравнении результатов экспериментов с расчётами. Так что, интерес по линии ЦАГИ-Гёттинген-НАСА был всегда, с самого начала. Где-то можно найти прямые упоминания о том, что Путнам был знаком с Балаклавским ветряком. Возможно, что и с проектом ЦВЭИ тоже, и даже есть тому соответствующие документы, просто они пока недоступны. Да, кстати, эксперименты с расчётами сошлись.

Вопрос же о том, был ли Д-50 прообразом Дедушкиного Бугра, намного сложней. Главная конструкция -- ротор -- совершенно иная. Из-за этого иными получились и все другие силовые элементы. Электрика схожа, но она в обоих случаях была от стороннего производителя. Сходны габариты, но они определяется самой природой. Общей была цель -- достижение мегаваттного рубежа, сходными получились и результаты на примерно одинаковом уровне развития техники. В статье "Голубой уголь" упоминается прерванная в 1935 году постройка в Берлине мегаваттного ветряка. О нём-то несомненно было известно и в Америке тоже. Он и мог послужить прообразом как американскому, так и советскому ветряку. Тем более, что до WWII к техническим достижениям Германии присматривались с обоих сторон океана.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Сильнее стали

Из патента Путнама на ветряк,
март 1941 года.

"Отрицательный результат -- тоже результат".

Нильс Бор

Дедушкин Бугор не добился главного -- дешёвой электроэнергии. Давайте попробуем оценить, насколько далек он был от цели. В Википедии говорится (к сожалению не могу проверить первоисточник), что по оценкам 1945 года стоимость энергии от блока из шести турбин, аналогичных Бугру, превысила бы в полтора раза экономически приемлемую. Однако, полтора раза, это всего полтора раза, не на порядок и даже не в разы, в то время как от страны к стране стоимость электроэнергии для конечного потребителя меняется именно что в разы. Более того, если посмотреть на оптовые цены, то они так же колеблются даже в пределах одной страны; в зависимости от поставщика и удалённости потребителя (и его способности торговаться). Так что, в другом месте проект мог бы и окупиться, почему бы и нет. Конечно, если оставить в стороне вопрос о надёжности и долговечности.

Посмотрим в современных ценах. Имеем стоимость турбины 20 млн. USD, что сильно завышено, поскольку стоимость опытного образца всегда существенно выше стоимости даже микросерийного изделия. Стоимость электричества для потребителей в США примем для ровного счёта 0,15 USD за киловатт-час, что чуть выше среднего. Средняя мощность, выдаваемая турбиной -- 300 кВт. Пусть она работает 3/4 времени в году (остальное штиль и прочие простои). Тогда можно оценить время, за которое она окупится.

Т = 20 млн. USD / (0,15 USD/кВт*ч * 300 кВт * 3/4 * 365,25 * 24) = 68 лет

Это печальный результат, представить себе столь долгоживущую технику сложно. Конечно, расчёт был по максимуму, но многое также не учтено и в сторону увеличения стоимости электричества: стоимость техобслуживания, банковский процент и пр.. Забегая в будущее скажу, что теперь турбина на несколько мегаватт стоит в разы дешевле 20 миллионов.

В 1945 году цены были другие, другое и соотношение между ними, но выводы были сделаны такие же, какие можно сделать теперь. Для окупаемости турбины необходимо снижать её стоимость и повышать долговечность. Для снижения стоимости её нужно делать мощнее. Это был не вполне тривиальный вывод. Однако, он подкреплялся как эмпирическими данными, так и общими соображениями.

Общие соображения таковы. Как мы помним, мощность турбины пропорциональна квадрату диаметра колеса, т.е., квадрату линейных размеров турбины. Стоимость же турбины прямо пропорциональна линейному размеру. Увеличивая стоимость турбины в два раза, мы увеличиваем её мощность и финансовую отдачу от неё в четыре раза. Соответственно, киловатт-час становится в два раза дешевле. К сожалению, это не совсем так. Просто так линейно увеличить размеры турбины нельзя, не выдержит, сломается, что и продемонстрировала турбина Смита-Путнама. Выходит, что как ни крути, а самая главная задача, стоявшая перед разработчиками ветровых турбин, заключалась в повышении их надёжности, в увеличении прочности, говоря бытовым языком.

Давайте проведём ещё один расчёт из школьного курса физики, чтобы оценить величину нагрузки, приложенной к основанию лопастей, к тому месту, где порвалось. Вес лопасти 8 тонн, но это далеко ещё не вся нагрузка, нужно учесть центробежные силы. Центробежная сила приложена к центру масс лопасти. Поскольку лопасть была сделана цилиндрической, то центр масс у ней находился примерно посередине, то есть, в 13-ти метрах от оси. Скорость вращения 28 оборотов в минуту. Ускорение свободного падения 9,8 м/c². Тогда центробежная сила в тоннах-силе равна:

F = 8 т * 13 м * (2 * 3,14 * 28 oб/мин / 60 сек)² / 9,8 м/c² = 91 тонна-сила

Вот так, центробежная сила на порядок превышает гравитационную. Таков факт из жизни ветряков. Неудивительно, что лопасть улетела, ведь что такое, эти 90 тонн? Это современный груженный железнодорожный вагон, или спейс-шаттл без бака и ускорителей. Два таких по обе стороны оси болтались на Дедушкином Бугре. Полезно также сравнить эту нагрузку с общей массой ветряка -- 75 тонн.

Если бы лопасти были бы сделаны коническими, уменьшающимися к ободу ветряного колеса, то нагрузка была бы значительно меньше, а лопасть прослужила бы дольше. Во-первых, уменьшилась бы масса лопасти, а во-вторых, центр её масс сместился бы к оси (два первых члена в формуле). Впрочем, я не думаю, что статическая нагрузка была причиной поломки. Консультанты из Гарварда наверняка посчитали её аккуратно (много ума для расчёта нагрузки не надо, как мы видели, а для расчёта прочности берётся балка с защемлённым концом). Обеспечить прочность при такой нагрузке и габаритах не так уж и сложно (вагоны же не отрываются друг от друга). Дело тут в другом.

На картинке в начале поста, взятой из патента Путнама, автор пытался изобразить особенности ветровой нагрузки. Стрелочки, обозначающие направление ветра, идут с разных направлений, а изогнутые линии указывают на завихрения в воздухе. Палмер выделяет два типа турбулентности: приземный, исходящий от рельефа местности, и высотный, от облаков. Турбулентность создаёт порывы ветра (gusts), представляющие собой грозную силу. Мощность ветра зависит в кубической степени от его скорости. Стало быть, всего двукратное изменение скорости ветра приводит к восьмикратному изменению нагрузки, той самой, что оттягивает лопасти силой в 90 тонн и вращает мегаваттный генератор. Поэтому Палмер предусмотрел возможность уклонения лопастей от ветра, подобно тому, как уклоняются ветви деревьев, что показано на картинке тремя разными положениями лопастей. Очень современное решение, должен заметить, но на базе техники середины прошлого века, со всеми её изьянами.

Есть ещё одна неоднородность ветра, которая хотя и слабей первой, но не менее опасна, а именно, высотный градиент. У поверхности земли скорость ветра в среднем ниже, чем на высоте. Это не было бы особой проблемой, если бы колесо не вращалось. А так получается, что лопасть, находящаяся в нижнем положении, испытывает другую нагрузку, чем когда она находится в верхнем положении. Добавим сюда нагрузку от силы тяжести. Да, она невелика по сравнению с центробежной, плохо что она тоже оказывается переменной. Вес лопасти в нижнем положении отрывает её от оси, а в верхнем прижимает к оси. То есть, нагрузка не просто переменная, но она меняет знак, что называется. И так происходит каждый оборот.

Давайте посчитаем, сколько всего сделало оборотов колесо, пока у него не оторвалась лопасть. Сделать это легко, поскольку скорость вращения была фиксированной. Время работы составило 1150 часов, частота вращения 28 оборотов в минуту.

N = 1150 ч * 28 об/мин * 60 мин = 2 млн. циклов

И это очень печально. Если бы число циклов было на пару порядков меньше, то была бы надежда на простое решение. Нет, специалисты из университетов всё правильно посчитали. Здесь необходимо сделать небольшое отступление в теорию прочности, чтобы разрешить этот парадокс.

В советских технических вузах бытовала пословица: сдал сопромат, можешь жениться. Сложней теории прочности предмета не было. Преподавали его соответствующим образом; один-два курса (а то и вовсе один семестр) в середине учёбы, когда способность к обучению у студента максимальная. И принимали экзамены тоже исходя из того, что студенты ничего не поняли. Гуманные экзаменаторы, разумеется. Я постараюсь оставаться в рамках банальной эрудиции, без всяких сложностей, не слишком выходя за рамки школьной программы. Конечно, таким образом не получится показать всю проблему, но хотя бы очертить её габариты.

Возьмём пружинку из стальной проволоки. Слегка растянем её, а затем отпустим. Немного поколебавшись, пружинка вернётся к своей первоначальной форме. То, что происходило с пружинкой в момент растяжения, называется упругой деформацией. Растянем пружинку сильнее, чем в первый раз, и снова отпустим. К прежней форме она уже не вернётся, останется слегка растянутой. Это неупругая или пластическая деформация, другими словами. Теперь медленно потянем пружинку, но так сильно, что она у нас порвётся. Это разрушение, вызванное превышением предела статической прочности. Консультанты рассчитали лопасти так, чтобы их деформация не превышала упругой. К сожалению, этого недостаточно, и здесь мы выходим за рамки школьного курса.

Возьмём такую же пружинку и попробуем отломать от неё кусочек. Для этого, проще всего взять кончик пружинки пассатижами и начать перегибать его в разные стороны так, чтобы после каждого загиба кончик сохранял свою новую форму. То есть, чтобы с ним каждый раз происходила бы пластическая деформация. Вскоре кусочек отломается. Можно даже заранее сказать когда: не позднее, чем через несколько десятков тысяч циклов нагрузки. На самом деле намного скорее, разумеется. Даже наушники от плеера быстрее рвутся, чем за десять тысяч циклов. Говорят, что такое разрушение вызывается малоцикловой усталостью. Её отличительная черта -- пластическая деформация.

Но и в том случае, когда деформация при нагрузке остаётся упругой, изделие все равно может сломаться. Как это и произошло с лопастью ветряка Смита-Путнама. Например, одна мебельная фирма испытывает свою фурнитуру на усталость в течении ста тысяч циклов открывания-закрывания и даже демонстрирует процесс покупателям. Выглядит внушительно, как и гарантированное число открываний-закрываний. Но если увеличить число циклов до миллиона, а то и сотен миллионов, то совсем не факт... В случае с фурнитурой ещё действует фактор истирания контактных поверхностей, так что совсем не факт, но для мебели так много и не надо.

Другое дело детали машин. Возьмём двигатель внутреннего сгорания. Двигатель современного автомобиля вращает коленчатый вал с частотой в несколько тысяч оборотов в минуту. Стало быть, шатун, соединяющий поршень с коленчатым валом, испытает миллион циклов нагрузки всего за несколько часов работы двигателя. За год эксплуатации автомобиля -- сотни миллионов. Ветряк не такой скоростной, как ДВС, но посчитаем: 28 oб/мин, 10 лет эксплуатации, 3/4 времени.

N_nom = 28 oб/мин * 60 мин * 24 ч * 365,25 дн * 10 л * 3/4 = 110 млн. циклов

Итого, необходимое число циклов в 50 раз больше фактического. Помогла бы замена материала в таком случае? В том самом месте, где порвалось, очень может быть, вот только разработчики ветряка не могли знать того наверняка, они блефовали. Потому что здесь мы имеем дело с так называемой многоцикловой усталостью, а в 40-х годах прошлого века толком рассчитывать её не умели даже профессора МИТа.

Считается, что теория усталости была заложена Вильгельмом Альбертом (Wilhelm August Julius Albert) за сто лет до разработки ветряка Смита-Путнама. За это время в процессе усталости материала было понято многое, но, к сожалению, понятого действительно оказалось очень много. Выяснилось, что на усталость влияют такие, например, факторы, как краска, которой окрашена поверхность детали. И что со всем этим делать, было решительно непонятно. Как раз в то время совершались первые попытки создать рабочую теорию, но применить её на практике к сложным деталям не представлялось возможным до появления мощной вычислительной техники. Да и теперь такие расчёты не только сложны, но и не вполне точны. Причиной усталости является рост микротрещин, которые имеют вероятностную, случайную природу, поэтому не следует рассчитывать на точное совпадение расчёта с реальностью. Хорошо, если будет предсказано примерное место образования трещины и приблизительное число циклов для её появления.

В середине же прошлого века такие трещины, как в лопасти ветряка Смита-Путнама, часто оказывались совершенно неожиданной проблемой, которая решалась постфактум. В качестве классического примера можно вспомнить трещину, появлявшуюся в фюзеляжах самолётов "Комета", которая унесла сотни человеческих жизней, прежде чем в конструкцию самолёта были внесены изменения, предотвращающие её образование.

Давайте взглянем на взятый из патента Путнама чертёж крепления лопасти к оси (слева). Если не в одном, так в другом месте, но обязательно порвалось бы, так тут всё непросто. Не через месяц, так через год. Поломка же в ступице колеса неизбежно имела бы катастрофические последствия для всего ветряка, учитывая какие силы на неё действуют. На выявление дефектов и доводку ушли бы годы, а затраты превысили бы начальные многократно. Полагаю, в компании Смита это понимали. Нельзя просто так, без серьёзных детальных расчётов, взять и построить абсолютно новую машину с нуля, которая работала бы годами под тяжелейшими нагрузками и без поломок.

Отрыв лопасти не был первой поломкой. Первым не выдержал подшипник. И тут причина, очевидно, была той же самой: биения, вызванные неравномерностью хода двухлопастного колеса и удары от порывов ветра. И всё это приходилось на подшипник, по которому, вообще-то, всегда запрещают стучать. Одной из последних заявок Кондратюка на патент в области ветроэнергетики было изобретение "Ветроколесо ветродвигателя, не передающего на вал изгибающих моментов", похоже, он уже понимал величину проблемы, хотя его ветряк так и не был построен.

Работа ветряного колеса похожа на быструю езду по сильнопересечённой, каменистой местности. Ветряк Смита-Путмана был подобен на этой дороге стальной колымаге без мягких шин и на очень жёсткой подвеске. Ветер не мог его не разбить. Интересно, что закрытие проекта Путнама в США имело сходные последствия с закрытием проекта Кондратюка в СССР. Если малая (и дорогая) ветрогенерация продолжила своё существование, то о больших машинах вспоминали только редкие энтузиасты, не имевшие средств для реализации своих мечтаний. В тоже время, был в этом провале и оптимистический момент: если обычный, не штормовой ветер сумел разбить стальную конструкцию весом в десятки тонн, то, значит, у него действительно большие возможности.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Всех святых выноси.