Судный день

Назад, в Египет.

Ранним утром десятого числа осеннего месяца тишрея в 5734-й год от сотворения мира (6 октября 1973) в праздник Йом-Кипур (Судный день) войска объединённых арабских сил вторглись на оккупированные Израилем территории Синая и Голанских высот. Началась война с участием миллиона солдат и многих тысяч боевых машин. Она продолжилась 18 дней, унесла с собой десяток тысяч жизней, а ничего хорошего, как и водится за войнами, не принесла. Одним из неприятных последствий войны стало нефтяное эмбарго, объявленное 17 октября арабскими странами, производителями нефти, странам, поддержавшим Израиль в войне.

Эмбарго продержалось недолго, но его последствия изменили мир. Если говорить узко об одной только нефти, то эмбарго позволило выйти на мировой рынок новым производителям (включая СССР), существенно повысить цены на нефть и поставить нефтяные компании на вершину мировой экономики. Такое положение дел мало кому нравилось, поэтому вызвало обратную реакцию, смысл которой сводился к поиску альтернативных источников энергии. Так Франция перевела практически всё своё производство электричества на атомную тягу.

Другим, важным для нас последствием, стала начавшаяся в 1975 году программа под руководством НАСА по созданию мощных ветряных турбин. Финансировали программу министерства энергетики и природных ресурсов США. То есть, обычно так декларируется, что программа была вызвана ростом цен на нефть, но на самом деле всё обстояло несколько сложнее. НАСА давно интересовалось ветряными мельницами, принимало участие в проекте Смита-Путнама, например. К 1973 году благополучно завершилась программа "Аполлон", на которой НАСА хорошо поднялось. Высвободившиеся управленческие ресурсы следовало направить в новое русло, началась программа "Спейс Шаттл", но пока она развёртывалась, можно было бы организовать что-то лёгонькое. Действительно, по сравнению с высадкой человека на Луну установка парочки ветряных мельниц представлялась совсем простенькой задачкой. Надо заметить, что НАСА с заданием справилось, разве что мельницы получились по цене космических кораблей и были построены в единственных экземплярах, но это нормально для передовых технологий.

В июне 1973 года в Вашингтоне состоялся семинар "Системы преобразования энергии ветра" (Wind Energy Conversion Systems), в котором приняли участие некоторые весьма деятельные участники будущей программы НАСА. С этого семинара и следует начинать отчёт программы. В июне 1973-го, секундочку. За четыре месяца до Судного дня. Поэтому я и не считаю обоснованной причинно-следственную связь нефтяной кризис -- ветряные мельницы НАСА. Тем не менее, связь между ними есть, синхронистическая, если припомнить К.Г. Юнга, или, если использовать метафору наших дней, эти два явления находятся в состоянии квантовой запутанности, а если не мудрствовать, то и война, и эмбарго, и проект НАСА имеют в своей основе одну и ту же причину. Во вступительном слове к семинару (чья помощь в написании этих страниц неоценима) только указывается на эту причину, я бы хотел немного развернуть тему, благо с высоты прошедших лет яснее видно, а лицом к лицу лица не увидать, как сказал поэт.

Начать следовало бы с Томаса Мальтуса. В 1798 году он опубликовал свой классический труд о законе народонаселения. Теория Мальтуса была неплоха с точки зрения математики, но применимость её к такому сложному объекту как человечество ничем не была оправдана. К сожалению, очень многие люди любят простые решения и многие оказались воодушевлены выводами теории Мальтуса. Теория предсказывала неизбежное исчерпание продовольственного ресурса вследствие неуёмного роста народонаселения. Так как человеку свойственно задумываться о будущем, даже самом отдалённом, то появились различные представления о том, как в будущем будет решаться проблема Мальтуса.

Некоторые полагали, что всё будет как и прежде, просто в иных декорациях. В новелле Эдгара А. По "Mellonta tauta" (1849 год издания) представлена саркастическая картинка такого будущего, удаленного на тысячу лет от автора: "...в числе других интересных новостей услышали, что в Африке бушует гражданская война, а чума делает свое благое дело и в Юропе и в Айшии. Подумать только, что раньше, до того как Гуманизм озарил философию своим ярким светом, человечество считало Войну и Чуму бедствиями. В древних храмах даже молились об избавлении людей от этих бед (!). Право, трудно понять, какую выгоду находили в этом наши предки! Неужели они были так слепы, что не понимали, насколько уничтожение какого-нибудь миллиарда отдельных личностей полезно для общества в целом?"

Другие, условно назовём их антигуманистами, верили в человеческий разум, способный справиться с перенаселением, и предлагали свои методы решения проблемы. И это была и остаётся реальная проблема. Ведь уже то, что эти люди считают теорию Мальтуса адекватной, делает их самих неадекватными. Бельгийский математик Пьер Ферхюльст в 1838 году сделал попытку хоть как-то примерить теорию с реальностью и записал логистическое уравнение, которое хотя бы не даёт нереалистических результатов мальтузианской катастрофы (полтора землекопа). Уравнение пришлось как нельзя кстати любителям простых моделей.

Пик нефти. Красное -- Хабберт, зелёное -- реальность.

В 1956 году американский геолог и геофизик Кинг Хабберт опубликовал статью, в которой он, вдохновлённый логистической кривой, предсказал так называемый "пик нефти". Из расчётов Хабберта следовало, что примерно к 1970 году добыча нефти в США достигнет максимума, после чего начнёт снижаться, приближаясь к нулю. И это действительно произошло. Казалось бы, теория восторжествовала, но, на самом деле, здесь мы имеем пример так называемого "самосбывающегося пророчества". Пример настолько восхитительный в своей чистоте, что он должен войти во все учебники по элементарной магии, когда таковые появятся.

Теория Хабберта понравилась не только людям не искушённым, но и влиятельным лицам. За "пиком нефти" ясно просматривалась апокалиптическая картина Судного дня, исчерпания всех и всяческих ресурсов планеты, гибель цивилизации и всего человечества. На ней грешно было не заработать. Семена страха упали на хорошо унавоженную авраамическими религиями эсхатологическую почву в сознании обывателя Ойкумены. В мире была создана могучая индустрия страха перед концом света, на которой наживались и продолжают наживаться все кому не лень, от нефтяников и до киношников, от фармацевтов и до политиков. Трудно подсчитать, но я не удивлюсь, если доходы от торговли страхом превысят доходы и от торговли оружием, и от торговли нефтью, и от проституции, и от гомеопатии вместе взятых. В 1972 году созданный незадолго до этого Римский клуб, пророк грядущего Судного дня, представил широкой публике доклад о том, что жить ей осталось лет сто, не многим более. Доклад регулярно обновляется и многие до сих пор веруют в его выводы как во второе пришествие.

Производство (синий) и потребление (красный) нефти
в США. Разница между кривыми -- импорт в США.
По данным EIA.

Итак, первым делом рванулись зарабатывать нефтяники. В то время на рынке нефти господствовал картель "Семь сестёр". Пользуясь сговором, он наращивал экспорт нефти с Ближнего Востока, снижая закупочные цены в странах-производителях. Власти США не препятствовали этому процессу: дешёвая нефть стимулировала экономический рост. Они не возражали даже тогда, когда в 1971 году собственное производство нефти обрушилось, оказавшись не в состоянии обеспечить конкурентоспособные цены. Такое равнодушие к отечественному производителю объясняется тем, что компании зарабатывали в других местах и тянули прибыль в страну, а собственную нефть нужно было беречь, ведь она вот-вот закончится. Более того, со стороны властей даже были предприняты определённые усилия для сдерживания добычи нефти в США. Тем не менее, несмотря на все усилия, когда мировые цены в десятых годах XXI века достигли максимумов, тогда и добыча в США вернулась к пику Хабберта, хотя по его теории должна была бы уже уйти в ноль (см. предыдущий график).

Не остались в стороне от гонки за наживой и страны Ближнего Востока. В 1960 году была создана ОПЕК, чтобы не обносили стороной правительства нефтедобывающих стран. По сути, эта организация была неким посредником в дележе прибылей между "семи сёстрами" и местными властями. В 1973 году она решила сыграть свой собственный спектакль в театре ужасов. Представление продлилось полгода, после чего страны производители убедились, что единственный, кто серьёзно пострадает от эмбарго, это они сами. Однако, страхов на обывателей навели не мало, поэтому цены удалось поднять, убытки отбили с лихвой. Заработал и Израиль тоже, как единственная сила, способная навести страх на страны-производители.

Озолотилась атомная индустрия. Только-только были созданы первые экспериментальные атомные реакторы и сразу же появились промышленные установки. Перенос прежде совершенно неизвестной и опасной технологии в обычную жизнь из военно-научной сферы занял менее десяти лет. В серию запускались непродуманные, технологически примитивные реакторы, отличавшиеся от паровозов разве что тем, что топливо в них загружал не кочегар лопатой, а оператор подъёмным краном. Да, было ещё одно отличие -- цена, чуть побольше паровоза. Ни экономические соображения, ни страх перед возможными разрушительными последствиями не смогли побороть страх перед исчерпанием минерального топлива. Как следствие стала череда катастроф, из которых только наиболее выдающиеся: Три Майл Айленд, Чернобыль, Фукусима. За шестьдесят лет своего развития под покровительством правительств развитых стран атомная энергия так и не смогла захватить более 17% от производства электроэнергии в мире. Фактически, атомная энергетика не вышла за пределы богатого мира, те отдельные станции, которые были построены в развивающихся и небогатых странах, были оплачены чужими правительствами, СССР, в первую очередь. И дело тут не в контроле за распространением ядерных технологий -- пока ещё никто не смог доказать экономическую эффективность атомной энергетики.

Выиграли также те, кто помогал экономить. Кто производил счётчики, энергосберегающие лампочки, малолитражные автомобили, тёплые дома, стеклопакеты, разные другие экономичные вещи, внедрял автоматизацию, занимался вторичной переработкой. Выиграли даже некоторые из тех, кто разумно экономил. Хотя в основном на них и зарабатывали все остальные.

Ветроэнергетика тоже выиграла. Без этой паники о ней бы вовсе не вспоминали после 60-х годов. Но проигрыш был не меньшим. Произвести экономический расчёт всего цикла атомной энергетики никому не под силу (уже только по причине большого числа неизвестных, без теорий заговора), а с ветром всё намного проще, всё на виду. Оценки проводили и результаты не впечатляли. В последующем энтузиазм к ветряной тематике рос вместе с ценами на нефть и вместе с ними же падал. Так было примерно до 2013 года, когда наконец не стало сбываться самосбывающееся пророчество в отношении пика нефти в целом по всему миру. Мир захлебнулся нефтью и больше не желает зависеть от этого доисторического гноя. Производители нефти озадачены теперь тем, как заткнуть уже пробуренные скважины, чтобы наконец скатиться вниз по колоколу Хабберта и хоть так продержаться ещё несколько десятилетий. Как однажды заметил министр нефти Саудовской Аравии: "Каменный век кончился не потому, что кончились камни, и нефтяной век кончится не потому, что кончится нефть".

Пока же впереди были сорок лет скитаний в поисках технических решений, годных с экономической, экологической и прочих точек зрения. На семинаре 1973 года была представлена приблизительная программа пятилетних работ, целью которых являлось создание системы преобразования энергии ветра, предоставляющую потребителям энергию по ценам, конкурентным с другими энергетическими системами. Параллельно предполагалось создать хранилище (аккумулятор) энергии, а также заниматься изучением ветра. В общем, надо было сделать всё сразу и побыстрей и уже в 1975 году приступить к строительству.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Семь тощих лет

В историографии ветроэнергетики принято говорить о неком провале, предшествующем событиям войны Судного дня 1973 года, но как мы видели по предыдущим страницам, активные работы с мощными ветряными турбинами продолжались вплоть до середины 60-х годов. Более того, исследования не прекращались и далее. Так, например, фирма Aerowatt, восприемница БЕСТ Романи, совершенствовала лопасти, поборола флаттер, тестировала новые установки, оценивала экономический эффект от применения ветряных турбин (он, правда, оказывался отрицательным, но турбины у них были маленькие). Исследовательский институт Брайса (Brace Research Institute) из канадского Квебека (ныне The Brace Centre for Water Resources Management) занимался собственными, оригинальными разработками в области ветроэнергетики. Цель института была и остаётся борьба с опустыниванием земель с помощью природных сил и средств, поэтому водяные насосы, приводимые в действие силой ветра, их сразу заинтересовали. С момента своего образования в 1961 году, на опытной базе на острове Барбадос, в сердце пассатных ветров, институт проводил многолетние эксперименты с различными ветряными машинами. Как уже упоминалось, в 1963-64 годах испытывалась турбина Андрё. В 1965-67 годах институтом была разработана собственная турбина на 10 л.с., для практического использования на Барбадосе. В 1971-72 годах проходили эксперименты с генератором на постоянных магнитах, очень перспективная вещь, только теперь широко внедряется. Проводил институт и многие другие работы.

Тем не менее, некоторое разочарование произошло, и его отголоски до сих пор служат основанием для пессимизма в отношении ветроэнергетики. Три проекта больших турбин начались и завершилось практически одновременно: Ножан-лё-Руа, Гедсер и Штутгарт. И все три, так или иначе, провалились. Это три источника, три составных части пессимизма. Проекты продемонстрировали, что ветряные турбины дорогие, ненадёжные, орошают поля машинным маслом. Электричества же, которое они дают, так мало, что его не хватит даже на производство одной такой турбины. Эти и другие глупости запомнились и передаются из поколения в поколение сведущими людьми.

Три источника, три составных части пессимизма.

Любопытно, что если внимательно посмотреть на три эти турбины и скомпоновать из их лучших частей новую, подобно тому, как упражнялся гоголевский Подколёсин, то получится замечательная машина. На башне из стальной трубы, с тремя пластиковыми лопастями по ветру, с регуляторами скорости, подключённая к распределительной сети, почти готовый прототип, подобный тому, с которого началось нынешнее триумфальное шествие ветрогенераторов. Но никто этого не сделал, всё шло своим чередом, велосипед изобретали помногу раз. И это правильно.

В августе 1961 года в Риме, по приглашению правительства Италии состоялась конференция ООН по новым источникам энергии. Материалы конференции представляют тогдашнее состояние ветроэнергетики в мире и хорошо подходят для того, чтобы подвести черту под первой частью истории ХХ века.

В отчёте конференции были приведены экономические оценки. Я бы не стал придавать особого значения их абсолютным величинам, да и сами авторы указывают на их большой разброс, но из сравнения вытекает явная тенденция снижения стоимости киловатта мощности при увеличении мощности ветряка.

$420-$560 за киловатт с учётом батарей для малых ветряков;
$280-$420 за киловатт для средних с мощностью 10-100 киловатт;
$140-$280 за киловатт для ещё более мощных.

Далее авторы провели оценку стоимости киловатт-часа, исходя из 12-летнего срока эксплуатации и разумной годовой выработки, с учётом банковского процента и стоимости техобслуживания, получая следующие значения для трёх категорий ветряков: между 10 и 100, между 6 и 60, и от 3 и более тысячных долей доллара за киловатт-час. Как-то очень оптимистично, но я бы опять обратил внимание на одно только соотношение: электричество от маленьких в десятки раз дороже, чем от больших.

Рассматриваются первые итоги ветроразведки. Если в масштабе континентов всё было более-менее известно от метеорологов (на побережье ветер сильнее, в центре Евразии ветра определяются сезонностью), то непосредственно на местах установки турбин данные метеорологии оказались непригодными для ветроэнергетики. Фактически, возможно впервые на мировом уровне на конференции были сформулированы цели и средства ветроразведки; построение карт местности с величинами киловатт мощности турбины на квадратный метр площади её ротора за счёт длительных (год и более) наблюдений. В наше время такие наблюдения дополняются компьютерным моделированием переноса воздушных масс, что позволяет получать информацию не по отдельным точкам с измерительной аппаратурой, но во всём интересующем объёме воздуха и прогнозировать поведение ветра в различных ситуациях, включая установку турбин. В 60-х годах такое прогнозирование было за гранью фантастики. В то время предполагалось только найти некие зависимости между средними величинами, описать общие и типичные соотношения. В ходе наблюдений предполагалось записывать такие специфические для ветроэнергетики параметры, как кратковременные изменения ветра, суточные и сезонные колебания, частота и продолжительность периодов слабого ветра и другое, и это в почасовой записи. Предлагалось также искать наиболее подходящие площадки, где естественным путём происходит усиление ветра. Некоторые такие места были известны ещё строителям ветряных мельниц задолго до ХХ века.

Отдельно были даны сведения о проектах крупных ветряных турбин. За исключением некого венгерского проекта, о котором мне ничего не удалось найти, все они уже были здесь рассмотрены. Во время конференции венгерский проект находился на стадии реализации, возможно, он так и не был завершён.

В качестве выводов было отмечено, что для создания ветровых электростанций есть технические возможности, чего не скажешь об экономических. Что самое интересное, было предсказано будущее для малых машин, несмотря на высокую стоимость предоставляемой ими электроэнергии. В некоторых случаях применения малых машин стоимость электричества не критична, куда важнее другие их качества -- автономность и отсутствие потребности в топливе. В отношении больших машин был отдельно отмечен оптимизм Юуля, тот верил, что у Дании особый путь и доля электричества от ветра в этой стране может достигнуть 20%. Когда-нибудь. Достигнуто к 2010 году, а 9 ноября 2016 года на тендер, объявленный правительством Дании на строительство морского ветропарка мощностью 600 МВт в Балтийском море, поступила заявка с ценой 37.2 øre/kWh, т.е примерно 5 центов США за киловатт-час, или 6 тысячных доллара США 1961 года, или три с полтиной наших деревянных. Это оффшор, он традиционно дорогой.

Но вернёмся в 60-ые. Тогда перспективы были туманные, недаром выступление Юуля было индивидуально отмечено как особое мнение, поэтому действительно можно говорить о неких тёмных веках. А раз перерыв случился, то следует очертить его рамки. По верхней границе, 1973 году, вроде бы есть общепринятый консенсус. Нижнюю границу я бы установил посередине 60-х. Это несколько произвольно с моей стороны, но я предпочитаю 1966 год. Во-первых, к этому году закончились все три проекта больших турбин. Во-вторых, уже на следующий год произошла Шестидневная война, ситуация в мире начала меняться. В-третьих, эта дата близка мне по личным мотивам. Итого получается семь тощих лет, вроде бы немного, но такой период в мировой истории нередко приводил к серьёзным последствиям.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Фирма вяжет веники

Чертёж StGW 34.
Взят без разрешения из архива
университета Штугарта.

В 1949 году при университете Штутгарта по инициативе Земельного управления бизнесом (Landesgewerbeamt), с участием электростанций, а также производителей электрооборудования и машиностроителей, была организована "Группа исследований энергии ветра" (Studiengesellschaft Windenergie, StGW). Группа должна была проводить научную работу, а ЗУБ обязался её финансировать за счёт бизнеса. В 1965 году группа была распущена с замечательной резолюцией (хранится в архиве университета): „Eine Wirtschaftlichkeit von Windenergieanlagen ist jedoch für deutsche Verhältnisse nicht vorhanden, auch nicht bei einer Fertigung in großen Stückzahlen.“ "Экономическая эффективность ветряных электростанций, однако, в условиях Германии недостижима, даже при их массовом производстве". Экономика экономикой, а наука сама по себе, окупаемой она быть не обязана, так что, хотя у группы не было экономических достижений, зато были замечательные научные результаты, полученные на опытно-экспериментальной установке StGW 34 (34, это диаметр ротора в метрах, несмотря на чертёж слева). Как несложно догадаться, в работе группы принял самое деятельное участие восстановленный в гражданских правах давнишний наш знакомый У. Хюттер.

Установка была построена в 1957 году. Характеристики её в литературе приводятся без привязки к точной дате, что представляется мне опрометчивым. Как пример уже было приведено несоответствие диаметра ротора в названии машины и в её чертеже. Возможно, в названии фигурирует эффективный диаметр, с учётом наклона ротора к вертикали, но, скорее, всё обстояло намного проще; проект и его реализация менялись со временем, ведь это была студенческая работа со всеми вытекающими. Есть и ещё одна причина, почему я ограничусь чертежом. Резолюция не охладила рвения Хюттера, он продолжал мастерить свои поделки, без описания некоторых из них не обойтись в дальнейшем, и это при том, что все они продолжают линию StGW 34. Здесь достаточно будет указать только на те новшества, которые оставили StGW 34 в истории ветроэнергетики.

StGW 34 в натуре.

В сочинениях графа Толстого есть басня о том, как умирающий отец призвал своих многочисленных сыновей и велел им разломать пополам веник. Когда у них ничего из этого не вышло, он посоветовал им развязать веник и переломать каждый прутик по отдельности. Можно ли после этого назвать Льва Николаевича отцом-основателем композитных материалов? Почему бы и нет, для хорошего человека ничего не жалко; всё зависит от того, какую историю мы собираемся написать, ведь композитные материалы стары как мир. Обычно в качестве древнейшего примера их приводят саманные кирпичи, но даже они не были первыми. Уже переход от палеолита к неолиту сопровождался появлением композитов. Новшества в каменных изделиях, так называемые микролиты, указывающие на начало неолита, объясняются тем обстоятельством, что люди стали производить орудия из различных материалов, склеивая их друг с другом в единое целое. В неолите же появляется керамика, тоже пример композита. Если мы записываем историю ветроэнергетики, то нам важно понять где, кем, когда и почему композитные материалы были внедрены в производство ветряков. Если на первые три вопроса есть исчерпывающий и точный ответ, то с последним не всё так ясно, хотя он и определяет первые три.

На предыдущих страницах мы выяснили, что для снижения стоимости электричества из ветра нужно строить ветряки как можно больших размеров. Уже первые опыты в гигантизме показали, что перед строителями встаёт пугающая задача усталости материала, вызванная большими циклическими нагрузками на ветряк со стороны ветра. Путнам своей работой доказал, что сталь для ротора большого ветряка совершенно точно не подходит. Дело не в том, что она непрочная, ещё какая прочная, но она ещё и тяжёлая. Если нам необходимо увеличить прочность стальной лопасти, то мы должны её утолстить, но утолщая её мы увеличиваем также и её массу. В то время как масса лопасти создаёт нагрузку на ось ротора и на всю остальную конструкцию. Мы попадаем в такую ситуацию, когда наши попытки увеличить прочность конструкции только снижают её, потому что нагрузка от массы растёт быстрее, чем увеличивается прочность. Ровно в такую же ситуацию попали авиастроители, когда дерево перестало удовлетворять их запросам, а самым ходовым конструкционным материалом была сталь. Было бы заманчиво использовать её для строительства самолётов, но она, увы, не летала. В качестве аттракциона можно и дирижабль из свинца сделать, как показали "Разрушители мифов", но на практике стальной самолёт очень плох.

Первое время самолёты строили из дерева, как и ветряные мельницы. Потом захотелось большего и конструкцию усилили стальными элементами. Так первый флагман "Аэрофлота", самолёт К-5 (созданный на основе Dornier Komet), имел каркас из стальных труб, обшитый деревом, фанерой, дюралем, полотном. В самолёте использовалась проволока, целлулоид, резина и прочая конопатка, лишь бы снизить вес где только можно. Примерно так же была устроена мельница Гедсера. Затем настала эра "крылатого металла" -- алюминия. Его мы тоже видели у ветростроителей, на мельнице Ножан-лё-Руа. Когда авиастроителей перестал устраивать алюминий, они обратились к титану. Теперь переходят к композитам, но это теперь, а в 50-х годах прошлого века алюминию альтернативы не было.

Откуда Хюттер взял идею использовать композитный материал, а именно армированный пластик, можно прочесть в книге "Крылья из чёрного золота" (Flügel aus „Schwarzem Gold“) доктора Андреаса Хака (Andreas Haka) из университета Штутгарта. Армировать пластик искусственным волокном начали в тридцатых годах прошлого века, и сразу стало ясно, что у такого материала большие перспективы в авиации, но дальше разговоров дело почти не двигалось. Даже импортозамещение не помогало. Мешало несовершенство технологий. После войны разработки в области новейших авиационных материалов в западной оккупационной зоне Германии и вовсе оказались под запретом. Но нашлась лазейка -- исследования материалов продолжились под нейтральными заголовками и нацеленные на отличные от авиации применения. Запрет продержался до 1955 года. В Штутгарте в 1953 году министерством экономики земли Баден-Вюртемберг была организована "Группа вертолётных исследований" (Studiengemeinschaft Hubschrauber, StGH). В 1958 году из группы выделился отдел "Прикладная физика полёта" под руководством партайгеноссе Хюттера. В 1959 году министерство обороны поручило отделу разработку миниатюрного вертолёта, который должен был состоять в основном из пластика. Теперь, если вспомнить в каком году состоялся StGW 34, то несложно понять, зачем он проектировался и почему был так безжалостно брошен.

Хюттер и отлитая им лопасть.

Становятся также понятны некоторые черты, свойственные StGW 34, и появление которых непросто объяснить иначе. Во-первых, лопасти ветряка были сделаны из армированного пластика. Никакой нужды, кроме как испытать новый материал в экстремальных условиях, для этого не было. Куда более доступный дюраль вполне бы подошёл, Романи доказал это на практике. Во-вторых, ротор был сделан двухлопастным, в то время как предыдущий ветряк Хюттера был трёхлопастным. Такой переход привёл к увеличению скорости вращения ротора. Более того, Хюттер намеренно стремился как можно больше увеличить скорость вращения ротора, и утончал лопасти. Некоторые авторы пишут, что тем самым он стремился к совершенству, к повышению эффективности ротора, но ему достаточно было вернуть третью лопасть и получить эффект, недостижимый его увёртками с тонкими лопастями. Не стремился ли он к скоростям вертолётного винта? В-третьих, это башня. Она кургузая, на растяжках, из-за которых ось ротора имеет большой наклон, градусов 15, если не больше. Неужели нельзя было построить нормальную башню? В 1956 году в Штутгарте построили телебашню, прототип Останкинской, а тут-то многого не надо было. Юуль и Романи смогли вертикально ротор поставить, а Хюттеру-то что мешало?

На семинаре НАСА в 1973 году Хюттер оправдывал низкий рост своей башни тем обстоятельством, что скорость ветра растёт с высотой медленно, в степени 1/7, соответственно мощность будет расти в степени 3/7, поэтому целесообразно увеличивать диаметр ротора, мощность от которого зависит квадратично. Увеличивать и то, и другое одновременно он не считал допустимым, надо понимать. Он призывал беречь башню, ведь если разрушится ротор, то башня останется, но если разрушится башня, то не останется ничего. Поэтому, говорил Хюттер, предпочтительным является заветренное расположение ротора, когда возмущения от башни ударяют по ротору, а не наоборот. Вспоминая ветряк на острове Богё, предупредительные меры не выглядят излишними, но тот же ветряк показывает, что меры эти не так страшны и весьма эффективны. Ко времени семинара башня на Богё уже тридцать лет как отстояла и не думала разрушаться, как и теперь, на восьмом десятке.

Но если принять, что устанавливая свой ветряк боком на короткой башне, Хюттер стремился к созданию неоднородной нагрузки на ротор, то тогда всё правильно. Уже только по причине наклона к горизонту и конусности ротора лопасть в верхнем положении испытывает нагрузку на 15% больше, чем в нижнем. Ведь в верхнем положении лопасть перпендикулярна к ветру, а в нижнем она находится под углом к нему в 60 градусов. С учётом высотной неравномерности (у поверхности она особенно велика) разница в нагрузке будет ещё больше. Такое преднамеренное ухудшение условий работы ротора на пустом месте вполне могло бы быть предназначено для моделирования условий, в которых находится винт вертолёта, совершающего маневр.

Всё это напоминает мне немецкий анекдот постверсальского времени. Один рабочий устроился на завод по производству детских колясок. Жена его была беременна, и, вот, поскольку молодая семья была стеснена в средствах, рабочий решил украсть коляску с завода. Коляску он вынес по частям, когда же стал их собирать, то как не пытался, у него все равно вместо коляски получался пулемёт. Не знаю, пригодился ли пулемёт рабочему, но придумка Хюттера сделать лопасть из армированного пластика оказалась востребованной, правда ждать до того времени пришлось много лет, до тех пор пока для появления пластиковых лопастей действительно созрели условия. Додумались ли бы до них без участия Хюттера? У меня нет в том сомнений, хотя, вероятно, чуть позже, чем было на самом деле.

Крепление Хюттера.

Тогда же Хюттер делает ещё одно долгоживущее изобретение, которое до сих пор носит его имя, не вполне заслуженно, кстати. Это изобретение -- крепление пластиковой лопасти к металлической оси турбины. Жёсткое контактное соединение между двумя деталями, сделанными из разнородных материалов, всегда большая проблема. Разные материалы всегда ведут себя хоть немного, но по-разному. Это касается и теплового расширения, и модуля упругости, поэтому такие детали по-разному деформируются, так что контактная поверхность в один момент времени будет отличаться от таковой в другой, что породит напряжения в месте контакта, могущие иметь самые неприятные последствия вплоть до разрушения контакта. В общем-то, это банальность, с которой наверняка почти все сталкивались в быту. Проблемой уже является установление соединения как такового, клей не держит, а сварка невозможна. Механическое же крепление, сшивка, только усиливает напряжения в контактной зоне. В наше время дошло до того, что создана технология 3D-печати, при которой деталь печатается из двух материалов с постепенным изменением концентрации материалов в сплаве, так что один конец детали состоит из одного материала, а другой из другого. Но армированный пластик пока не научились печатать на принтере. Я разумно говорю "пока".

Крепление Хюттера представляет собой фланцевое соединение на шпильках. От обычного оно отличается разве что отсутствием прокладки между фланцами. Прокладку делают из пластичного материала, здесь же один из материалов сам по себе пластик, поэтому он дополнительно выполняет роль прокладки. Хитрость была в том, чтобы правильно ввинтить шпильки в лопасть. Так, как это показано на чертеже Хюттера слева, никто теперь не делает. Решение связать шпильки с армирующим волокном оказалось неудачным. Теперь шпильки вставляют в отверстия в толстых стенках цилиндрического основания лопасти, закрепляя их гайками внутри, помещёнными туда через вспомогательные отверстия. Примерно как на четвёртой минуте этого видео:



Примерно потому, что у каждой фирмы своя технология. Прогресс не стоит на месте. Хотя какие-то вещи остаются неизменными, как лопасть Хюттера.

Как хотел крепить болты Хюттер, я в точности не знаю, патента он не защищал, видимо ещё и потому, что из его затеи ничего хорошего не получилось, а патентовать обычное фланцевое соединение задача не из простых. Судя по рисунку, предполагалось помещать болты в лопасть в процессе изготовления. Каждый болт должна была охватывать направляющая нить (Strang-Führung), нить-фюрер армирующего волокна, по которой изгибные и прочие напряжения передавались бы на болт. Тем самым напряжения уходили бы из зоны контакта, распределяясь по телу лопасти  и болту, который многое может выдержать. Проблемы возникли с точной установкой болта, он перекашивался, а косой болт во фланцевом соединении сам по себе концентратор. Вообще, проблемы в изготовлении деталей из армированного пластика сводились к большим отклонениям размеров готовых изделий от чертёжных. Большие были допуски и посадки.

Настоящее соединение устроено проще. Контакт осуществляется через тело болта, который испытывает деформацию. Поскольку перемещения малые, то деформация упругая. Стержень может выдержать практически неограниченное количество циклов такой деформации, благодаря своей простой и совершенной форме, в первую очередь. Отверстия выполняются в уже готовом изделии из пластика, поэтому их позиции точно соответствуют чертёжным. Цилиндрическая форма фланца способствует равномерному распределению нагрузки по болтам. Тут самое главное -- геометрическая простота, в хорошем смысле слова.

Принципиальная схема фланцевого крепления лопасти.

Что же касается авиационного применения армированных пластиков, то единственной сферой, в которой они смогли прижиться в то время (50-60-ые годы), стали безмоторные планеры. Германии планеризм был популярен ещё со времён Версальского договора, который запретил моторизованный авиационный спорт. Планеры было можно, как и ветряки.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Эх, был бы у меня зычный голос, сейчас бы авторучки продавал.

Ветряк острова Богё

Ветряк острова Богё, фото
F.L.Smidth & Co, без разрешения

Утром 9-го апреля 1940 года, по пути в Норвегию, Германия оккупировала Данию. Одним из последствий оккупации стала нехватка в Дании ископаемого топлива; угля и нефти. Вновь, как и в первую мировую войну, в ход пошли подзабытые уже ветряки. Делала их, в основном, компания Lykkegaard, последовательный продолжатель дела Поля Ля Кура. Её мельницы были примерно всё те же, что и в начале века. Помимо неё существовали просто кустари, но среди них было и одно счастливое исключение -- компания F.L.Smidth & Co из Копенгагена. До войны фирма специализировалась на машинах для цементной промышленности, но бизнес её бурно развивался, компания создавала и приобретала различные подразделения и филиалы. Среди них была маленькая авиационная фабрика Skandinavisk Aero Industri (SAI). С её помощью уже в августе 1940 года создаётся первый опытный ветряк с двумя лопастями. Затем появляется вариант с тремя лопастями. За время войны фирма произвела два десятка различных ветряков. Некоторые из них дослужили до 60-х годов. Годовая выработка лучших образцов достигала примерно сотни мегаватт-часов. Их отличительными чертами были роторы с обтекаемыми лопастями из дерева и бетонные башни. Видимые на снимке слева треугольные рёбра жёсткости на всю высоту башни не случайные, их появление было вызвано необходимостью погасить колебания, вызванные взаимодействием струй воздуха от ротора с башней. Первый экземпляр башни от этих колебаний потрескался.

Как утверждают краеведы острова Богё (Bogø), расположенного на самом дальнем востоке датского архипелага, ветряк такой системы появился у них в 1942 году. Машина выглядела необычно, но на самом деле она состояла из уже опробованных в деле элементов. За исключением, разве что, бетонной башни, которая явилась подлинным новаторством со стороны FLS. Впрочем, башня уже тоже имела опыт, из-за чего к ней добавили рёбра. Подветренное расположение ротора и генератор постоянного тока были позаимствованы из ветряков Поля Ла Кура. Обтекаемые лопасти с растяжками взяты от мельницы Agricco. Сами лопасти "самолётного" дизайна от SAI. Внешне ветряк сильно напоминает современные ветрогенераторы, но это такой анахронизм, прямой преемственности между ними нет. Поэтому о ветряке острова Богё редко вспоминают историографы, он плохо вписывается в лестницу прогресса из-за своего модернового вида. До нашего времени от него уцелела одна только башня (где-то в музее хранится механизм одного из ветряков FLS). В 2015 году жители Богё обсуждали план покрасить серые бока башни в весёленькую расцветочку, а на первом этаже обустроить музей, но не знаю, чем дело кончилось. Вообще-то, в этом музее есть что показать, ведь ветряк острова Богё послужил музой для одного очень важного ветростроителя.

Датский инженер-электрик Йоханнес Юуль (Johannes Juul) родился в 1887 году в семье последователей учения Грундтвига. Электротехникой заинтересовался с подросткового возраста, родители его интерес поощряли. В 17 лет прошёл четырёхмесячный курс обучения в народной школе Аскова, у Поля Ла Кура. Сохранилась фотография их курса (на фоне ветряной мельницы). В 1914 году Йоханнес получил диплом электрика после обучения в Копенгагене, после чего взял кредит в банке и организовал свою мастерскую. Одним из его заказчиков была SEAS (Sydsjællands Elektricitets Aktieselskab), электрораспределительная компания Южной Зеландии (старой, не Новой), они приобрели у него кое-что из высоковольтного оборудования -- держатели с изоляторами, переключатели. Йоханнес заработал хорошую репутацию, открыл магазинчик, обзавёлся семьёй. В 1929 году он берётся за проект по модернизации бытовых электроплит. Ему удалось довести их до ума, и в 1934 году он продаёт свой патент на плиту одной датской компании, а затем и ряду европейских. Начавшаяся война не позволила развернуть производство, но после войны его плиты удерживали рынок вплоть до конца 50-х годов.

Плакат плана Маршалла. Надеюсь, что
вы узнали машину и поняли намёк.

Послевоенное восстановление Европы включало в себя так называемый план Маршалла, финансовую и технологическую помощь США в обмен на некоторые торговые и другие преференции. Этой возможностью воспользовалась SEAS для финансирования своего проекта создания эффективной ветряной электростанции. Техническое руководство проектом было возложено на Йоханнеса Юуля. В 1947 году ему уже исполнилось 60 лет, тем не менее, он возвращается к делу своей юности и возобновляет опыты с аэродинамической трубой Поля Ла Кура. Разумеется, установка была уже другой, постройки  SEAS. К 1950 году эксперименты с профилями лопастей заканчиваются, и Юуль приступает к натурным испытаниям на острове Богё, где SEAS приобрела тот самый ветряк производства FLS. Юуль оставляет от него башню, а наверху помещает ветряк своей собственной разработки. Вероятно также не без влияния прототипа он отказывается от ранее принятого заветренного расположения ротора, делает его подветренным, и устанавливает на лопасти растяжки. Так что, некоторая преемственность его ветряка с прежним соблюдается. Что, несомненно, разумно -- за годы эксплуатации конструкция продемонстрировала свою добротность. К семидесятилетию Юуля, в 1957 году проектные работы заканчиваются установкой полностью нового ветряка в паре десятков километров к югу от Богё, на соседнем с ним острове Фальстер (Falster), неподалёку от деревни Гедсер (Gedser). Под именем мельницы Гедсера он и вошёл в датский культурный канон (Kulturkanonen), официальный список самых выдающихся достижений датчан за все времена, датское "наше всё". На сегодняшний момент в списке всего 108 позиций: произведения живописи, музыки, литературы, кино... и мельница Гедсера.

Мельница Гедсера, aka маслобойня.

Чем так примечательна эта мельница, сразу не скажешь, да и незачем, поскольку к ней ещё придётся вернуться. Начну с принципиального новшества, привнесённого Юулем как электриком. Вместо прежнего генератора постоянного тока он установил асинхронный генератор тока переменного и подключил его к распределительной сети. Для человека, далёкого от электротехники, эти слова ни о чём не говорят, в то время как ход Юуля был очень изобретательный. Асинхронная электрическая машина, подключённая к сети переменного тока, обладает замечательным качеством; пока её ротор вращается с частотой, меньше так называемой синхронной (кратной частоте сети), она работает как электромотор, превращая электрический ток во вращающий момент на валу, а когда частота вращения превзойдёт этот рубеж, машина превратится в генератор, выдавая обратно в сеть электрический ток за счёт торможения ротора. Обратимой является также и синхронная машина, но для её работы в сети с постоянной частотой тока требуется постоянная же скорость вращения ротора, отступление от этого правила приводит к перегрузке всей системы. Романи так сжёг свой синхронный генератор. Так как для асинхронного генератора не нужно контролировать скорость вращения ротора, то лопасти удалось сделать неподвижными, что не только упростило их конструкцию, но и добавило ей надёжности.

Раскрутиться ротору до опасных скоростей не позволяли два обстоятельства. Во-первых, при большой скорости ветра вступал в действие так называемый аэродинамический подхват (blade stall). Это явление происходит при большом угле атаки, когда воздух отрывается от выпуклой части аэродинамического профиля, что снижает подъёмную силу. В случае с самолётом снижение подъёмной силы приводит к падению самолёта, а ротор ветряка просто получает меньший вращающий момент. Такую же систему имел и ветряк Романи, но её недостаточно, поскольку ротор будет вращаться и при полном отрыве. Помнится, объяснение причины вращения ветряка началось без использования понятия подъёмной силы вовсе, а ветряные мельницы прекрасно работали без обтекаемых крыльев. Аэродинамический подхват был пассивной мерой безопасности, как можно сказать, используя современные автомобильные термины.



Вторым, активным элементом безопасности, были воздушные тормоза, установленные на кончиках лопастей. Кончики могли поворачиваться вокруг оси, становясь поперёк потока воздуха, тормозя тем самым ротор. Это решение похоже на то, к которому пришли Сабинин с Красовским, но их система была намного сложнее, потому что им нужно было контролировать скорость ротора.

Благодаря этим двум предосторожностям мельнице не был страшен сильный ветер (бетонная башня тоже придавала крепкости конструкции). Удачно подогнанные параметры ротора и генератора позволяли получать электроэнергию в большом диапазоне скорости ветра. Номинальная мощность генератора составляла 200 кВт при диаметре ротора в 24 метра. Лопасти были деревянными, со стальным каркасом. Средняя годовая выработка мельницы составляла 350 мегаватт-часов.

Мельница Гедсера проработала до 1967 года. Конечно, машина была далека от совершенства. В культурном каноне можно прочесть о том, что местные крестьяне прозвали её "маслобойней". В её механизме случались утечки смазочного масла, а ротор разносил его по окрестным полям, за что крестьяне получали компенсацию. Электричество, которое она давала, было слишком дорогим. Но мельница работала, действительно работала, одиннадцать лет в общем счёте, и это было огромным достижением по тем временам. Что же касается Йоханнеса Юуля, то он ушёл из жизни в 1969 году, вскоре после того, как остановилось его творение. Мельницу вновь запустили в 1977 году, она опять заработала, хотя и ненадолго, но это уже другая история. Теперь её ротор с механизмами хранится в Энергетическом музее (Energimuseet) в городе Виборге (Viborg, не наш Выборг). Зато её бетонная башня стоит на прежнем месте, только на неё надели современный ветряк. Фирма F.L.Smidth тоже процветает, как и прежде занимается цементными делами. Ветряков больше не строит, но об истории своей помнит. В 1973 году она вновь предложила проект оригинального ветряка, одним из главных элементов которого была бетонная башня. Проекту хода не дали.

Мельница Гедсера в музее.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Эоланка

Эоланка Люсьена Романи.

Французы, как известно, говорят и пишут по-французски. Почему -- никто не знает, но им так нравится это занятие, что они всему на свете дают свои собственные французские имена и не терпят иностранных слов. Автомобиль, например, у них une voiture, компьютер un ordinateur. Есть и специальное слово для ветряка -- une éolienne (эольен, простите за мой французский). Утверждается, что это слово было впервые использовано в 1885 году и обозначает ветряную машину вообще, а не чисто конкретно мельницу как таковую (un moulin à vent). Однако я подозреваю, что слово это происходит от имени древнегреческого полубога Эола, повелителя ветров, так что, оно не совсем французское, несмотря на вполне французский суффикс -ienne, означающий жительницу местности с однокоренным названием. Впрочем, это их дело, что считать французским. Parisienne -- парижанка, éolienne, соответственно, будет эоланка, с этим разобрались.

Прежде в этом обзоре как-то обходилось без Франции, что несколько странно. Территория её входит в зону вокруг Английского канала и Северного моря, где традиционно использовалась энергия ветра. Ветряная мельница -- один из символов Франции вообще и Парижа в частности. Научная и техническая мысль во Франции также была традиционно сильна. Были и заслуги в создании современной ветроэнергетики. Они не на слуху, чему есть две причины, с одной я начал, а другой закончу этот пост, посвящённой замечательной машине, разработанной, построенной, испытанной и разобранной под руководством Люсьена Романи (Lucien Romani). В сети есть сайт Жан-Люка Кавея (Jean-Luc Cavey), сына одного из руководителей проекта, он и об этой машине, и о Романи, и о Жане_Люке тоже. Большая часть материалов, изложенных здесь, взята оттуда. На сайте множество красочных фотографий, но, что самое чудесное, у него есть английская версия.

Как пишет Жан-Люк, единственным биографическим источником о Люсьене Романи является жизнеописание, составленное самим Романи за несколько лет до смерти. Оно короткое, в литературной форме и не лишено иронии. На французском, естественно. Перескажу его вкратце.

Люсьен Романи.
Фото сайта Jean-Luc Cavey

Родился Люсьен в 1909 году, так что его школьное детство пришлось на WWI. Родители отослали его подальше от Большой Берты в деревню, где он якобы учился и даже получил аттестат о начальном образовании (похоже, это был единственный его диплом в жизни). Дальнейшее его обучение было примерно таким же, благо у отца была библиотека. Любимыми книгами Люсьена стали "Популярная астрономия" и "Сирано де Бержерак". Также в детстве он увлёкся шахматами.

Свою юность он называет "между двумя войнами" (entre les deux guerres), в этот период он зарабатывает на жизнь помощником архитектора, отдавая свободное время шахматам. Тогда же он связался с астрономом Анри Минё (Henri Mineur), основателем Парижского астрофизического института, предложив ему какой-то расчётный метод по астрономической тематике. Тот заинтересовался предложением, но начавшаяся война отменила их совместные планы. Сам Анри участвовал в Сопротивлении, а Люсьена он познакомил с профессором Сорбонны Жозефом Пере (Joseph Pérès), который занимался авиационной тематикой, как гражданской, так и военной. Романи трудился под его началом вплоть до 1946 года. Во время оккупации они работали подпольно, и в прямом смысле слова тоже.

В 1946 году Романи покидает Сорбонну (как он пишет, без дипломов и склонности к иерархии у него там не было никакого будущего) и создаёт собственное проектно-конструкторское бюро, просуществовавшее 20 лет. Бюро получило название BEST (Bureau des études scientifiques et techniques). Как раз в то время и была создана та чудо-машина, о которой здесь идёт речь, но Романи ни разу не упоминает о ней в своём жизнеописании. Вообще. И в этом умолчании следы большой драмы. Он пишет, что работая в бюро он занимался теорией эволюции всего, соединяя вместе палеонтологию, геологию, астрофизику и всё остальное. Это были лучшие его годы, наиболее продуктивные. Разумеется, их следовало посвятить чему-то действительно значимому, а не какому-то агрегату, который толком и не работал вовсе. В последующем он так и поступал, занимаясь исключительно глобальными проблемами вплоть до самой своей смерти в 1990 году.

Но, мы пойдём по порядку, без обид и по чисто конкретным делам. Когда Люсьен Романи впервые заинтересовался ветроэнергетикой неизвестно, сам он об этом предмете ничего не пишет (о том, что ногу себе сломал пишет, об этом -- нет), но сохранился его американский патент, поданный ещё в 1948 году, в котором он предлагает скрестить эоланку с тепловым насосом. Подобные системы только теперь выходят на стадию промышленной реализации. Лишнее подтверждение тому, что человек мыслил глобально. Сохранилась ещё пара его патентов того времени на тему ветрогенераторов. Так что, мельницами он стал заниматься ещё в конце сороковых годов, хотя тот самый проект начался в 1950 году (по другим данным, всё же в 1948 году).

Укладка эоланки. Фото сайта Jean-Luc Cavey.

Инициатором и финансистом проекта явилась ЭДФ, "Электрисите дё Франс" (Électricité de France). ЭДФ -- государственная компания, ровесник BEST, получилась в результате национализации практически всех электростанций Франции. Со временем она стала монополистом и сильно повлияла на экономику, да и на весь прочий облик Франции. Только в 1996 году Евросоюз решил открыть французский рынок электроэнергии для конкурентов, вместе с рынками всех остальных стран-членов.

Проектирование турбины продолжалось пять лет. Проводились аэродинамические и прочие испытания прототипов. Работа была проведена серьёзная. Для установки было выбрано место в 120 километрах от Парижа, в чистом поле неподалёку от деревни Ножан-лё-Руа (Nogent-le-Roi). Станция планировалась как опытная, что и определило место её расположения, да и конструкцию отчасти тоже. Эоланка получилась крепкая и симпатичная, даже три ноги её не слишком портили. Две из них были закреплены на своих фундаментах шарнирами, что позволяло переводить её из горизонтального положения в вертикальное и обратно за счёт двух лебёдок, одна из которых тянула, а другая травила. Процедура занимала около часа и была проведена несколько раз за время эксплуатации станции. Она была необходима для доступа к агрегатам без использования подъёмных кранов. Тут можно посмотреть все стадии процесса и даже анимацию.

В 1955 году начались первые строительные работы. На ноги эоланку подняли в 1956 году, а запустили в 1957-м. В ноябре 1957 года её впервые подключили к распределительной сети ЭДФ. К сентябрю 1958 года её полностью укомплектовали в соответствии с проектом, в том числе, было установлено всё необходимое измерительное оборудование. 27 октября 1959 года станция достигла максимальной мощности за весь период своей эксплуатации -- 1025 кВт, что почти вдвое больше расчётной мощности (650 кВт). Однако, этот успех не дался даром, были повреждены генератор и сцепление. Станцию остановили на три месяца для проведения ремонтных работ. В апреле 1962 года эоланке заменили ветряное колесо. Вместо старого медленного и жёсткого ей поставили новое быстрое и гибкое, которое позволило сократить редуктор. Вскоре от этого колеса оторвалась лопасть. Лопасть скосила лужок неподалёку, но, по счастью, никого не задела. Эоланку благоразумно установили вдали от поселений.

Причиной отрыва был признан флаттер, который наблюдался и при опытных продувках в аэродинамической трубе. По каким-то причинам предупреждения не послушались и повторили ошибку в натуре. Флаттер -- грозное явление, оно заключается в самосогласованных колебаниях детали конструкции и среды, её огибающей. Если собственные колебания детали вызывают колебания в среде, а эти колебания среды вызывают колебания детали, то таким образом происходит их взаимное усиление. Флаттер способен разрушить всё, что угодно. Предсказать его появление и сегодня непросто, но, что удивительно, явление самосогласованных изменений в течении среды и в форме конструкции (аэроупругость), частным случаем которого является флаттер, спустя годы было приспособлено для выполнения строго противоположной задачи -- для предохранения ротора от разрушения.



Однако, не отрыв лопасти явился причиной окончания экспериментов. В том же самом 1962 году ЭДФ прекратила финансирование развития проекта. Эоланку хотели разобрать и переместить вначале на атлантическое побережье, а потом и вовсе на остров близ Ньюфаунленда, но ничего не вышло. В 1966 году эоланку разобрали на металлолом. Вместе с ней прекратило своё существование BEST. Наследником бюро стала компания Aerowatt, ныне Quadran (290 МВт ветряных мощностей). Романи же перешёл на работу в лабораторию Эйфеля, где занимался экспериментальной аэродинамикой до самой своей пенсии.

Пульт управления электростанцией Ножан-лё-Руа.
Фото сайта Jean-Luc Cavey 

В 1973 году эоланкой заинтересовалось НАСА, тогда же оно получило от ЭДФ отчёт 1958 года. В английском переводе он доступен в интернет-архиве. Это практически единственный технический публичный документ о проекте BEST, всё остальное ушло в такие архивные глубины, что, вероятно, утрачено безвозвратно. Впрочем, информации в этом документе предостаточно. Посмотрим на таблицу, аналогичную предыдущим, составленным для турбины Смита-Путнама и для ялтинского проекта.

Ротор

Чертёж из перевода отчёт ЭДФ для НАСА.
Взято с сайта Jean-Luc Cavey 

• Диаметр 30,19 метров
• 3 лопасти
• треугольные в плане
• скорость вращения 47 об/мин
• фиксированный угол наклона лопасти
• высота оси 33 метра
• заветренное расположение (на корме гондолы)
• вес 8 тонн

Редуктор

• планетарный
• передаточное отношение 21
• жёсткое сцепление

Генератор

• синхронный переменного тока 50 Гц
• 640 кВт активной мощности
• 1000 об/мин
• 3000 В

Гондола

• пассивное управление курсовым углом
• возможность принудительно устанавливать курсовой угол
• площадка для персонала

Башня

• ферменный треножник с поворотной башней 
• высота 33 метра
• лестница для персонала
• общая масса с оборудованием 160 тонн

Рабочие характеристики

• минимально необходимая скорость ветра 2,35 м/с
• максимальная зарегистрированная скорость ветра 17 м/с
• время эксплуатации 18 месяцев

Первое, что хотелось бы отметить, это то, что турбина БЕСТ-Романи задумывалась как чисто экспериментальная установка, такой она и получилась. В каждом месте про неё можно сказать "всё у них так". Замеров производилось много, достаточно сказать, что вокруг эоланки были установлены ферменные башни по 60 метров высотой для замеров скорости ветра. Насколько я могу понять, все результаты их были утрачены, причём чуть ли не сразу как только. Машину в ходе испытаний не жалели, ставили на ней всякие опыты.

Главное отличие ротора эоланки от роторов её предшественников заключается в его малой массе, всего 8 тонн, что объясняется не только меньшим диаметром, но и материалом, выбранном для его лопастей. Они были сделаны из авиационного сплава алюминия с цинком. Другое отличие проистекает из экспериментальной природы установки. Лопасти были установлены под фиксированным углом ради простоты, как я понимаю, которая как известно... Поэтому задача поддержания постоянства частоты вращения была возложена на генератор, а, точнее будет сказать, на электрическую сеть, которая свой частотой удерживала частоту вращения синхронного генератора. Совершенно варварский способ, который привёл к аварии генератора (к тому же, была вдвое превзойдена его номинальная мощность). Гену сожгли, чего уж там говорить.

В случае отключения эоланки от сети были предусмотрены четыре способа укоротить ротор. Во-первых, существовал обычный тормоз. Во-вторых, была возможность подключить к генератору электрическую нагрузку, нагревательный элемент для подогрева окружающей среды, мегаваттной мощностью. В-третьих, на входных кромках лопастей были установлены активные элементы, приводимые в действие центробежными силами, которые работали как воздушные тормоза. В-четвёртых, ротор можно было повернуть вдоль ветра, воспользовавшись возможностью принудительно поворачивать башню эоланки. Такая возможность была необходима для "укладки" эоланки, в рабочем же режиме курсовой угол устанавливался за счёт заветренного расположения ротора, он работал как флюгер.

Башня+треножник. Земля Адели,
июль 1957 - декабрь 1958 гг.
 Фото сайта Jean-Luc Cavey.

С редуктором авторы напротив намудрили, он вышел у них какой-то неоправданно сложный и тяжёлый. Установка нового ротора была продиктована как раз заменой редуктора, что привело к ещё одной серьёзной аварии. 

Ну, и, конечно, эта замечательная башня... Французский дизайн. Металлическая трубчатая башня (которую уже использовал Андрё) -- компактная и жёсткая опора, что позволяло уменьшить вынос ротора. Во французском дизайне он наконец-то приобрёл вертикальное положение. Неслучайно поворотная башня Романи отмерена по размеру лопастей. Книзу от башни располагается треножник, который придаёт устойчивость всей эоланке. Причём треножник не только крепко держится на земле, но и обладает свойствами демпфера, рессоры. В наше время устойчивость башни обеспечивается фундаментом особой конструкции, но не всегда его можно возвести, как например в Антарктиде (фото слева). Помимо сказанного, башню эоланки Романи ещё можно было и наклонять. Так что, претензий к конструкции башни у меня нет, на самом деле. Потому она и смотрится так красиво. Впрочем, о вкусах не спорят.

Закрытие BEST не прекратило французские исследования в области ветроэнергетики, но ЭДФ обуяла любовь к атому. Ещё бы, одна атомная станция способна заменить тысячи эоланок Романи. Атомная станция тоже не дымит и не требует много топлива, зато электричество выдаёт непрерывно, невзирая на капризы погоды. Самое же главное, это то, что ещё в конце 40-х, начале 50-х годов во Франции были открыты промышленные месторождения урана. К концу 50-х годов стало ясно, что урана в стране много, а в 1962 году начала работу первая французская АЭС. Так что, когда случился нефтяной кризис, Франция взялась развивать в первую очередь атомную энергетику. В 1990 году 75% электричества во Франции вырабатывалось на атомных станциях. Страна стала экспортёром электроэнергии, и Дуся Франция превратилась в ядерную помойку Европы. Естественно, что усилия зелёных тоже были направлены на атомную промышленность (на её закрытие), о ветроэнергетике все забыли. Она превратилась в Золушку.

Остатки фундаментов для трёх ног и двух лебёдок турбины B.E.S.T-Romani на картах Google.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Матрёшка

Иллюстрация из журнала
Engineering, март 1955 года.

История есть наука о манипуляции фактами. Историк подбирает факты так, чтобы они сложились в картинку желаемой идеи, наподобие скрапбукинга. "Вот какая у нас дружная семья". "Вот как я весело служил в армии". Такая точка зрения популярна по всему миру, в нашей же стране она является чуть ли не единственной. Такое единодушие тем более удивительно, что истории у нас придаётся неоправданно большое значение. Ведь, казалось бы, какое значение может иметь произвольно сляпанная вещь? Более того, бывает человек целую жизнь занимается любимым делом, и хорошо занимается, а историю своего дела не знает совершенно. И ничуть ему это не мешает. Обходится он как-то без истории агрикультуры, без истории бухгалтерского дела, без истории юриспруденции, без истории инженерии. В тоже время, тот же самый человек, ни разу не будучи политиком, жить не может без политической истории страны. Ну, вот, на кой ляд она тебе нужна, хочется его спросить...

Не стану критиковать такой подход, скажу только, что если от истории действительно складывается в мозгу какая-то законченная весёлая картинка, то это уже проблема даже не историка, а читателя. Историк обязательно о чём-то умолчит (по самым разным причинам, включая технические), соврёт (по тем же причинам), но если он лепит картинку, то это уже не историк, а художник. Беллетрист. Так и в истории ветроэнергетики полно белых пятен утраченного и цветных пятен какой-то нелепицы, так что картинка поступательного движения научно-технического прогресса выходит вся заляпанная настолько, что непонятно, есть ли он вообще, этот прогресс. Вспомним деревянные мельницы Фатеева, например. И, всё-таки, прогресс есть, просто показать его, соблюдая исторический подход, не слишком просто. В каждую эпоху существуют вещи, обогнавшие прогресс, отставшие от него, а также идущие куда-то совершенно в бок. Но нам это так сейчас кажется, что они в бок идут. Возможно пройдёт время, и они впишутся в общий тренд. Пути прогресса неисповедимы. Поэтому я расскажу о машине, которая настолько не вписывается в нынешний тренд, что о ней обычно умалчивают, хотя она вполне успешно работала.

Жан Эдуард Андрё.

Машина была изобретена французским инженером Жаном Эдуардом Андрё (Jean Édouard Andreau), но построена в Великобритании. Автор её не дожил до того момента, когда она заработала. В июне 1953 года изобретателя постигла преждевременная смерть от болезни, ему тогда ещё не исполнилось 63-х лет.

Большую часть своей творческой жизни Андрё посвятил автомобилям. Он занимался самыми передовыми инновациями. Был автором рекордного автомобиля Thunderbolt (Удар молнии), который в 1938 году поставил рекорд скорости -- 575 км/ч. Работал в лаборатории Эйфеля, проводил исследования в области аэродинамики. Создавал обтекаемые корпуса автомобилей, которые и теперь выглядят футуристично. Работал также и над внутренними узлами автомобиля вообще и двигателя в частности. Интересовался он и ветряными машинами, но только во время WWII эта тема стала для него по-настоящему близка. Тогда все почувствовали нехватку местных источников электроэнергии.

Чертёж из американского патента.

В октябре 1943 года во Франции Андрё получает патент на ветрогенератор особой конструкции. Главным в его изобретении был способ передачи вращающего момента от ветряного колеса к генератору. Он был прост, как и всё гениальное. На рисунке справа всё можно понять и без слов, но я объясню. Под действием ветра ротор ветряка вращается. Его лопасти выполнены пустотелыми, с двумя отверстиями: у основания лопасти и на её периферии. Центробежные силы выталкивают воздух из ротора наружу, через периферийные отверстия в лопастях. На оси ротора создаётся разряжение, к которому устремляется воздух из пустотелой башни. В башне организуется поток воздуха; от отверстий в её основании и до отверстий на концах лопастей. В потоке этого воздуха установлена турбина, механически соединённая с генератором. Поток вращает турбину, а та генератор.

Казалось бы, зачем в один ветряк вставлять ещё один? Но такая система обладает рядом преимуществ. В первую очередь, это преимущества гидравлической (в данном случае -- пневматической) коробки передач. Андрё работал над автомобильными коробками передач и хорошо их знал. В его схеме отсутствует механический редуктор, а роль сцепления осуществляется перепускными отверстиями в башне. Тем самым нет нужды держать постоянными обороты ветряного колеса, что всегда было большой проблемой. Из-за того, что генератор расположен на земле, а редуктор отсутствует вовсе, существенно уменьшается нагрузка на башню и на поворотный механизм гондолы. В такой схеме смягчаются удары от порывов ветра. Были, конечно, и недостатки. Необходимость перепуска воздуха через лопасти увеличивает их толщину (особенно на периферии), что отрицательно сказывается как на их аэродинамических качествах, так и на прочностных свойствах. Высоки потери на вторичной турбине и в тракте воздушного потока. Увеличение размера ротора такой турбины до десятков метров малореально из-за особенностей строения лопастей. Тем не менее, маломасштабная она вполне имеет право на существование.

Чертёж из журнала
Engineering, март 1955 года.

В 1950 году Андрё получил за свой проект золотую медаль комитета экономических искусств (le Comité des Arts Economiques) при Обществе содействия национальной промышленности (Société d'encouragement pour l'industrie nationale). Реализовать проект взялась Британская электрическая государственная компания (British Electricity Authority, BEA), созданная в 1948 году в результате национализации британских электростанций, тогдашний монополист на британском рынке электричества. Главным её подрядчиком была компания Enfield Cables, отчего турбина получила название Enfield-Andreau. Слева можно видеть чертёж её общего вида.

Как писал журнал Engineering, ветряк был разработан таким образом, что при скорости ветра 30 миль в час (13 м/с) ветряное колесо делало 100 оборотов в минуту, перекачивая через башню 58500 кубических футов воздуха в минуту (примерно 35 килограммов воздуха в секунду). Когда ветер превышал эту скорость, включался механизм регулировки угла атаки лопастей (они были сделаны поворотными), чтобы держать расход воздуха через башню постоянным, таким образом генератор выдавал постоянную мощность в 100 кВт. При скорости более 65 миль в час (29 м/с) ротор останавливался.

Башня была сделана из стальных листов, её высота составляла 100 футов (30 м), диаметр у основания 9 футов (2,7 м), на уровне канатов -- 3 фута 6 дюймов (1 м). Диаметр ветряного колеса 80 футов (24 м), вес каждой лопасти 1600 фунтов (726 кг). Гондола (если её можно так назвать) поворачивалась сервомотором. Вообще в ветряке было много автоматики, тем не менее, при испытаниях её не хватило и ветряк выставлялся против ветра вручную из-за большой переменчивости оного. Зазор между ротором и статором имел лабиринтное уплотнение. В башне был предусмотрен байпас для перепуска воздуха в обход генератора. Генератор синхронный, 100 кВт, выдавал трёхфазный ток напряжением 415 В. Вторичная турбина была одноступенчатой; 47 лопаток на роторе, 50 на статоре, скорость вращения 1000 оборотов в минуту.

Об эксплуатации турбины Энфилда-Андрё известно немного. Построили турбину и провели её испытания в местечке Сент-Олбанс (St. Albans) неподалёку от Лондона. Неизвестно даже, когда это точно случилось, но статья в журнале указывает верхнюю дату -- не позднее марта 1955 года, поскольку в статье говорится, что испытания уже состоялись. Затем, в 1957 году её перевезли в Алжир, где она тоже работала по специальности. Есть сведения, что в 1962 году канадцы проводили с ней эксперименты на Барбадосе. Надо понимать, что французы, уходя из Алжира, забрали её с собой. Стало быть, она была в рабочем состоянии, иначе зачем было тащить с собой такую тяжесть -- общий вес конструкции составлял 60 тонн.

Несмотря на то, что предложенная Андрё пневматическая система привода не получила дальнейшего развития, турбина Энфилда-Андрё оказалась важным шагом к современным ветрогенераторам. Всё дело в башне. Её дизайн был необычным для своего времени. Пустотелая труба была нужна для прогонки через неё воздуха, не более того, у других ветряков не было такой потребности, поэтому башни они имели другие. Только много лет спустя выяснится, что пустотелая труба, сшитая из стальных листов идеально подходит для башни ветрогенератора. Таким образом, турбина Энфилда-Андрё впервые имела башню современного типа. Воистину неисповедимы пути научно-технического прогресса.

Назад

К оглавлению

Вперёд