Механика сплошных вторников

Кто читает этот пост, тот пережил 2016 год.

Битва титанов

Mod-0, 1975 год.

Но вернёмся в Америку. В 1973 году "Национальный научный фонд" (National Science Foundation, NSF) совместно с Льюесовским исследовательском центром НАСА (NASA Lewis Research Center) начали разработку программы ветроэнергетики, в 1974 году NSF сменила "Администрация исследований и разработок по энергетике" (Energy Research and Development Administration, ERDA). Льюесовский центр занимался турбинами, поэтому организаторы логично поручили ему работу с ветряными турбинами. Так, например, одно время думали, что космонавтов лучше всего готовить из подводников, они тоже в скафандрах и в невесомости. Теперь центр носит имя Джона Гленна (John Clenn), первого американского астронавта, совершившего орбитальный полёт, история же центра с ветряными мельницами известна только специалистам.

В соответствии с программой ветроэнергетики предполагалось создание турбин большой мощности (более мегаватта), оценка экономической эффективности ветроэнергетики, ветроразведка США, а также передача результатов исследований бизнесу. На крупный же бизнес были возложены и основные производственные, да и отчасти исследовательские работы тоже.

Уже к сентябрю 1975 года была готова первая экспериментальная установка, получившая название Mod-0. Её разместили неподалёку от города Сэндаски (Sandusky, к славянским фамилиям не имеет никакого отношения) в штате Огайо, на севере страны. Лопасти для турбины были созданы знаменитой авиационной фирмой Локхид (Locheed Aircraft Corp., ныне Locheed Martin), известной многими замечательными машинами, среди них, в частности, тяжёлый транспортный самолёт "Геркулес" (92 пассажира или 2 БМП), разработанный ещё в 1954 году и выпускаемый до сих пор. Сам же ветрогенератор строился фирмой Вестингауз (Westinghouse Electric Co.). В чертах ветряка Mod-0 угадывалась машина Смита-Путнама, но с нововведениями.

Ветряк Mod-0a и
самолёт "Геркулес"
в одном масштабе.
Размер в метрах (футах).

Если образцом для изготовления лопастей турбины Смита-Путнама послужил железнодорожный вагон из нержавейки, то Локхид использовал свой авиационный опыт. Лопасти у него получились похожими на крылья самолёта и сделаны были из летучего металла -- алюминиевого сплава. Благодаря ему их удалось сделать почти на порядок легче лопастей Смита-Путнама. Крепились лопасти к оси проще, чем у предшественника, но надёжнее; основание алюминиевой лопасти через стальное кольцо было привинчено болтами к ступице (в сущности, тоже фланцевое соединение, что и у Хюттера). Управление углом атаки осуществлялось гидравлическим приводом. Оболочка гондолы также была выполнена из нового материала -- стекловолокна. Ферменная башня с лифтом и лестницей были похожи на довоенные. Однако, всё это мы уже видели в других исполнениях. 

Действительным нововведением оказалось микропроцессорное управление ветряком. Человек XXI века, взглянув на вычислительное оборудование Mod-0, усомнился бы в правомерности употребления приставки микро- в таком контексте. Тем не менее, это действительно были микропроцессоры, поскольку они были собраны из микросхем, каждая из которых состояла из множества микроскопических транзисторов. Компьютерами их и тогда не называли, поскольку у них была узкая сфера применения -- управление механизмами в реальном времени. Такой прообраз "умных вещей". НАСА для своих ветряков использовала микропроцессоры фирмы Диджитал Экьюпмент (Digital Equipment Corp., DEC, ныне Hewlett-Packard) серии PDP-11 (модификации 34 и 04). Процессоры анализировали показания анемометра, определяли параметры электрической цепи, выставляли угол лопастей через устройства телемеханики, отслеживали аварийные ситуации; руководили всей работой ветряка, от старта до останова. (В первой серии ветряков курсовой угол выставлялся независимо от процессора, с помощью аналоговой системы). Практика цифрового управления ветрогенератором прижилась и дошла до наших дней, поэтому вполне может быть оценена как отдельное большое достижение в истории ветроэнергетики.

Традиционно приведу основные характеристики получившегося ветряка. (Интересно сравнить его мощность с мощностью двигателей  самолёта "Геркулес" -- 14000 кВт.)

Ротор

• Диаметр 125 футов (38,1 метра)
• 2 лопасти, на фланцевых соединениях
• длина лопасти 18 метров (59,9 футов)
• вес лопасти 907 кг (2000 фунтов)
• скорость вращения 40 об/мин
• регулировка угла атаки поворотом лопасти
• высота оси 100 футов (30,5 метров)
• заветренное расположение (на корме гондолы)

Редуктор

• передаточное отношение 45
• параллельная конфигурация осей
• гидравлическая муфта на высокоскоростной оси

Генератор

• синхронный переменного тока 60 Гц
• 125 кВА (200 кВт)
• 1800 об/мин
• 480 В

Гондола одной из турбин серии Mod-0а.

Механизм выставления угла атаки,
гидравлическая часть не показана.

Гондола

• активное управление курсовым углом
• сервопривод
• теленаблюдение, удалённый мониторинг

Башня

• ферменного типа 
• высота 100 футов (30,5 метров)
• лифт для персонала
• масса 20 тонн

Рабочие характеристики

• минимальная скорость ветра 8 миль/час (3,6 м/с)
• номинальная скорость ветра 18 миль/час (8 м/с)
• максимальная скорость ветра 40 миль/час (17,9 м/с)

Регулировка мощности была организована таким образом, что при малой скорости ветра она росла по обычному кубическому закону, а по достижению 8 м/с мощность становилась постоянной, равной 200 кВт. При скорости 17,9 м/с турбина выключалась, включалась вновь только при падении скорости ветра до 11,1 м/с. Аналогично происходило при слабом ветре -- отключение при 3,6 м/с, включение при 5,8 м/c. Можно сказать, что мощность турбины была искусственно "задавлена", что разумно для опытного изделия.

Лопасть турбины Mod-0 в цеху.

Первые же испытания показали, что с Mod-0 что-то не так. Поэтому наработка для этой турбины не указана, в ней нет смысла. Испытания перешли в долгую цепь экспериментов по совершенствованию конструкции. В ходе этой работы были построены новые ветряки, на новых площадках, а первый из них, в Сэндаски, стал экспериментальным полигоном, на котором отрабатывались новые технические решения. Но об этом позже, в новом году уже теперь, как понимаю.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Вы когда-нибудь были в Вазастане? Я был. Хуже от этого не стал.

Отлить в стекловолокне

На предыдущих страницах уже неоднократно упоминался армированный пластик, пора описать технологию его изготовления. В самых общих чертах, разумеется, поскольку процесс этот совсем не простой, постоянно совершенствуется и существует во множестве вариантов. Часто его называют литьём, иногда даже литьём под давлением, поскольку он действительно напоминает литьё под давлением, но принципиально процесс иной, поэтому такое название вводит в заблуждение. 

При изготовлении армированного пластика перед технологами стоит задача пропитать армирующее волокно заполняющим пластиком, причём таким образом, чтобы готовая деталь соответствовала заданной форме. В процессе используется вакуумирование, поэтому его было бы правильнее называть вакуумной пропиткой, но и здесь есть неточность, поскольку не учитывается важнейшая роль литейной формы. Впрочем, иногда литейную форму в описываемом процессе называют чеканом, по аналогии с прессованием. Пожалуй, наиболее точным будет название вакуумная пропитка на пресс-форме под атмосферным давлением, но мне ни разу не приходилось такого слышать. Так что, во избежание непонимания, лучше всего пользоваться нейтральным "производство изделий из армированного пластика".

Итак, по существу процесса. Он начинается с литейной формы, углубление в которой изготавливается по форме будущей детали. Сразу следует заметить, что точной получается только одна внешняя поверхность детали, та, что примыкает к литейной форме, но для лопастей этого вполне достаточно. Поверхность, как правило, подвергается предварительной обработке так, чтобы готовую деталь можно было отодрать от формы для повторного использования последней. Обработка может быть самой разной, поэтому нет смысла вторгаться в детали.

Далее на поверхность формы укладывается армирующая ткань (на рисунке внизу не указана). Поскольку у формы сложная топология, а ткань обычно изготавливается плоской (слово обычно здесь не случайно), то ткань перед укладкой следует нарезать полосками, иначе не избежать появления складок, которые всё испортят. Однако даже полоски надо укладывать аккуратно, поэтому так много было и часто всё ещё остаётся ручной работы при изготовлении лопастей, что завышает их стоимость. Надо ещё учесть, что работа с армирующим волокном (стекловолокно, углеволокно (карбон), кевлар) вредная, заполняющий пластик (синтетические смолы) и растворители-пластификаторы тоже не подарок, поэтому для снижения стоимости ветряных турбин очень важно автоматизировать и роботизировать изготовление их лопастей.

Примерная схема изготовления армированного пластика.

На слой волокна укладывается вакуумный мешок. В рассматриваемой конструкции этот мешок не совсем мешок, но лист гибкого материала (обычно силикон), повторяющий форму литейного углубления, с учётом толщины будущей детали. Мешок выступает за края литейного углубления, где герметично присоединяется (приклеивается) к литейной форме. Тем самым, между литейной формой и вакуумным мешком образуется полость, заполненная волокном. В мешке есть технологические отверстия. Примерно по центру будущей детали через отверстия в мешке в полость подаётся под небольшим давлением пластик, а за пределами литейного углубления через специальные отверстия насосом откачивается воздух. Мешок прижимается к литейной форме атмосферным давлением.

Почему пластик подаётся в форму под небольшим давлением в отличие от литья под давлением? Потому что у него высокая вязкость, а ему следует пропитать всю полость, пролезая сквозь армирующие волокна. Создать очень высокое давление можно, но что тогда случится с волокном, когда на него ринется неудержимый поток вязкого пластика? Его просто сметёт, как это и происходит при литье под давлением, когда из литейной полости выметается всё, в том числе, заполняющий материал, если литьё производится по выплавляемой модели. Поэтому пластик не спеша заполняет пустоту (вакуум), остающийся от отступающего воздуха. Атмосферное же давление помогает отгонять случайные пузырьки в слое волокна, пропитанного пластиком.

Таким образом "отливаются" две половинки будущей лопасти. После отливки место их стыка обрабатывается и половинки сшиваются (склеиваются) вместе. Затем производится финишная обработка: шлифовка-полировка поверхности, покраска, покрытие защитным слоем от истирания и прочее. Формируется место соединения лопасти с осью и всё остальное. Эти процессы немного похожи на обработку кузовов автомобилей, поэтому их уже неплохо роботизировали.

Сделаны определённые шаги и в направлении автоматизации основного процесса. Очень интересной представляется технология... Но, пожалуй, не буду забегать вперёд, о ней вполне можно будет рассказать отдельно, когда подойдёт время для её реализации. В семидесятых же годах прошлого века преимущество мог дать только бесплатный труд волонтёров. Более того, создатели турбины Твинд не использовали технологию, описанную выше, габариты не позволяли. Каждую полоску стекловолокна они пропитывали кисточками. Адский труд.

Небольшое видео о полукустарном производстве лопастей:

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Боярышник российского посола.

Республика Твинд

Транспортировка лопасти турбины Твинд.

Частная школа для трудных подростков "Твинд" была основана в 1970 году тогда ещё совсем молодым датским учителем Амди Петерсеном (Mogens Amdi Petersen). Теперь (конец 2016 года) Петерсену 77 лет и его разыскивают датские власти через Интерпол по обвинению в растрате государственных средств и в уклонении от уплаты налогов. Последний раз его видели в Мексике. Так что, если вы вдруг видели его где-нибудь, то знаете куда следует сообщить. Не могу знать насколько обоснованы претензии к этому человеку, но не удивлюсь, если вполне. Род занятий способствует. Почитайте Макаренко, например. Макаренко даже по тогдашним законам следовало бы посадить, не говоря уже о законах современной Дании. Разумеется, большинство педагогов люди честные, но соблазнов для них действительно много, особенно когда речь идёт о государственном финансировании. Тем более достойны уважения те из них, кто несмотря ни на что не запускает руку в чужой карман, и печально, что на них ложится тень от немногих проходимцев. Легла тень и на "Твинд", усилив сомнения в благостности его деятельности. К нашему времени он разросся от частной школы до целой империи добрых дел... Может быть, его и в самом деле пора прикрыть, очень важно бывает уйти вовремя, с доброй памятью о себе. Ведь есть о чём вспомнить с уважением и благодарностью.

Цитатник Мао Дзэдуна
на датском языке.

29 мая 1975 года состоялась историческая встреча учащихся и преподавателей школы "Твинд", всего 400 человек, их средний возраст составил тогда 21 год. Встреча положила начало проекту постройки большой ветряной турбины Твинд. Проект проходил под девизом "Пусть расцветают 100 мельниц" (..lad 100 møller blomstre..), в коем, несомненно, содержалась аллюзия на цитату Мао "Пусть расцветают 100 цветов" из популярной в то время среди европейской левоты красной книжицы, цитатника Великого кормчего. Аллюзия провокационная, памятуя чем весь этот расцвет закончился в Китае, но Дания не Китай, всё обошлось. Помимо четырёх сотен основателей, мельницу строили несчитанные волонтёры, их количество оценивается в десятки тысяч человек. Среди волонтёров встречались и  профессионалы, которые не только таскали и бросали, но и консультировали строителей на предмет конструкции мельницы. За основу приняли мельницу острова Гедсер, но лопасти к ней сделали по примеру турбины из Штутгарта. Авторы сайта, посвященного турбине, утверждают, что Петерсен сам лично настоял на дизайне Хюттера, по которому в Дании в то время никто не работал. Удивительно как сошлись вместе криминальные умы ради благого дела. Вот уж воистину "та сила, что вечно хочет зла".

Изготовление лопасти Твинд.

Работа продолжалась три года, на проект, помимо неучтённых бесплатных усилий, потратили 6,5 миллиона датских крон. 26 марта 1978 года мельница впервые завертелась, но понадобилось ещё почти два года, чтобы устранить все недостатки и запустить машину в постоянную эксплуатацию.

"Тренировочная" турбина,
Фото Erik Grove-Nielsen.

Технология производства лопастей из армированного пластика в то время, по большому счёту, не существовала, поэтому команда провела долгую подготовительную работу, прежде чем приступить к их непосредственному изготовлению. К Хюттеру в Штутгарт отправилась настоящая паломническая миссия для восприятия опыта, после чего начались практические эксперименты. Вначале потренировались на лодках. Лодки из стеклопластика в 70-х были хорошо известны. Если мне память не изменяет, я и сам катался на такой в Подмосковье в году этак в 75-м. Лодка в работе испытывает существенные нагрузки, и мало найдётся датчан, которые не разбираются в лодках и не смогли бы грамотно оценить результат. Затем они сделали малый ветряк на 20 кВт, причём литейные формы для его лопастей взял в аренду, а потом и приобрёл Эрик Грове-Нильсен (Erik Grove-Nielsen). И только после всех этих тренингов началось создание настоящей турбины. И вот что получилось.

Ротор

• Диаметр 54 метра
• 3 лопасти 
• максимальная скорость вращения 21 об/мин
• регулировка угла атаки поворотом лопасти
• ось ротора от винта нефтяного танкера, позаимствована на верфи Роттердама
• высота оси 53 метра
• заветренное расположение (на корме гондолы)

Редуктор

• серийный ASEA, модель 1958 года, найден на шведской медной шахте
• передаточное число 20

Генератор

• серийный ASEA, модель 1954 года, со шведской бумажной фабрики
• синхронный
• 1725 кВт активной мощности

Гондола

• активное управление курсовым углом

Башня

• железобетонная 
• высота 53 метра
• лифт для персонала
• масса 1620 тонн

Рабочие характеристики

• минимальная скорость ветра 2,5 м/с
• номинальная скорость ветра 8 м/с
• максимальная скорость ветра 21 м/с
• средняя скорость остановки 16 м/c
• годовая выработка 0,5 миллиона кВт-ч
• полное время работы 150540 часов (на конец 2014 года)
• полная наработка энергии 20 млн. кВт-ч

Организационно проект Твинд вполне соответствовал новейшему времени, поэтому нельзя назвать его главного автора, роль лидера проекта (коим был Петерсен) сводилась к чисто управленческим действиям. Эпоха "генеральных конструкторов" ушла в прошлое. В общем-то, уже руководители проектов 30-х годов были скорее менеджерами, чем инженерами, но какая-то инерция оставалась, причем не всегда хорошая. Я имею в виду, что генеральные не всегда грамотно вторгались в техническое творчество участников проекта со своими оригинальными "задумками". Управленческая культура руководителя большого инженерного проекта требует от него способности оценить работу участников проекта, а не делать её самому. По всей видимости, Петерсен обладал необходимой культурой. Так, основным техническим консультантами проекта выступали Датская национальная лаборатория энергетики из возобновляемых источников (Risø) и Датский технический университет. Они самостоятельно разрабатывали ветряные турбины, но ничего подобного Твинд у специалистов не получилось. Ковчег построили любители. Специалистам не хватило грамотного выбора необходимых технических решений, т.е., менеджмента. Звучит неубедительно? Ни одна турбина профессионалов не имела лопастей Хюттера, хотя они прекрасно знали о немецком изобретении, но хотели смастерить что-то своё.

Установка лопасти Твинд, 1978 год.
Фото с сайта "Ветры перемен".

Помимо несомненно удачных выборов технических решений в проекте случались также неудачные и сомнительные. Неудачным оказался первоначальный редуктор, его сразу же пришлось заменить из-за высокого уровня шума и вибраций. Что было непросто, работать приходилось на высоте, в прямом смысле слова, башня Твинд падать ниц как эоланка не умела. Кстати, при монтаже и ремонте агрегатов турбины использовались подъёмные краны, как и на современных турбинах. Установкой заведовала компания Klose Kraner (часть промышленной группы BMS из Holstebro), это был первый её шаг к лидерству на рынке ветряных турбин, хотя компания его не помнит. Ай-я-яй. На фотографии слева можно видеть процесс установки лопасти. Нынешняя технология предполагает горизонтальное положение лопасти при монтаже, здесь же она висит под углом, хотя и под малым. Почему так не знаю, но крылья к ветряным мельницам устанавливали совсем иначе -- отвесно вниз, поднимая их с земли, кранов-то не было, так что технология Твинд ближе к современной.

К сомнительному выбору я бы отнёс саму башню. То, что она не умела падать, это ей большой плюс, на самом деле, а вовсе не минус, как можно было бы подумать из предыдущего замечания. Не затем воздвигают башни, чтобы они падали. Но полторы тысячи тонн, это многовато будет, хотя кашу маслом не испортишь, конечно, вопрос в цене. Динамический расчёт башни провёл Ханс Йорген Лундгард Ларсен (Hans Jørgen Lundgaard Laursen), башня у него получилась основательная, как и его имя. Именно на её основание я и хотел бы обратить особое внимание. Башни из бетона мало теперь кто строит, более того, даже у бетонной башни верхушку стремятся сделать стальной, металл лучше держит изгиб (у Останкинской башни, кстати, верхушка тоже стальная). Зато конический железобетонный фундамент, практически точно такой же как у Твинд, самое ходовое решение для наземных ветряных турбин. Конус делают меньшей высоты (башни не такие тяжёлые) и закапывают его в землю на всю высоту, а не наполовину как тёщу, в остальном же, это тот же самый дизайн Ханса Йоргена. Подставка оловянного солдатика, как бы я назвал этот фундамент. Думаю, что каждый датчанин читал сказку про одноногого солдатика.

Дети цветов на строительстве фундамента башни Твинд,
фото сайта электростанции Твинд.

Среди прочих создателей Твинд, всех которых не перечесть, я бы ещё отметил профессора Технического университета Копенгагена Ульрика Краббе (Ulrik Krabbe), который вместе со своими студентами разработал электрику станции Твинд. Задача перед ними стояла непростая. Мощность турбины большая и переменчивость её, соответственно, тоже. Ну, и все остальные тоже молодцы. Лица некоторых участников проекта можно увидеть на фотографиях сайта "Ветер перемен".

И всё таки, главное достижение станции Твинд, это её долговечность. За время эксплуатации случались поломки. Вот их краткий список:

1989 -- замена подшипника одной из лопастей
1993 -- замена всех трёх лопастей и двух оставшихся подшипников (т.е., после 15 лет службы)
1999 -- покраска в нынешнюю красно-белую расцветку
2000 -- модернизация курсового механизма и управляющих систем
2004 -- замена ещё одного подшипника лопасти
2015 -- увеличение мощности и установка дополнительного преобразователя частоты.

Как можно видеть, основная проблема -- подшипники лопастей, наиболее нагруженный и, в тоже время, точный узел всей конструкции. Тем не менее, они ходили по десять лет даже такие, созданные не пойми кем, в спешке, без предыдущего опыта эксплуатации. Многие важные узлы и вовсе были подобраны на помойке, но к ним никаких претензий. Это по технике, а с наработкой всё сложнее.

Во-первых, если мы поделим отработанные часы на время эксплуатации (40 лет), то увидим, что простои турбины составляют примерно половину времени эксплуатации, что многовато. Очевидно, что в её истории случались длительные и/или частые остановки. Во-вторых, средняя мощность всего 133 кВт, т.е., менее 10% от максимальной. Тут явный не то чтобы просчёт... но, скорее, перестраховка создателей, как и в случае с башней. Опыта не было, поэтому турбина была оптимизирована на слабый ветер, а он, сами знаете... При сильном же ветре турбина обычно останавливалась, отсюда средняя скорость ветра при остановке -- 16 м/c. При таком ветре работать бы и работать, но надёжность была избрана приоритетом, поэтому и дублируемая система тормозов, поэтому и прослужила 40 лет. Тише едешь, дальше будешь.

Что же касается экономики... Она всегда была слабым местом Петерсена. Если умножить наработку на нынешнюю цену электричества в Дании, то получится около 45 миллионов крон. Но как это сопоставить с заявленными тратами в 6,5 миллионов? В Дании была сильная инфляция, причём как раз в конце семидесятых и в восьмидесятых годах. Кроме того, ремонт, эксплуатационные расходы, банковский процент... Нужно также иметь в виду, что стоимость электричества в Дании одна из самых высоких в мире (0,3 евро за кВт-ч). А бесплатный труд волонтёров? А уникальный дизайн? Общее же впечатление такое, что станция пока не окупилась. Ну так что ж, у неё ещё есть время, ведь она пока работает.

Стойкий оловянный солдатик на исходе четвёртого десятка лет своей службы:

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Женщины, вы такие таинственные... особенно первый десяток.