Удар тени

Курсовой сдвиг Mod-0.

Памятуя проблемы турбины Смита-Путнама, разработчики Mod-0 облегчили ротор своей машины. Алюминиевые лопасти снизили нагрузку на ступицу, но малая масса ротора создала новую проблему. Проявился дефект конструкции, который незаметно перемалывался массивным ротором турбины Смита-Путнама, а в Mod-0 вылез наружу. Что ж, как сказал В.И.Ленин на IX съезде Советов: «Наши недостатки -- продолжение наших достоинств». Дело в том, что ветер запутывался в деталях башни, она создавала позади себя след из сильно турбулизированного воздуха, некое подобие тени. Об эту тень спотыкалась лопасть, когда переходила в нижнее вертикальное положение, смыкаясь с башней. Мало того, что такой удар оказывал разрушительное воздействие на конструкцию, он ещё к тому же приводил к сдвижке гондолы по курсовому углу. Ситуация схематично изображена на рисунке слева. В то время как нижняя лопасть притормаживала, верхняя лопасть продолжала движение в прежнем направлении, по инерции и влекомая аэродинамическими силами. Ротор превращался в рычаг, закреплённый в нижней точке, который поворачивали за верхнюю лопасть, заодно сдвигая и гондолу тоже.

Жертвы ветряной тени
поднимаются на лебёдке.
Архив НАСА.

Об этом явлении предупреждал Хюттер, однако он же сам рекомендовал заветренное размещение ротора как меньшее из зол. Всё от того, что у его турбины StGW 34 была тонюсенькая цилиндрическая башня, создававшая минимальное сопротивление ветру. Американцы не обратили внимания на эту разницу, видимо воодушевлённые опытом Смита-Путнама, но та турбина была настолько тяжела, что её нельзя было свернуть с места такими мелочами. Короче говоря, в компоновке машины была заложена неустранимая ошибка, всё следовало бы переделать целиком и полностью, но поскольку машина была опытной, решили просто подкорректировать неприятные моменты. Чтобы уменьшить влияние тени, устранили все внутренности башни; убрали лестницу и лифт, наверх можно было попасть только на лебёдке (как монахам в Метеоры). Этого оказалось недостаточно, поэтому добавили специальный курсовой дисковый тормоз, который препятствовал сдвигам гондолы. Тормоз, разумеется, удары не устранил, но теперь они приходились на всю башню в целом, тем самым терялся смысл заветренного расположения ротора: доставалось и башне, и ротору.

Курсовой тормоз.
Архив НАСА.

Много внимания уделялось исследованиям вибраций, их распространению и причинам их появления. Помимо непосредственно натурных измерений (простукивания, в прямом смысле этого слова) использовалось компьютерное моделирование, что стало большим новшеством в ветростроении, которое прежде было больше экспериментально-интуитивном, чем расчётным. Так по результатам  моделирования в конструкцию была добавлена гидравлическая муфта, снизившая вибрацию, возникавшую из-за неравномерности усилия, подаваемого на генератор со стороны ротора турбины. Моделировалось также крепление лопастей к оси. Рассматривалось два варианта: жёсткое крепление и крепление на рычажном шарнире, если я правильно перевожу термин teetering. Дело в том, что такой шарнир, который я бы назвал "качельки", широко использовался в американском вертолётостроении, но в отечественном распространения не получил, поскольку он имеет смысл только в двухлопастном винте, а у нас такие вертолёты не были популярны, поэтому с русскоязычной терминологией как-то не очень.

В схеме с качельками лопасти крепятся к шарниру, а уже он к оси, тем самым ротор приобретает дополнительную степень свободы, он может покачиваться. Смысл такого покачивания в том, что в нём реализуется неравномерность нагрузки на разные лопасти. Если такого шарнира нет, то неравномерность передаётся через ось дальше по конструкции, а так она уходит на безвредное покачивание.  

"Качельки" (teetering hub).

Хотя качельки остроумное и эффективное решение, но оно на самом деле отнюдь не безвредное. Во-первых, они плохи уже тем, что они есть. Лишний узел усложняет конструкцию, делает её дороже, тяжелей, менее надёжной. Во-вторых, работает такой шарнир не безупречно. Колебания качелек следует как-то гасить. Дети на рисунке делают это ногами, опираясь о землю. Лопасти, так или иначе, будут опираться на башню, так что неоднородность всё-таки будет добираться и до других узлов. В-третьих, не следует забывать, что лопасти, как не крепи их на оси турбины, должны поворачиваться вокруг своих собственных осей, отслеживая скорость ветра. Для этого насосом во вращающуюся ступицу подаётся гидравлическая жидкость, что само по себе непросто (вспомним маслобойню острова Гедсер). Подать жидкость ещё и через шарнир сложнее вдвойне. Поэтому, несмотря на то, что схема с качельками была признана лучшей с точки зрения динамической устойчивости системы, реализовывать её не стали.

Здесь в самый раз вернуться к Владимиру Ильичу. Вся эта эпопея с динамической неустойчивостью началась с того, что решили сэкономить. Двухлопастной ротор позволяет сэкономить на лопастях и частоте вращения (о чём будет особый разговор). К вертолёту это тоже применимо, кстати. Лучше всего сделать вертолёт с одной лопастью, но людей в такой вертолёт лучше не сажать. Двухлопастный вертолёт чуть проще и поустойчивей, но всё равно проблем слишком много, поэтому отечественные вертолётостроители не стали за них браться. В общем, как говорил дедушка Ленин: лучше больше, да хуже. Американцы же решили, что их технологии позволят устранить все проблемы и воплотить наилучшую конструкцию. Какое-то время им это удавалось в отсутствии конкурентов. Но конкуренция всегда благо, отчасти поэтому следующий шаг был выполнен в четырёх экземплярах. Модифицированные ветряки получили название Mod-0a и были размещены в разных точках страны, разнесённых на тысячи километров друг от друга.

Ветрогенераторы Mod-0a подключили к местным электрическим сетям для получения опыта практической работы в энергетике. Все эти сети были небольшие, дизель-генераторные. Их гибкость позволяла быстро и без особого труда подключить источник переменной мощности, а замкнутый характер сети предоставлял точную информацию о выработке электроэнергии и потреблении топлива, то есть, информацию об экономической эффективности ветряка. Все четыре ветряка оснастили телеметрическим комплексом, правда данные с датчиков передавали недалеко, на специально оборудованный автобус. Автобус ездил по США от турбины к турбине. Несмотря на некоторую ущербность (всё-таки опытные установки), эту систему вполне можно назвать первым удалённым мониторингом ветряных турбин, без чего теперь ветропарки не обходятся.

Автобус мониторинга. Архив НАСА.

Первым (ноябрь 1977 года) заработал ветряк в Нью-Мексико. Помимо уже описанных изменений в него внесли ещё одно -- усилили лопасти, они потяжелели на 12%. Такими лопастями оснастили три первых ветряка, четвёртый, гавайский, получил совсем другие, что заметно даже на плохенькой фотографии внизу. В марте следующего года ветряк в Нью-Мексико включили в местную распределительную сеть городка Клейтон (Clayton). Машину остановили в июне 1982 года, а в октябре того же года демонтировали. За время своей работы ветряк был подключён к сети на протяжении 12 000 часов и выдал 1,1 млн. кВт-ч. Итого, его средняя мощность составила 92 кВт, почти половина от максимальной.

4 Mod-0a: Нью-Мексико, Пуэрто-Рико, Род-Айленд, Гавайи. Архив НАСА.

Однако прочие характеристики усреднять следует аккуратно; машину по ходу дела не только ремонтировали, но и модернизировали, отсюда большие простои. Её только просто запустить удалось далеко не сразу. Электрические шумы приводили к сбоям автоматики с ложными аварийными остановами. Лопасти ремонтировали и меняли несколько раз. В конце эксплуатации перешли на "гавайский" тип. Неожиданной проблемой явилось обледенение лопастей. По опыту Смита-Путнама выходило, что лёд на гибких лопастях не успевает нарастать, но скалывается и слетает. В Клейтоне всё было также, но размер льдинок и скорость, с которой они разлетались по округе (под 300 км/ч), представляли собой угрозу для местного населения (опять вспомним маслобойню Гедсера). Поэтому во время погодных условий, способствующих обледенению, турбину принудительно приводили в режим останова, что увеличило общее время простоев. Через год работы вышел из строя подшипник генератора. Через два года из-за усталостной трещины пришлось заменить гидравлическую муфту. Чуть позже трещину обнаружили и на алюминиевой лопасти. Тем не менее, в первые два года коэффициент использования мощности (отношение реальной генерации к той, что была бы, если бы ветряк работал непрерывно по максимуму) составил 0,2. В НАСА решили, что это очень неплохо.

Следующий ветряк вступил в строй в Пуэрто-Рико в январе 1979 года, но уже в мае его остановили для ремонта лопасти, который продолжался до февраля следующего года. В Пуэрто-Рико тепло круглый год, поэтому с обледенением проблем не возникло, проблемы возникли с коррозией, в гондоле завелся грибок. Пришлось установить принудительную вентиляцию. В августе 1981 года на машину установили "гавайские" лопасти, а через год её остановили навсегда. Всего она отработала 8094 часов и выдала 0,683 млн. кВт-ч. То есть, средняя мощность оказалась чуть-чуть меньше, чем у ветряка из Нью-Мексико.

Сетевые эксперименты с третьим ветряком в Род-Айланде выдались ещё короче. Он проработал в электрической сети небольшого острова Блок-Айленд (Block Island) с февраля по апрель 1982 года, в это время на острове жило только 300 человек (остров курортный), так что даже пришлось уменьшить максимальную мощность ветряной турбины до 150 кВт. За это время ветер сэкономил 11567 кг дизельного топлива, что соответствовало уменьшению обычного расхода на 6,7%, тогда как ветряная турбина обеспечила 11% потребностей в электричестве. Очевидно, что подключение ветрогенератора несколько снизило КПД дизель-генераторов, выведя их из оптимального режима работы. В июне 1982 года машина была остановлена, общая наработка составила 8509 часов при генерации 0,588 млн. кВт-ч. Однако установлен ветряк был ещё в мае 1979 года, подключение к сети откладывалось из-за проблем с лопастями. Только в июле 1980 года (к московской олимпиаде) к нему приделали лопасти нового типа, которыми он дальше и работал.

Гавайский ветряк подключили к сети в июне 1980 года уже сразу с новыми лопастями. Эксперименты продолжались два года. Было испытано два комплекта лопастей: с прямоугольными и округлыми кончиками. Округлые показали лучшую производительность. Машина проработала 8444 часа (для справки, в астрономическом году 8766 часов) и выдала 1,261 млн. кВт-ч. Что просто блестящий результат, на Гавайях хороший ветер.

Чему научили эксперименты с Mod-0a ? Во-первых, как было показано и на опыте, и в расчётах, гибкая башня обладает преимуществами по сравнению с жёсткой. И, конечно, башня должна быть обтекаемой. Алюминий, взятый изначально как материал для лопастей, показал себя очень плохо. Циклика в ветряных турбинах внезапно оказалась намного большей, чем в авиации. Самолётные крылья не гнутся десятки раз в минуту, да и летают они меньше в течении года. Выводы для 80-х годов уже не очень свежие, но зато они были теперь научно обоснованы всей солидностью НАСА. Однако, наибольшее значение имели общественные последствия проекта. Турбину в Нью-Мексико посетило 20 тысяч человек. Произошло паломничество, подобное тому что было в Твинд. Так что, несмотря на экономический провал, ветряная энергетика получила одобрение американского общества на своё развитие. Хотя некоторый осадок остался...

Удар тени на примере вертолётной лопасти:

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Разум, это то, что предстоит создать человечеству.

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.