Механика сплошных вторников

Голый король, или Крестовый поход детей.

Шведские спички

WTS-3 в Магларпе.

В посте про Mod-2 был упомянут четвёртый WTS, но на самом деле их было три. Два из них в штате Вайоминг в местечке Аптекарская лука (Medicine Bow), причём один из этих двух брат-близнец трёх вашингтонских Mod-2, про которого нечего сказать, кроме того, что он так и не заработал, по сути дела. Другой ветряк из Вайоминга, который собственно WTS-4, представлял собой увеличенную до четырёх мегаватт копию третьего, точнее, первого ветряка WTS-3 из Швеции. Так, я думаю, будет понятнее. По крайней мере, понятнее почему об этих двух из трёх четвёртых так мало пишут -- непонятно про какой писать. Мне проще, потому что предметом этих записок скорее являются идеи, а также их авторы, чем сами железяки как таковые.

Поэтому рассказ следует начать с американского авиаконструктора Глиддена Домана (Glidden S. Doman, ушёл из жизни в 2016 году), который идейно возглавил строительство ещё одной промежуточной ступени к промышленному ветрогенератору большой мощности. Глидден вырос в семье изобретателей и техников, поэтому рано приобщился к созданию машин. Ещё будучи подростком, в тридцатых годах прошлого века, он самостоятельно построил гоночный болид и даже выигрывал на нём гонки, как юный Энакин Скайуокер. Тогда же он взялся построить аэроплан, но не смог добыть к нему мотор. После окончания МГУ (Университет Мичигана) в 1942 году Глидден поступил на работу в фирму Сикорского, которого вряд ли надо представлять. Проработал он там недолго, и уже в 1945 году основал свою собственную вертолётную фирму.

Глидден Доман у своего ветролёта.

Компания просуществовала четверть века, сертифицировала несколько вертолётов, но не смогла достичь коммерческого успеха; своих средств у Глиддена не было, а направить финансовые потоки не получилось. В 1970 году он нанялся в "Боинг", где работал над снижением вибраций вертолётов. Когда "Боинг" подрядился в НАСА на постройку ветряка, Глидден подключился к этому проекту. Вероятно, это именно он подал идею использовать в ступице ветряного колеса шарнир ("качельки"), устройство, хорошо знакомое вертолётчикам. В 1978 году Глидден меняет место в "Боинге" на работу в "Гамильтон Стандард" (Hamilton Standard).

Корпорация "Гамильтон Стандард" (ныне UTC Aerospace Systems) занималась разработкой и производством авиационных пропеллеров. Её продукцию закупали "Боинг", фирма Сикорского и другие авиапроизводители, которые также являлись её акционерами. Иногда бывает выгодно передать часть разработок сторонним фирмам, несмотря на то, что они также обслуживают конкурентов, тем более, если так сложилось исторически. Такой производитель комплектующих может вкладывать больше средств в разработку, чем отдельные фирмы, поскольку собирает деньги со всех них разом. В Дании, как мы помним, аналогичным образом появился независимый производитель лопастей для ветряков, но просуществовал он недолго, собирать средства у него не получилось.

В 1977 году "Гамильтон Стандард" подписывает соглашение о долгосрочном сотрудничестве с новым партнёром, шведской судостроительной фирмой "Карлскрунаварвет" (Karlskronavarvet). Соглашение появилось не само по себе, но как часть шведской государственной программы по развитию ветроэнергетики. Датчане тоже пытались позаимствовать для своей программы достижения американских авиапроизводителей, но у них ничего из этого не вышло. Шведы поступили хитрее и взяли американцев в долю.

Внутреннее устройство WTS-3. Взято с сайта "Ветер перемен".

Глидден занялся в "Гамильтон Стандард" разработкой мощного ветряка, причём сразу в двух вариантах; одного 3-мегаваттного для Швеции и другого 4-мегаваттного для США, которые получили соответствующие имена -- WTS-3 и WTS-4. По счастью для нас, его изобретательскую работу можно проследить по патентам. У Глиддена было их множество, в основном по роторам вертолётов, но есть четыре по ветряным мельницам.

Редуктор из патента US4329117.

Первый из них, под нумером US4329117, посвящён проблеме борьбы с разрушающим воздействием порывов ветра. Патент представлен как продолжение и дополнение предыдущего патента US4193005 1978 года от "Гамильтон Стандард", в написании которого Глидден не участвовал и где описывается система управления ветряком посредством изменения угла атаки лопастей. Любопытно, что в иллюстрациях к патенту схематически, но узнаваемо изображён ветряк Mod-0. "Гамильтон Стандард" по-настоящему был "ласковым телёнком", в хорошем смысле слова. В своём патенте Глидден предложил сглаживать удары порывов ветра в подпружиненном редукторе. Прежде его роль отводилась гидравлической муфте, но, как совершенно справедливо пишет автор, такая муфта несёт изрядные потери, что снижает полезный выход ветрогенератора. Редуктор Глиддена обеспечивал равномерное вращение оси генератора, что было для того важным, ведь он был синхронным и требовал постоянства оборотов.

Редуктор, установленный на WTS.

От себя добавлю, что потери мощности выделялись бы в гидромуфте в виде тепла, которое пришлось бы каким-то образом отводить, а это непростая задача. Действительно, примем потери на муфте в 2%, что очень мало, тогда при мощности 3 мегаватта придётся отводить 60 киловатт тепла. 60 мощных электрочайника, они там всё вскипятят. Увы, но проблема возгорания перекочевала от ветряных мельниц к ветрогенераторам и потребовала внедрения в их конструкцию системы охлаждения. На WTS генератор принудительно охлаждался воздухом, а редуктор -- маслом. Планетарный редуктор из патента, установленный на WTS стал сложнее, чем принципиальная схема на рисунке, но это был всё ещё он. Такая вот рессорная подвеска. С тех пор появилось множество вариантов подобных устройств, поскольку проблема никуда не подевалась.

В патенте US4353681 Глидден предлагает выставлять турбину по ветру пассивным методом, подобно флюгеру, за счёт смещения опоры гондолы от оси ротора. Это решение использовалось на шведском ветряке, американский же был оборудован активной системой выставления курсового угла. Следующий патент US4515525 устраняет колебания гондолы по курсовому углу, возникающие из-за динамической нестабильности двухлопастного ветряка, проблема знакомая по Mod-0. Четвёртый патент US4695736 датирован 1985 годом и позволяет получать с генератора ток постоянной частоты при переменной частоте вращения ротора. WTS такой системы не имели, тем важнее для них были пружинные редукторы Глиддена Домана. В общем, в лице Глиддена шведы получили человека, который знает как заставить машину работать ровно, без излишней тряски и прочих неприятностей. Выбрали его нарочно, либо просто так совпало, я не знаю, но если всё делать с умом, то когда-нибудь совпадёт обязательно.

Лопасти "Гамильтон Стандард" -- ABL. Из архива НАСА.

Но это ещё не всё, американцы также предоставили шведам лопасти из стеклопластика совершенно оригинальной конструкции, о которой стоит здесь рассказать. Лопасти разрабатывались "Гамильтон Стандард" совместно с ABL (Allegany Ballistics Laboratory). Первые создали форму, опираясь на вертолётный опыт, вторые обеспечили технологию, используя свой опыт изготовления деталей твердотопливных ракет. Где там в ракетах применялись аналогичные конструкции мне, даже если бы я знал, следовало бы помалкивать.

Технология изготовления
лопасти WTS.

Геометрически лопатка WTS близка к лопатке Mod-1; цилиндрический лонжерон, которой служит входной кромкой аэродинамического профиля, к нему прикреплено треугольное "оперение", выполняющее роль всего остального. Производственный процесс совсем иной. Стеклопластик затвердевал на специальных болванках (оправках). Для этого на оправки последовательно наматывались волокна, пропитанные эпоксидной смолой (см. рис. слева). Процесс был автоматизирован и управлялся компьютером (контроллером). Это было первое автоматическое производство лопастей ветряных турбин из армированного пластика. Первое и на долгое время последнее, в последующем при изготовлении лопастей роль ручного труда была велика. К подобному уровню автоматизации возвращаются только в наши дни. Автоматизировать процесс в то время удалось благодаря простой геометрической форме оправок. В наше время для автоматизации требуются серьёзные роботизированные ткацкие станки и куча прочей автоматики и программного обеспечения, ведь форма лопастей усложнилась значительно. Такая простота была выбрана отнюдь не ради автоматизации, но для долговечности конструкции. Лопасть, состоящая из двух геометрических примитивов, предсказуема с точки зрения прочности. В ней нет каких-то потаённых углов, в которых могли бы спрятаться концентраторы напряжений. Цилиндрический лонжерон позволяет сформировать фланцевое соединение со ступицей ротора, а навес из выходной кромки крепится к лонжерону как к простой балке. Именно опасение получить трещину помешало перейти к монококовой конструкции с плавным переходом от фланца к выходной кромке. Такую сложную конструкцию в ту пору нельзя было не только просчитать, но даже проверить экспериментально -- набор необходимого числа циклов (десятки миллионов) занял бы длительное время.

Ниже традиционная таблица сразу для двух машин, если параметры отличаются, то они даются через слэш (WTS-3 / WTS-4). Отличия происходят из-за разницы сетевой частоты в Швеции и США, 50 и 60 Гц, соответственно.

Ротор

• Диаметр 72,2 метра
• 2 лопасти, на "качельках"
• 13° закрутка лопасти
• скорость вращения 25 / 30 об/мин
• регулировка угла атаки по всему размаху лопасти
• наклон оси ротора 0°
• конусность 6°
• высота оси 80 метров
• заветренное расположение (на корме гондолы)

Редуктор

• планетарный
• передаточное отношение 60
• пружинная амортизация порывов ветра

Генератор

• синхронный переменного тока 50 / 60 Гц
• 3 / 4 кВт активной мощности
• 1500 / 1800 об/мин
• 6,6 / 4,16 кВ

Гондола

• пассивное / активное управление курсовым углом

Башня

• стальная труба 
• высота 77,4 метра
• лифт для персонала
• общая масса с оборудованием 75 тонн

Рабочие характеристики

• минимальная скорость ветра 6 / 7,1 м/с
• номинальная скорость ветра 14,2 / 16,2 м/с
• максимальная скорость ветра 21 / 27 м/с

Турбину WTS-3 установили в местечке Магларп (Maglarp) вблизи города Треллеборга (Trelleborg) на самом южном побережье Швеции в 1982 году. Произведена турбина была, в основном, на "Карлскрунаварвет", за исключением лопастей, которые были доставлены из США. Установкой и эксплуатацией заведовала электрическая компания "Сюдкрафт" (Sydkraft, Энергетическая компания Южной Швеции, ныне E.ON Sverige AB). При установке турбины строители столкнулись с проблемой логистики. Башня была сварена целиком на верфи в Карлскруне, откуда отправлена морем в Треллеборг. Это было ещё ничего, перевести её по городским дорогам из Треллеборга в Магларп (около семи километров) оказалось совсем непросто. В последующем на логистике подорвались многие фирмы; некоторые крупногабаритные части ветряных турбин (лопасти, например) не могут быть ни изготовлены на месте, ни доставлены по частям, что создаёт массу проблем, требующих специальных технических решений.

Путешествие башни из Треллеборга в Магларп. С сайта "Ветер перемен".

Турбина проработала с 1982 по 1993 год, т.е., одиннадцать лет. Собственно, это и было её главным достижением. В первые два года эксплуатации она отработала 7500 часов и выдала 11,5 млн. кВт-ч. Её доступность (отношение времени, при котором турбина готова к работе, ко всему календарному периоду) составило 63%. Давайте проведём расчёт её средней мощности. Для этого нужно поделить выработку на отработанные часы и умножить полученный результат на доступность, чтобы перевести среднюю величину за отработанное время к календарному времени:

11,5 млн. кВт-ч / 7500 ч * 63% = 0,97 МВт (1/3 от номинальной мощности)

Вполне себе современная величина. Выработка за одиннадцать лет, посчитанная исходя из этой средней мощности, составит 93 млн. кВт-ч. Теперь, если умножить выработку на стоимость киловатт-часа и вспомнить, что современная турбина такой мощности стоит примерно пару миллионов долларов США, то её окупаемость совсем не выглядит фантастикой даже несмотря на наличие неучтённых эксплуатационных расходов. Другое дело, что опытный образец стоил существенно дороже. Сам расчёт я не привожу, поскольку стоимость электроэнергии не является какой-то фиксированной величиной, она определяется на рынках, которые очень разные, и о чём здесь уже говорилось.

Американский WTS-4 также изготовили в Швеции, за исключением лопастей и башни. Работы по нему оплатило Бюро мелиорации (Bureau of Reclamation), государственный орган, заведующий каналами и гидроэлектростанциями на западе США. В 1980 году шесть миллионов долларов пошли в "Гамильтон Стандард", который уже как-то со шведами расплачивался. Инженерную поддержку проекта осуществляли Льюесовский центр и министерство энергетики. Мелиорация появилась здесь потому, что ветрогенераторы планировалось использовать совместно гидроэлектростанциями, давняя идея как побороть проблему неравномерности ветра.

WTS-4 на Аптекарской луке.

В конце 1982 года WTS-4 был запущен на Аптекарской луке, но проблемы с электроникой не позволяли ему долго работать, остановы следовали один за другим. Потом начались проблемы с механикой (в том числе, с механизмом выставления по ветру, отсутствовавшем в WTS-3), но всего хуже были удары молний. Один удар случился в 1983 году, другой в 1986-м. Молнии выжигали электронику. Слабая защита от атмосферного электричества была присуща этой конструкции. Электроника WTS-3 в Швеции тоже была сожжена молнией (помимо молнии в Швеции были проблемы с подшипниками в ступице ротора, а за пару лет до конца обнаружилась трещина в корпусе редуктора, что вынудило уменьшить втрое максимальную мощность, а затем и вовсе вывести ветряк из эксплуатации). Бедственное существование WTS-4 в Бюро мелиорации продолжалось до января 1989 года, пока его не купил за двадцать тысяч долларов бывший инженер из бюро, 64-летний Билл Янг (Bill Young). Он потратил полтора года на ремонт машины, после чего она отработала в сети с января 1992 года по январь 1994-го в течении 3500 часов, почти столько же, сколько за всё предыдущее время. 14 января 1994 года, во время бури, Билл Янг самолично видел, как у WTS-4 оторвалась лопасть. Не выдержал шарнирный замок в ступице ротора, те самые "качельки".

Так закончилась история ветряков WTS, которых готовили для запуска в серию, но, в силу ряда объективных и субъективных причин и несмотря на долгую историю эксплуатации, не оправдавших ожидания индустрии. Не хватало им надёжности, слишком много средств уходило на ремонт. Что же касается Глиддена Домана, то он покинул в 1987 году "Гамильтон Стандард", компания к тому времени потеряла интерес к ветроэнергетике. Несмотря на пенсионный возраст, Глидден не ушёл на отдых, продолжал работать по ставшей ему близкой тематике, сотрудничал с итальянцами, но это уже другая история.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Не несите ничего зрителю. Он сам пришёл отдать.

Третья часть всех ветров

Третья часть
всех ветров

Страницы истории ветроэнергетики

__________ Древнейшие времена________________________________
1. В начале был парус
2. ...а потом покатилось
3. Люди бьются за металл
4. Герон на выдумки горазд
5. И всё-таки, почему она вертится?
___________ Первые ветряные мельницы IX - XIII вв.___________
6. Мели, Емеля
7. Всё изобрели в Китае
8. Вертись, лёжа на боку
9. Стой, пока ветер не переменится
___________ Эволюция ветряных мельниц XIII - XIX вв._________
10. Экономика должна быть экономной
11. Мой дом -- моя мельница
12. О борьбе с уклонизмом
13. Не взлетим, так поплаваем
14. Держи ось по ветру
15. Раззудись, плечо!
16. Первоинженер
17. Ветер свободы
18. Крылья, ноги и хвосты
___________ Первые ветрогенераторы конец XIX - начало XX вв._
19. Слуги дьявола на чёртовой мельнице
20. Для дома, для семьи
21. Чому я не сокiл
22. Синоптик датский 
23. С душою прямо гёттингенской
24. Это теорема, теорема Бетца, вам говорят
25. Третья часть всех ветров
26. У пожарных дел полно
27. Тот ещё Жуковский
28. Одноглазый основатель
29. Вихри враждебные
___________ Ветрогенераторы 20-30-х г. ХХ века_______________
30. Две лопасти хорошо, а три лучше
31. Курские
32. Подмосковные
33. Рубить концы
34. Переходное звено
35. Небо над Берлином
36. Туннель в небо
37. На Дедушкином Бугре
38. Сильнее стали
39. Журавль в небе
40. Синица в руках
___________ Ветрогенераторы 40-60-х годов ХХ века____________
41. Родителей не выбирают
42. Матрёшка
43. Эоланка
44. Ветряк острова Богё
45. Фирма вяжет веники
46. Семь тощих лет
___________ Второе рождение ветроэнергетики 1973 год ________
47. Судный день
48. Республика Твинд
49. Отлить в стекловолокне
50. Битва титанов
51. Удар тени
52. На голубых экранах
53. Фанера над Ютландией
54. Плотники и родоначальники
55. Принесённые ветром
56. Сыны ошибок трудных
___________ Калифорнийская ветряная лихорадка 1983 год ______
57. Калифорнийская ветрянка
58. Парк Калифорнийского периода
59. Мал да удал
60. Большой набит лапшой
61. Шведские спички
62. Солёный ветер
63. От звонка до звонка
___________ Создание современных ветрогенераторов 1987 год___
64. Бедность -- порок
65. Прогрессоры и дауншифтеры
66. Лететь одним крылом
67. Уходим в море
68. Без шестерёнок
69. Звёздный десант
70. По гамбургскому счёту
___________ Преодоление мегаваттного рубежа 1997 год_________
71. Лихие 90-е
72. Уходим в цифру
73. Остаться должен только один
74. Олимпийская смена
75. Последние будут первыми
76. Некому берёзу заломати
77. Горшочек, не вари!
78. Конец прекрасной эпохи
___________ Послесловие _____________________________________
79. Ветер в лицо

Хронологическая таблица

Большой набит лапшой

And if the bowl had been stronger,

My song would have been longer.

Mother Goose

Строительство GROWIAN, 1982 год.

Западная Германия подключилась ко всеобщей гонке за ветер наравне с прочими участниками, в конце семидесятых годов прошлого века. Проект по созданию ветрогенератора большой мощности был организован по обычной схеме: заказчиком выступает государство, научное руководство осуществляет госструктура (Федеральное министерство образования и научных исследований, Bundesministerium für Forschung und Technologie, BMFT), они нанимают в подрядчики частные компании. Генеральным подрядчиком немецкого проекта стала машиностроительная компания M.A.N., которая ещё с начала века выпускала грузовые автомобили. Нефтяной кризис прошёлся по ней так же, как по её датской "младшей сестре" "Нордтанку", так что у ней был прямой интерес к новой области промышленности. Финансировали же строительство и управляли им немецкие энергетические компании, что во многом предопределило результат, поскольку у энергетиков к тому времени создалась стойкая предрасположенность к атомным станциям. Проект получил поэтическое (в стиле немецкой романтики) название GROWIAN, что означает "Большая ветроэнергетическая установка" (GROße WIndenergieANlage).

Внутреннее устройство гондолы GROWIAN.
Из рекламного проспекта проекта.

Строительную площадку выбрали на севере Германии или, с географической точки зрения, на юге Ютландии, неподалёку от побережья. Ветряк заработал в октябре 1983 года, внешне он напоминал увеличенную копию StGW 34, но прежде небывалая мощность в 3 мегаватт потребовала внесения изменений в конструкцию. Как можно видеть на самой первой картинке поста, гондола крепилась на башне сверхоригинальным образом, не практиковавшемся ни до, ни после. Она была насажена на пустотелый стержень башни как мясо на шампур и могла ездить вверх и вниз по этой макаронине. Видя такие решения, поневоле начинаешь подозревать конструкторов в глумлении и непристойных намёках. Другое столь же изобретательное и несильно результативное нововведение нам уже знакомо по американскому опыту, это шарнирное крепление ветряного колеса, "качельки". Также были "усилены" лопасти; стеклопластик выполнял лишь роль внешней обшивки, формирующей аэродинамическую поверхность, несущим был стальной лонжерон.

Сечение лопасти GROWIAN.
Из рекламного проспекта фирмы.

Основные параметры ветроустановки получились следующие:

Ротор

• Диаметр 100,4 метра
• 2 лопасти, на "качельках"
• вес каждой лопасти 28 тонн
• треугольные в плане
• аэродинамический профиль FX-77-W-series
• скорость вращения 18,5±15% об/мин
• регулировка угла атаки по всему размаху лопасти
• угол конусности лопастей 9°
• наклон оси ротора 10°
• высота оси 100 метров
• заветренное расположение (на корме гондолы)

Редуктор

• двухступенчатый планетарный
• передаточное отношение 81
• параллельная конфигурация осей

Генератор

• асинхронный переменного тока 50 Гц
• 3000 кВт активной мощности
• 1500±15% об/мин
• 6300 В

Гондола

• активное управление курсовым углом
• сервопривод

Башня

• пустотелый стальной цилиндр
• высота 100 метров
• общая масса с оборудованием 559 тонн

Рабочие характеристики

• минимальная скорость ветра 5,4 м/с
• номинальная скорость ветра 12 м/с
• максимальная скорость ветра 24 м/с
• полное время работы 420 часов

Расчётная кривая мощности.
Из рекламного проспекта проекта.

Проработал GROWIAN года три, точнее сказать сложно. Как видно из таблицы, чистое время работы составило всего 420 часов, т.е., менее 2% от общего. Уже через год примерно раздались голоса пощадить и умертвить бедняжку. Болело у него всё. В 1987 году на его месте был разбит новый ветропарк.

Устройство малого ветряка.
Из рекламы фирмы AEROMAN.

Помимо 3-мегаваттного ветряка, фирма AEROMAN, созданная MAN нарочно для ветроэнергетики, создала небольшие "ветропреобразователи" в рамках проекта KLEIWEK (Малый ветроэнергетический конвертер). По согласованию с правительством Греции, пять штук AEROMAN 11/20 (11 -- диаметр ротора в метрах, 20 -- мощность в киловаттах) сформировали ветропарк на острове Кифнос (Κύθνος), входящий в архипелаг Киклады, тот самый архипелаг, на котором впервые появились ветряные мельницы средиземноморского типа. История сделала круг. Парк на Кифносе начал свою работу в 1981 году. Тогда же и в следующем году два ветропреобразователя AEROMAN 11/11 появились в Индонезии на острове Ява, кроме того, ветряки установили на острове Роттнест (Rottnest) на западе Австралии, у города Девентер (Deventer) в Нидерландах, на острове Фемарн (Fehmarn) в Германии. Результаты их работы канули в лету, да они и не были никому нужны.

Свойства таких игрушечных вертушек уже были хорошо известны. Их имело бы смысл строить, чтобы обкатать на них технические решения, которые можно было бы потом использовать при создании ветряков средней мощности. На машинах средней мощности обкатать решения для больших машин, и только потом начать строительство большой машины, тут же маленькие строили параллельно с большим, что делало бессмысленным и то, и другое. И все всё понимали... Однако, электриков тоже можно понять; процесс создания промышленной ветроэнергетики занял бы неопределённо большое время, потребовал бы существенных финансовых затрат, а результат не был бы гарантирован. До сих пор, например, не имеет удовлетворительного практического решения проблема неравномерности выхода ветроэнергии. Электричество же Германии было нужно прямо сразу.

Волынку тянули до 1986 года, и вроде бы уже поставили крест на ветре и строительство атомных станций шло полным ходом (с 1980 по 1986 гг. мощности атомных станций в Германии увеличились втрое), но тут важный вклад в развитие альтернативных источников энергии внёс СССР, от которого подобного никак не ожидали. В апреле 1986 года произошла авария на Чернобыльской АЭС, после чего в Германии введение в строй новых атомных станций прекратилось, зато повысился интерес к ветру, история сделала ещё один круг. Но... деньги-то уже были бездарно потрачены, время потеряно. 10 лет, примерно. Никогда ещё мошенничество не приносило ничего хорошего. Не хотели создавать рабочий ветрогенератор, могли бы потратиться на повышение безопасности атомных станций, на разъяснение проблем, стоящих перед развитием ветроэнергетики, на борьбу с засухой в Сомали, наконец, а получилось как всегда: ни себе, ни людям.

Заброшенная стройка АЭС в Штендале (Stendal).

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Взошли озимые помидоры, заколосились. Весна.

Механика сплошных вторников

Ничто так не делает человека счастливым как глупость.