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

Небо над Берлином

Херманн Хоннеф на фоне
модели своего ветряка

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

Страница из журнала
Everyday Science and Mechanics

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Назад

К оглавлению

Вперёд

Родителей не выбирают

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

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

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

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

Ветряк под Берлином, 1932 г.
Ротор заветренный.

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

Ветродвигатель Allgaier WE 10,
Университет Штутгарта, 2015 г.

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

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

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

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

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

Синица в руках

1 -- классическая теория

2 -- теория Сабинина

3 -- эксперимент

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

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

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

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

Ветряная мельница ВИМЭ Д-16.

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

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

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

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

Передний подшипник главного вала ветряной мельницы.

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

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

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

Назад

К оглавлению

Вперёд

Журавль в небе

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

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

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

Ротор

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

Редуктор

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

Генератор

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

Гондола

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

Башня

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

Рабочие характеристики

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

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

Кабина ЦВЭИ Д-50.

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

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

Назад

К оглавлению

Вперёд