4.5. Вклад науки в решение проблемы ветроиспользования

Строительство ветряных мельниц на первом этапе основывалось лишь на многолетнем опыте. Мастера учили последующие поколения не по книгам, а в ходе практической работы. Отрабатывая формы и методы испытаний своих мельниц, они вносили в общее дело свой вклад, каждый успех или неудача служили примером для других, способствовали постепенному накоплению опыта.

В XVIII веке в Европе зарождается машинно-фабричное производство. Это послужило импульсом для развития науки и изобретательства, способствовало появлению научного подхода к решению проблемы ветроиспользования.

Переход от опытов к теоретическим выводам относят к началу XVIII века. Поскольку свойства земной атмосферы оказывают сильное влияние на движение тел в воздухе, важным шагом в решении проблемы ветроиспользования стали исследования в области физики атмосферы и метеорологии, которые проводил в середине этого столетия великий русский учёный М.В. Ломоносов. К концу XIX века в России уже функционировала сеть метеорологических наблюдений, организатором которой был инициатор применения математических и экспериментальных методов в метеорологии член-корреспондент Петербургской академии наук А.В. Клоссовский (1846– 1917). К этому же периоду относят и появление в более систематизированном виде теории ветродвигателя.

Решающее значение для всего последующего развития науки и техники имели работы Н.Е. Жуковского (1847–1921), С.А. Чаплыгина (1869–1942), Л. Прандтля (1875–1953) и многих других учёных-механиков по теории крыла, воздушного винта, пограничного слоя (1904, 1905, 1910).

В 1905 г. Н.Е. Жуковский раскрыл механизм возникновения подъёмной силы и вывел теорему, определяющую её количественно, в своей знаменитой работе «О присоединённых вихрях». Этими исследованиями были заложены основы аэродинамики как науки.

Введение в механику в широких масштабах опытного (экспериментального) метода – одна из крупных заслуг Н.Е. Жуковского. К.Э. Циолковский (1857–1935) и он одними из первых начали в России создавать аэродинамические трубы. Свою трубу, построенную в 1897 г., К.Э. Циолковский назвал «воздуходувкой». В 1902 г. Н.Е. Жуковским была построена в Московском университете одна из первых в Европе аэродинамических труб всасывающего типа. К 1910 г. в мире работали три первых аэродинамических института – Римский, А. Цама в Америке и Кучинский в России.

После появления в 1910 г. работ Н.Е. Жуковского и С.А. Чаплыгина начинается эпоха бурного развития теории крыла. Работы

Сергей Алексеевич Чаплыгин (1869–1942)

Н.Е. Жуковского «О присоединённых вихрях» и «О контурах поддерживающих поверхностей аэропланов», С.А. Чаплыгина

«О давлении плоскопараллельного потока на преграждающие тела» и «К общей теории крыла моноплана» в сущности содержат все основные сведения о работе профиля крыла в несжимаемом газе.

Николай Егорович Жуковский (1847–1921)

Мало было исследований, которые привели бы к столь бурному развитию науки и нашли бы столько последователей, как эти работы Жуковского и Чаплыгина, долгие годы бывшие в центре аэродинамики. Все исследования по теории крыла и винта так или иначе связаны с этими работами.

В 1912 г. издаются «Теоретические основы воздухоплавания» Н.Е. Жуковского. В них подведен итог многочисленным результатам экспериментальных исследований, накопленных к тому времени, изложены работы, проводившиеся в русских аэродинамических лабораториях под руководством Н.Е. Жуковского и в зарубежных лабораториях под руководством Л. Прандтля (Германия), Г. Эйфеля (Франция), А. Цама (США) и др. Летом этого же года Н.Е. Жуковский послал экземпляры данного издания Л. Прандтлю, Г. Эйфелю (1832– 1923), С.К. Джевецкому (1843–1938) и другим учёным. Книга была высоко оценена иностранными учёными и в 1916 г. издана в Париже на французском языке в переводе С.К. Джевецкого.

Развитие авиации, огромный успех которой обязан творцу аэродинамики, крупнейшему русскому учёному Н.Е. Жуковскому, обеспечило условия для разрешения по-новому теоретических вопросов использования энергии ветра.

В 1914–1918 гг. Н.Е. Жуковский и его ученики В.П. Ветчинкин, Г.Х. Сабинин, Н.В. Красовский, Г.Ф. Проскура и другие впервые создают теорию ветродвигателей.

Теория и испытания крыла и винта самолёта применяются и к изучению явлений, происходящих при прохождении воздушного потока через ветровое колесо.

Теорию идеального ветроколеса впервые разработал в 1914 г. В.П. Ветчинкин (1888– 1950) на основе теории идеального гребного винта. В этой работе он установил понятие коэффициента использования энергии ветра идеальным ветроколесом.

В 1920 г. Н.Е. Жуковский изложил теорию «ветряной мельницы типа НЕЖ», где сделан

вывод коэффициента использования энергии ветра идеальным ветроколесом. Аналогичные теории были разработаны позднее в России профессором Г.Х. Сабининым и в Украине харьковским ученым академиком АН УССР (с 1929 г.) Г.Ф. Проскурой (1876–1958).

Юрий Васильевич Кондратюк (1897–1942), он же Александр Игнатьевич Шаргей – наш соотечественник, один из основателей теоретической космонавтики, выдающийся механик и ветроэнергетик, изобретатель. Родился в Полтаве в семье студента Киевского университета Игнатия Шаргея и учительницы Людмилы Шаргей, окончил в 1916 г. с медалью 2-ю Полтавскую мужскую гимназию и в этом же году стал студентом механического отделения Петербургского политехнического института. В этом же году был призван на военную службу (на курсы прапорщиков одного из петербургских юнкерских училищ). В годы гражданской войны как офицер царской армии дважды насильно мобилизуется в белую армию и оба раза дезертирует из нее. При последнем побеге Шаргей лишается всех документов, оставшихся в штабе одной из частей деникинской армии (чем и была вызвана полная смена имени, отчества и фамилии).

Владимир Петрович Ветчинкин

Николай Валентинович Красовский

Григорий Харлампиевич Сабинин

Георгий Федорович Проскура

Ученые, внесшие значительный вклад в создание теории и проектирование ветродвигателей

Теория идеального ветроколеса Н.Е. Жуковского получила название классической теории. Она устанавливает, что максимальный коэффициент использования энергии ветра идеальным ветроколесом равен 0,593.

Наиболее полно с точки зрения практического применения теория идеального ветроколеса изложена профессором Г.Х. Сабининым. Согласно его теории максимальный коэффициент использования энергии ветра ветроколесом равен 0,687. Г.Х. Сабининым разработана также теория реального ветроколеса.

В мире было немного учёных, занимавшихся аэродинамикой ветроколеса: в Германии – руководитель Геттингенской аэродинамической и испытательной лаборатории доктор Альберт Бетц, а также профессор Штутгартского университета Ульрих Хюттер, в США – известный аэродинамик Теодор фон Карман (1881–1963).

У.Хюттер запатентовал несколько десятков изобретений в области ветроэнергетики, опубликовал несколько десятков научных статей и докладов. Он разработал технику экспериментов с установкой дымовой шашки или трассера на лопасти и первый применил её в исследованиях. На конец одной из лопастей ветроколеса уста

навливалась дымовая шашка, которая при запуске поджигалась электрическим током. Уходящий за плоскость вращения спиральный дымовой след сбоку фиксировался на фото-, киноили видеоплёнку (рис. 4.24). Дешифровка снимков позволяла судить об эффективности работы ветроколеса в конкретные моменты времени, когда записывалась скорость ветра, измеренная на метеовышке.

Создание теоретических основ использования энергии ветра активизировало работу изобретателей и конструкторов. Ещё до революции российский изобретатель А.Г. Уфимцев, названный А.М. Горьким «поэтом технический мысли», разработал проект ветровой электрической станции (ВЭС), у которой 56 ветровых электрических установок (ВЭУ) с диаметром ветроколёс по 40 м на высоте 350 м над уровнем земли при скорости ветра 9 м/с должны вырабатывать мощность 100 МВт. Этот проект и в наши дни не утратил актуальности, к тому же строители давно уже сооружают объекты такой и даже большей высоты.

Во Франции в 1925 г. и в США в 1926 г. запатентован ветродвигатель Дарье. В 1926 г. финский инженер Савониус сконструировал роторный, или карусельный, ветродвигатель. В Моравии эта конструкция была во многом улучшена Антонином Кунцем.

В начале 30-х годов в СССР впервые разрабатывалась ВЭС мощностью 2–25 тысяч кВт. До этого мощность таких станций в мире не превышала 100 кВт. Работа имела огромное государственное значение. В 1932 г. в конкурсе по проектированию сверхмощной ВЭС принимает участие Ю.В. Кондратюк (1897–1941).

Рис. 4.24. След дымовой шашки, установленной на конце одной из лопастей ветроколеса

В апреле 1933 г. экспертиза проектов ВЭС закончилась победой эскизных проектов Ю.В. Кондратюка и Украинского института промышленной энергетики (УИПЭ, г. Харьков). Получив напутствие наркома Г.К. Орджоникидзе, Юрий Васильевич приезжает в Харьков, где со своим коллективом работает над техническим проектом ВЭС параллельно с группой УИПЭ.

Летом 1934 г. академическая экспертиза рекомендует проект Кондратюка к строительству. Г.К. Орджоникидзе создаёт в Москве контору по строительству КрымВЭС, которая под научным руководством Юрия Васильевича разрабатывает рабочий проект небывалой станции. В 1936 г. началось её строительство на Ай-Петри. Ю.В. Кондратюк спроектировал ВЭС на 12 тыс. кВт, равной которой по мощности нет в мире и поныне. После смерти Орджоникидзе эта работа была свёрнута.

В Советском Союзе под руководством профессора В.Н. Андрианова были теоретически разработаны и экспериментально проверены основные вопросы параллельной работы ВЭС с неветровыми электростанциями и энергосистемой. Под руководством профессора Е.М. Фатеева исследовались основы агрегатирования и методы рациональной эксплуатации ВЭУ. Под руководством профессора Н.В. Красовского и доктора технических наук Г.А. Гриневича изучались энергоресурсы ветра.

К середине 30-х годов XX столетия мировое сообщество уже располагало аэродинамическими профилями высокого качества для лопастей ветроколёс, установками, в которых можно было продувать различные модели ВЭУ, рядом научных учреждений, в которых разрабатывались и совершенствовались методы их расчёта и проектирования, что являлось хорошей основой для развития мировой ветротехники.