В одной упряжке
Очень часто люди становятся изобретателями, так сказать, поневоле. Вдруг перед человеком возникает какая-то острая проблема, новая практическая задача, каких ему прежде не доводилось решать. Вот и приходится делать шаг в сторону от проторенных дорожек, изобретать что-то новое. В сущности, именно так появился у человечества весь арсенал орудий труда, в широком смысле необходимых в борьбе за хлеб насущный. Но бывает и так, что, придумав какой-то механизм, человек наблюдает его работу, но извлечь из него какую-нибудь пользу не пытается — не находит для этого побудительных причин. И поскольку практическое использование изобретения остается нераскрытым, оно какое-то время служит игрушкой для взрослых людей, а потом и вовсе забывается. Если игрушкой завладевают дети, она по крайней мере консервируется в общечеловеческой памяти и, бывает, обретает со временем новую жизнь. Это происходит в тот момент, когда обществу вдруг открывается полезная практически сторона милой старушки игрушки. Так было, например, с юлой (волчком). Таланты волчка оказались оцененными, когда людям понадобился надежный компас, готовый служить кораблям в любой стихии. Волчок усовершенствовали, и получился гирокомпас.
Но даже если какому-то изобретению не пришлось, как волчку, веками дожидаться, пока для него найдется подходящая полезная работа, оно все же подвержено всем превратностям судьбы. Понятно, что зависит судьба изобретения от того, насколько успешно оно несет свою службу в развивающемся и усложняющемся хозяйстве человека.
Вот какой пример уместно будет здесь привести.
Чтобы испечь хлеб, нужно сперва зерно превратить в муку. Когда-то для этого пользовались двумя камнями, растирая зерна между ними. Но вот изобрели ступу. Это был огромный успех: ведь не только повысилась производительность труда мукомола — сошли почти на нет потери драгоценного продукта. Не презирайте ступу; прежде чем отойти в мир сказок и стать персональным транспортом Бабы Яги, ступа десятки веков кормила людей хлебом и пирогами.
А потом была изобретена мельница.
Итак, предок ступы — два камня, а сама ступа — предок мельницы. Процесс размола не изменился. Только пест, которым орудовали в ступе, превратился в большой круглый и плоский камень — жернов. Когда его вращали, зерна, попавшие между ним и другим жерновом, перетирались в муку. А чтобы вращать жернова, придумали ветряной двигатель — ветряк — и водяное колесо. Но тут уж нельзя не вспомнить Маркса, который писал: «Вся история развития машин может быть прослежена на истории мукомольных мельниц».
Читателю, живущему в век автоматики, будет интересно узнать, что рядом с мельницей Маркс поставил часы — этот «первый автомат, употребляемый для практических целей».
Вот из каких зародышей пошла наша современная техника. У нее есть богатая событиями история, а маленькая ступка, сохранившаяся на кухне, — это в некотором смысле исторический памятник.
Но мельница еще не стала анахронизмом и продолжает мирно существовать. Что нам приходит на память, когда мы слышим слово «мельница»? Возникает образ машущего крыльями ветряка или деревянной плотины и водяного колеса. И хотя, собственно, водяное колесо — это еще не мельница, а лишь ее двигатель, о том, что где-то вертятся, пляшут жернова, мы начинаем думать позднее.
И пожалуй, это закономерно, потому что именно двигатель является наиболее перспективным узлом такого относительно сложного механизма, как мельница. Ведь было очевидно: вчера он двигал жернова, а нынче сможет привести в движение насос, станок — что угодно!.. Поэтому процветающей оказалась именно эта ветвь «родословного дерева», выраставшего из мельницы. Ее двигатель со временем все более и более совершенствовался. Появлялись водяные колеса более сложного устройства и принципиально различных типов. Вершиной их развития сегодня стали гидравлические турбины. Они неутомимо вращают роторы генераторов на гидроэлектростанциях, вырабатывающих потоки электроэнергии, растекающейся по проводам к удобным, надежным и вездесущим электромоторам. И чем гидроэлектростанции крупнее, тем электроэнергия дешевле.
Самые многоводные реки мы перегородили плотинами. Гигантские водохранилища и огромные турбины заворожили нас. Мы почти позабыли былые заслуги скромных, но работящих мельничных колес.
Сколько воды утекло за то время, как они исчезли с наших речек и речушек! Но ведь движущиеся массы воды по-прежнему несут в себе энергию. И это колоссальное наше богатство, по сути дела, утекает от нас вместе с водой…
Поток сечением в 1 квадратный метр, двигающийся со скоростью 1 метр в секунду, развивает мощность полкиловатта, а при скорости 2 метра в секунду — 4 киловатта. Теоретически современная гидротурбина может использовать почти 60 процентов этой энергии. Но маленькие генераторы мощностью 1–2 киловатта имеют коэффициент полезного действия 80 процентов. Значит, в потоке, который мы взяли для примера, генератор легко разовьет мощность в 1 киловатт. А 1 киловатт — это богатство: киловатт зажжет 25 лампочек по 40 ватт! Киловатт может поднять воду на высоту десяти метров для орошения 30–50 гектаров! Да мало ли что может еще сделать один киловатт! И эта энергия долгое время оставалась запертой в ларец, к которому нужно было подобрать ключик.
Энергетические ресурсы всех наших рек подсчитаны и учтены. Оказывается, мы используем лишь десятую их часть. Громадная доля учтенных запасов энергии приходится на малые реки и почти не используется. Строить мелкие ГЭС крайне невыгодно. Да и обычная турбина слишком тяжела для слабого напора небольших рек: значительная часть энергии потока будет тратиться на вращение самой турбины, а потребителю оставались бы крохи.
Что ж, стало быть, нет никаких перспектив использования в сельских районах мелких гидроустановок? — Утверждать это — значило бы попросту капитулировать перед трудностями новой проблемы. А отступать в борьбе недостойно человека, привыкшего раскусывать крепкие орешки секретов природы. Если мощность одной небольшой силовой установки мала и установка эта становится невыгодной, то можно выйти из положения, объединив несколько маломощных установок. Например, жители Крайнего Севера не имеют такого мощного (сравнительно) живого двигателя, как наша симпатичная лошадка. Но у них есть собаки. Как «транспортное средство» одна собака не многого стоит, она едва может нести небольшой вьючок или тащить маленькие санки. Другое дело — упряжка в десять собак. Она легко мчит и каюра и небольшой груз.
Нужно, следовательно, создать упряжку из нескольких турбин, небольших, не забирающих у воды слишком много драгоценной энергии, так сказать, «для собственных нужд».
Такая турбина существует. Это поперечная вингроторная турбинка. Напомню, что мы уже знакомились с ней, когда речь шла о создании летающей модели ротолета. Она представляет собой два полуцилиндра, обращенных друг к другу своими полостями. Очень удачную конструкцию такой турбины предложил в свое время Е. С. Бирюков.
…Узнал я о существовании этого интересного человека довольно давно. Весной 1961 года из редакции журнала «Знание — сила» мне, зная, что я интересуюсь поперечными турбинами, прислали письмо, написанное четким, каллиграфическим почерком и сопровождавшееся эскизами и графиками, аккуратно вычерченными, видимо, опытной рукой. Под письмом стояла ничего мне не говорившая подпись — Бирюков. «Ученый», — подумал я и ошибся.
Ефим Степанович Бирюков оказался старым рабочим-металлистом. За его плечами лежал большой и завидно интересный жизненный путь. Он отстаивал завоевания революции в гражданской войне, боролся с кулаками и организовывал колхозы. А в 20-х годах ему удалось закончить курсы механиков. За годы своей жизни и работы Е. С. Бирюков внес десятки интересных рационализаторских предложений.
Суть письма, которое я прочитал, состояла в следующем. Оказывается, еще в 30-х годах начал он совершенствовать ветряные двигатели на поперечных турбинах вопреки пессимистическим выводам теоретиков, которые доказывали, что к.п.д. поперечной турбины не может быть больше 19 (с небольшой дробью) процентов. А его турбинка, как говорилось в письме, лежавшем передо мной, работала с к.п.д. в 2,5–3 раза большим. Мне это показалось невероятным, но…
Турбина Е. С. Бирюкова была необычна. Сечение ее лопастей напоминало сдвоенные латинские буквы «SS». Посмотрим, как она работает. Поток давит на внешние ковши-захваты и создает крутящий момент. Это как раз тот активный момент, за счет которого турбина может, по утверждению теоретиков, полезно использовать 19,2 процента мощности набегающего на нее потока. Между стенками лопастей турбины Бирюкова, то есть между латинскими «SS», остается широкий канал, проходя по которому поток создает дополнительный — вот откуда прирост мощности! — реактивный момент. Реактивная сила возникает потому, что поток воды за один оборот ротора неоднократно меняет направление движения в межлопастном пространстве поперечной турбины. Таких поперечных турбин я еще не встречал. Это было новым словом.
Ось турбины в установках Бирюкова входила в бочку с водой, и на ней были закреплены лопатки. В бочке был установлен ряд других, неподвижных лопаток. Энергия турбины затрачивалась на перемешивание воды между лопатками. Вследствие трения частиц воды друг о друга часть энергии превращалась в тепло. Двенадцать лет совершенствовал Ефим Степанович свою установку, улучшая профиль турбин. И если в первых его установках вода в бочке становилась только лишь теплой, то в усовершенствованных закипала! От бочки он отвел трубы, установил в комнатах радиаторы — получилось паровое отопление. И вот зимой, когда сильный ветер выдувал из дома драгоценное тепло и когда у соседей основной заботой было удержать это тепло, в доме Ефима Степановича все форточки открывались настежь… Е. Бирюков был скромнейшим человеком. Я с большим изумлением узнал, что он так и не получил на свою замечательную турбину авторского свидетельства, и твердо решил помочь ему. Года два спустя Ефиму Степановичу такое свидетельство выдали.
Вот что любопытно! Рабочий, не вооруженный запасом инженерных знаний, как другие авторы поперечных турбин, лишенный широкого потока информации по данной проблеме, — а предложил такую удачную конструкцию, обогнав многих известных конструкторов.
Только не говорите, что это чудо! Так бывает. И нередко. Порой интуиция подсказывает изобретателю решение, которое ускользает от самых изощренных теоретических изысканий. Но это ни в коей мере не унижает теорию! Значение таких примеров состоит в том, что они показывают, как практика подстегивает теорию, не дает ей остановиться на достигнутом. И удача Е. Бирюкова не была чудом, разрушающим теоретические построения. То, что мы в конце концов можем познать и объяснить, нельзя называть чудом.
«Могу ли я ручаться, что турбина Е. Бирюкова — лучшая в своем роде?» — спросил я себя. За месяц работы в Государственной патентной библиотеке мне удалось собрать почти всю информацию по этому вопросу. Работы по поперечным турбинам велись в 26 странах. Оказалось, что не финн Сигурд И. Савониус является изобретателем поперечной турбины, как считалось ранее, а наши соотечественники А. Воронин и Я. Воронин. Их заявка на изобретение была подана 2 октября 1924 года — на 2 месяца и 10 дней раньше финского патента Савониуса.
Там же, в библиотеке, мне удалось восстановить облик 312 турбин. Одни из них полностью или частично повторяли турбины Ворониных, другие были крайне неудачны, несовершенны, а были и просто порочные в техническом смысле. Для сравнительных испытаний мне удалось отобрать всего 43 турбины.
Осталось провести испытания, которые были чем-то вроде отборочного конкурса для подыскания подходящей «собаки» к задуманной «упряжке». Скорость потока мы выдерживали для всех турбин одну и ту же. Чем быстрее вращается турбина при неизменной нагрузке, рассуждали мы, тем выше ее к.п.д. И вот оказалось, что турбина Е. С. Бирюкова полезно использует 41 процент энергии потока. Она была лучшей из турбин-соискательниц. Оставалось взять ее за основу и лишь немного усовершенствовать.
Итак, «собака» для нашей «упряжки» отыскалась. Остается подобрать «упряжь», связать турбины одной веревочкой.
Вроде нехитрая вещь — веревочка. Даже если за ее солидную толщину уважительно называют «канат», сущность ее не меняется. Пеньковые, конопляные, джутовые, льняные канаты — все они пришли к нам из глубокой древности: ни строительство египетских пирамид, ни катапульты греков не обходились без них. Но время шло, и уже техника прошлого века потребовала более прочных и износоустойчивых канатов. Нити растительных волокон, из которых сплетался канат, заменила высокопрочная проволока. Канаты стали стальными. Их с большим уважением стали называть тросами.
Мы доверяем тросам самую ответственную работу. Они поднимают клети шахт, кабины лифтов. Все грузоподъемные машины — от кранов до лебедок — без тросов как без рук. Мы привыкли к тросам и не находим в них ничего необычного. А между тем трос — удивительная штука. Сплетенный из тонких проволочек, он выдерживает до двадцати шести тонн на каждый квадратный сантиметр сечения! А для такого же сплошного прута предел — одиннадцать тонн.
Как известно, трос работает на растяжение. Но людей давно интересовало, можно ли заставить его воспринимать также и другие виды нагрузок? Например, можно ли заставить трос работать на скручивание? Оказалось, можно. Для этого надо заключить его в оболочку, в трубку. Так появились гибкие валы. Они применяются в бормашинах, которые каждый видел в кабинете зубного врача, в приводах спидометров автомашин, различных переносных инструментах. Однако за счет трения троса об оболочку в передаче вращения посредством гибкого вала теряется до трети мощности. Но как бы то ни было, в тросах заложено куда больше возможностей, чем кажется на первый взгляд. Тросы прекрасно справляются с функцией трансмиссии — средней, передающей части в четкой схеме: двигатель — трансмиссия — рабочая машина. Двигатель вырабатывает энергию, трансмиссия передает, а рабочая машина использует.
Случай привел меня в одну из лабораторий исследовательского института, в которой изучались закономерности возникновения стоячих волн на тросе толщиной с карандаш при его вращении. Электромотор вращал растянутый в воздухе трос метров этак в десять длиной. На тросе при вращении появлялись так называемые узлы и пучности. В узлах трос как бы стоял неподвижно, а в пучностях так вибрировал, что была видна лишь тень шириной в десять сантиметров, а может быть, и пятнадцать. Меняли число оборотов, и количество пучностей менялось.
Меня охватило страстное желание поэкспериментировать. Беру со стола напильник и его ручкой пытаюсь надавить на пучность — картина сразу изменилась… Мотор с грохотом упал на пол. Испуганно вскрикнула сотрудница. Я попросил прощения. Тут было много людей, но никто не понял, что произошло. «До чего же люди ненаблюдательны, — подумал я. — Никто не заметил главного». А главное — конечно, с моей точки зрения — было совсем не в том, что упал мотор. Во-первых, я видел, что исчезли стоячие волны и трос начал вращаться, как сплошной вал. А во-вторых, он при этом укоротился, отчего электромотор и съехал со стола.
Я вспомнил этот эпизод потому, что оба подмеченных мною момента имеют непосредственное отношение к задаче создания одной «упряжки» из нескольких вингроторных турбин.
Эта задача решалась не сразу и не вдруг, а в напряженной и трудоемкой работе, проходившей то под открытым небом — на берегах тихой речки, красы российских деревень, — то в лабораторных условиях, а то и за столом над листом бумаги, исписанным цифрами, изрисованным схематическими набросками.
Я расскажу подробно, как рождалась эта гидросиловая установка, потому что здесь проявились результаты объединенного действия двух побудительных сил творчества. С одной стороны, сознательное, целеустремленное желание решить задачу, важность которой была ясна с самого начала. С другой — необходимость быстро реагировать ответными действиями на отдельные частные удары, которые так и сыплются обычно на того, кто вступает на нехоженые пути.
Рождение зрелой конструкции — это такой процесс, логика которого не во всем совпадает с тем, в какой последовательности приходилось искать ответы на те или иные вопросы. А между тем логика-то как раз и гораздо важнее. Поэтому в моем рассказе я постараюсь дать представление именно о том, как идея развивалась от, так сказать, зародыша до зрелого решения. И совершенно не важно, где и когда был сделан каждый отдельный шаг.
Принципиальное решение задачи было таким. На трос нанизывают ряд поперечных турбин. Один его конец свободно закрепляют в упорном подшипнике, другой на противоположном берегу через редуктор присоединяют к рабочей машине — генератору. Течением воды трос натягивается, турбины раскручиваются, трос вращается, как их общая ось, и приводит во вращение генератор… Вот и все!
Нельзя забывать и силу натяжения, возникающую при этом, — ту самую, которая свалила электромотор с лабораторного стола. Оба конца троса должны проходить через подшипники, хорошо закрепленные в опорах.
Правда, при какой-то скорости вращения троса могут появиться стоячие волны. Как их убрать? На такой вопрос мог ответить только опыт… Конечно, решение было найдено, а как — это уже другая тема. Мы же должны вернуться к нашей «упряжке», или, лучше сказать, гирлянде, которую нанизанные на трос турбины внешне очень напоминают. Установка так и называется: гирляндная гидросиловая установка.
Вода в реках быстро течет только в верхнем слое. Этот слой и надо заставить крутить турбины, протянув гирлянду по всей ширине реки. Трос с закрепленными на нем роторами весит немало, но когда поток начнет вращать турбины, появится эффект Магнуса (вспомним роторное крыло!), и тогда турбины всплывут. Была бы достаточной скорость течения, например, полтора метра в секунду.
Заявку на изобретение поперечногирляндной гидросиловой установки я сдал 17 февраля 1959 года. Но это не было концом работы!
Казалось бы, теперь, когда все было в порядке, можно с облегчением сказать «уф!». По-видимому, ничто не мешает приняться за уборку на рабочем столе, чтобы освободить место для набросков и заметок, связанных с какими-то другими делами. Однако проблема крепко держит изобретателя за руку, не отпускает, и едва кончен один этап, как начинается следующий.
Появившееся на свет детище предъявляет родителю целый ряд претензий. Оно требует, чтобы его на первых порах опекали и привили ему необходимую культуру. Конечно, в данном случае имеется в виду техническая культура. Ведь все части любой машины должны быть продуманы до мельчайших деталей, чтобы они выполняли свое назначение наиболее разумным образом и с наибольшей пользой — это дело чести создающего машину инженера! «Педагогика» здесь чисто инженерная. Но суть та же: у технического детища нужно убрать все дефекты, мешающие нормально работать, и развить качества, делающие его ценным членом технического общества.
По программе испытаний гирляндной гидротурбинной установки мы должны были получить лишь ее электрические характеристики, загружая электросеть при помощи реостатов. Но для дела интересней был факт освещения деревни. Важно, чтобы народ понял ценность гирляндных ГЭС. И тогда нам гарантирована помощь. А мы очень нуждались в этом. Ведь мы, испытатели, еще многого не знала о нашей установке и ко многому были не готовы.
Было ясно, например, что без лебедки гирляндную гидроэлектростанцию на реке шириной около сорока метров не поставить. Но лебедки у нас не было. Привозить — дорого. Тогда нужен хотя бы обычный ворот. И вот простой и удобный ворот из железных труб за день сооружает здесь же, в совхозной мастерской, народный умелец Иван Никанорович Морозов.
Первая установка, состоящая из изготовленных вручную 70 турбин, имела небольшую мощность. Однако несколько домов деревни Порожки получили свет. Турбины работали с неделю, а затем начали выходить из строя. Пришлось усовершенствовать узлы закрепления турбин, и гирлянда проработала еще две с половиной недели. Внесли изменения в конструкцию гирлянды и подключили к установке еще четыре дома. Но… энергии не хватало! Поставили более мощный генератор, и лишь тогда деревня осветилась полностью. На этом исследования на реке не прекратились. Еще раз сменили генератор, заменяли и гирлянду. В ней стало теперь 90 турбин. Затем поставили вторую гирлянду — для исследований. Генераторы в них были разные: постоянного и переменного тока.
Чтобы трос вращался равномерно, я решил закреплять турбины парами, сместив их одну относительно другой на 90 градусов. Турбины в паре должны отстоять одна от другой настолько, чтобы они не могли задевать друг друга, когда трос выгнется широкой дугой поперек реки. И это не все: при скручивании трос укорачивается, и это тоже надо учесть, делая просветы между турбинами. Выгодно, наверное, сделать эти расстояния как можно меньше, чтобы нанизать в гирлянду побольше турбин. Но какими должны быть промежутки между турбинами, точно никто не знал.
Обычно гирлянду натягивали воротом таким образом, чтобы угол ее провиса между берегами был градусов двадцать пять — тридцать. Но вот один раз в гирлянду впрягли сто турбин. Расстояния между турбинными парами были по четыре сантиметра. На вороте работали двое: натягивали трос поперек реки. Натяжение гирлянды увеличивалось, но провес был еще градусов сорок пять, тянуть трос стало тяжело. Остановили ворот. Подключили сеть. Гирлянда заработала, но как-то необычно: уменьшился шум, да и гребень воды над частью гирлянды, которая расположена со стороны генераторной опоры, изменил привычную форму — стал ниже и шире… Что же оказалось? Остановив гирлянду, мы увидели, что часть турбин исковеркана, скручена в спираль. Мы упустили из виду одну мелочь. Ведь трос при скручивании укорачивается! Вот и вышло так, что укоротившийся трос сдавил турбины, потому что просветы между ними оказались слишком малы…
Ну что ж, надо учесть этот урок. Сделать это нетрудно. Турбинные пары на тросе мы стали ставить с разными промежутками: чем ближе к генератору, тем больше промежуток между парами. А позднее я вывел точные формулы, и оказалось, что гирляндная ГЭС должна работать при угле провиса не больше чем в 30 градусов.
Происшествия на испытаниях бывали самые разные: то гирлянда при установке находила на камень, то турбины на гибком валу проворачивались, проскальзывали, то еще что-нибудь.
Много раз приходилось менять конструкцию креплений турбин на тросе. Какие только варианты мы не перепробовали! Но ничего надежного не могли найти. Вопрос о креплении турбин крутился вокруг да около троса, и вот однажды появилась робкая мысль: а что, если в месте крепления турбинной пары пропустить через трос стержень? Проверить экспериментально жизнеспособность этой идеи — дело нехитрое. В конце деревни к толстенному стволу спиленной ветлы были привернуты тиски, принесли молоток, свернутый кусок троса, острозаточенную десятимиллиметровую свайку (инструмент вроде гвоздя или шила), кусков десять шестимиллиметрового прутка, а также пару турбин. Раздвинув верхние пряди троса, я просунул свайку через его сердцевину. «Совсем не трудно», — отметил я с удивлением. Затем прутом вытолкнул свайку. Пруток оказался пропущенным сквозь трос. Отогнул в тисках концы прутка, пропустил их через диски турбин и закрепил, перегнув еще раз. Посмотрел — ладно получается: сохраняются междутурбинные расстояния и гибкость вала, а проскальзывание турбин на оси совершенно исключено. И всего одна деталь — поводок из обрезка прутка!
Теперь надо все проверить в рабочих условиях. Сняли с гирляндной установки пять турбинных пар и переделали их крепление. Проработали эти турбины недели полторы, затем мы остановили гирлянду, подтащили к берегу — и ахнули: в местах крепления из троса торчали какие-то петли… При этом все шесть наружных прядей троса целы. Опять опыт указал нам на то, что нами была упущена из виду мелочь. Действительно, при скручивании трос укоротился, но неравномерно. Средней его пряди, укоротившейся совсем незначительно, было некуда деваться. Вот она и вылезла через раздвинутые прутком наружные пряди троса! Прочности троса ничто не угрожало, но трос все же был испорчен. Тогда мы решили укрепить пять пар таких же турбин на тросе, который имел органический сердечник: иначе говоря, на тросе, у которого металлическими нитями оплетена центральная прядь, изготовленная из растительного волокна, то есть оплетен обыкновенный канат. И что же? Испытания прошли замечательно! После двадцати дней работы — никакой порчи троса. С него мы легко сняли этот десяток турбин с поводковыми креплениями, а затем вновь их закрепили в прежних местах. Удобно. Просто.
Через два года на это «устройство для крепления турбин к тросу гирляндной установки» было выдано авторское свидетельство. Но это потом, а уже на следующий день испытаний установки потребовалось решать другие задачи…
В авторском свидетельстве указывалось, что можно установить несколько гирлянд друг за другом и связать их по берегу общей трансмиссией. Это правда. Только что толку, если гирлянд много, а общая их мощность чуть побольше, чем у одной гирлянды…
Однажды, приглядываясь к работе двух одногирляндных установок, только что поставленных нами, мы обратили внимание на следующее. За первой гирляндой — верхней по течению — тянулся пенный ковер, который простирался до второй гирлянды, а за ней тянулась широкая белесая дорога, постепенно редеющая. По пене было хорошо видно: сразу за гирляндами поверхностная скорость течения воды очень мала. Но метров через пятнадцать она восстанавливается. Если сблизить гирлянды на расстояние до пяти метров, нижняя даст лишь половину возможной мощности. Поэтому, когда ставили вторую гирлянду — ниже по течению, — пришлось удалить ее от первой на двадцать метров: лишь при таком интервале ее мощность не падала.
Так что же? Разве обязательно соединять тросовой трансмиссией береговые опоры гирлянд, так удаленные одна от другой, что они даже не попадают одновременно в поле зрения? Нельзя ли найти более разумное решение? Куда проще — лучами свести несколько гирлянд к одной машинной опоре, подобно тому как кучер зажимает в руке вожжи всей четверки своей запряжки.
Мы решили проверить работоспособность такой лучевой схемы установки гирлянд. Если машинную опору отдалить от берега на тридцать-пятьдесят метров, то переднюю гирлянду можно было бы разместить в таком отдалении, чтобы она не «обижала» следующую. Конечно, длина троса гирлянд при этом значительно возрастет, но трос ведь недорог. Впоследствии это было разработано конструктивно.
А пока надо продолжить испытания. Вот я вижу, что на трос накрутились трава, водоросли. В общем никому они не мешают, но все же я решил железным крючком очистить концы гирлянды — места скопления мусора. Очистил первую гирлянду и думаю: смогу ли ее крючком притопить до дна? Оказалось, смогу. Пошел к задней гирлянде. Очистил ее от водорослей и тоже стал крючком тянуть ее ко дну. Трос резко выгнулся более крутой дугой по течению. Я догадался: это гирлянда попала в слой с более высокой скоростью течения.
Чтобы поточнее оценить прибавку мощности, я стал погружать гирлянду, отходя от берега.
В это время из-за поворота показались три туристские байдарки. Они шли прямо на нашу гирляндную гидростанцию. Заметив непонятное оживление на реке, байдарки поспешили свернуть к берегу.
Но опасения туристов были напрасными: над гирляндами можно пройти на байдарке без всякого труда и опасности. Чтобы убедить в этом туристов, я тут же продемонстрировал форсирование гирляндной ГЭС. Затем наши механики спустили резиновые лодки и прошли над гирляндами — уже в сотый раз, наверно… Байдарочники — вслед за ними.
А испытания все продолжались, и чем дальше, тем более неожиданные задачи приходилось решать. Одни тут же, на месте, другие не сразу и не вдруг.
Перед гирляндой, протянувшейся через Тверцу, шел трос. Я работал в резиновой лодке, привязанной шнуром к этому тросу. Подтягивая шнур, можно подводить нос лодки вплотную к гирлянде, можно перемещаться вдоль нее. Я замерял распределение скоростей за гирляндой и фотографировал ее работу.
Гирлянда невыносимо шумела.
Где же рождается этот шум? Как от него избавиться? Ведь и в технике часто, как в делах людских, где много шума, там мало дела.
Ближняя турбинная пара была передо мной как на ладони. Над гирляндой слой воды сантиметров в пятнадцать, за ней сплошная пена. Ясно, что в турбины каким-то образом попадает воздух.
— Коля! — что есть силы кричу в мегафон механику. — Возьми турбину из запасных, надень ее на палку, зайди перед гирляндой, опусти в воду и послушай: шумит или нет?
Эта одиночная турбина не шумела.
Значит, воздух попадает в турбину только в гирлянде, и, следовательно, можно думать, что проникает он между турбин. Всунул между дисками турбин весло от надувной лодки — пены стало меньше.
А если попробовать закрыть сразу два промежутка — и с того и с другого конца турбины? Располагаю оба весла между дисками двух соседних турбин и мгновенно ввожу их в поток. Пена под турбиной пропадает. Теперь все ясно: между турбинами образуется разрежение, воздух втягивается туда и, возможно, в самые турбины. И так и этак теряется мощность.
Однако разрежение, образующееся между турбинами, не может распространяться на внутренние полости турбин. Экспериментально доказано, что в турбинах, сделанных по схеме Бирюкова — схеме, использованной в нашей установке, — образуется не разрежение, а, наоборот, повышенное давление. Значит, задача в том, чтобы ликвидировать разрежение именно между турбинами.
Решение пришло неожиданно: надо проделать дыры в боковых дисках турбин. Вода из турбин под действием более высокого давления потечет в просветы между ними.
А что, если вместо дырок сделать профилированные щели, чтобы вода, протекая через них, создавала в турбинах дополнительный крутящий момент? Надо пробовать.
Одну из турбин снабдили такими дисками — крыльчатками. Она сразу показала к.п.д. 58 процентов. Не поверив своим глазам, проверили второй раз. Опять получили 58 процентов. Стали испытывать в третий раз — опять 58 процентов.
И это при том, что было известно: наша эталонная турбина в том же потоке дает к.п.д. 46 процентов. Лишь на третий день размышлений меня осенило: дополнительная мощность получается потому, что мы поворачиваем часть потока так, что используем его напор полнее. Наши поперечные гирлянды стали бесшумными, беспенными и даже более мощными.
Много поперечных гирлянд нам довелось поставить. Работали они и у поверхности — на всплытие, привлекая к себе внимание шумом, расстилая за собой пенный ковер; работали и на погружение — у дна, бесшумно, скрытно, не знаешь — не заметишь. Научились мы ставить гирлянды и друг за другом и одну под другой: нижняя работает на погружение, верхняя — на всплытие, а между ними проходит быстротекущий слой потока.
Проходит, и его мощность теряется понапрасну. Не знали мы, как использовать мощность этого свободного потока. Конечно, он свободный условно: ведь гирлянды создают подпор воды, не такой, конечно, как плотина, но все же ощутимый.
Проводились исследования, которые установили, что две турбины, закрепленные в жесткой раме, если они вращаются навстречу друг другу, дают прибавку в мощности, равную 30 процентам. Но это жесткая рама, а как перейти от нее к гирляндам? Почему не помечтать о своего рода гирляндной плотине, которая подопрет реку и даст значительную прибавку мощности всей установки? Кроме того, по расчету такие станции будут работоспособны при скоростях потока 0,65 метра в секунду, в то время как до сих пор поперечногирляндные ГЭС у нас работали лишь от течения, имевшего скорость свыше одного метра в секунду.
Маленькие установки, в которых гирлянды соединены попарно, были испытаны и подтвердили правильность общей идеи. Это была работающая гирляндная плотина. Можно было подумать о больших установках такого типа.
Намечаем последовательность работ по установке такой плотины из гирлянд. Получается что-то уж слишком сложно: две отдельные гирлянды, два ворота, последовательная затяжка гирлянд и прочее.
Но на практике нередко бывает, что неожиданный толчок вдруг переключает мышление на совершенно иные рельсы, выводя его из тупика на путь, по которому мысль устремляется, как по магистрали железнодорожный состав по «зеленой улице».
Как мы ставили свои установки обычно? Одногирляндную установку ставят с помощью одного ворота. Так… Но значит ли это, что для двух гирлянд нужно количество воротов удвоить?
— Мы будем сматывать на передний ворот оба гирляндных троса, — говорю я. — И ничего, что раньше никогда не подтягивали двух гирлянд одним воротом, но в данном случае это необходимо.
Удивительно, что такая простая мысль никому не приходила в голову раньше. Видимо, импульсы, приводящие мысль в движение, рождаются по какому-то определенному закону, когда мозг уже соответствующим образом настроен и словно ждет этого толчка, похожего на сигнал стартового пистолета.
Игра положительно стоила свеч: ведь парногирляндная установка на киловатт мощности обходилась более чем вдвое дешевле… Типовые детали ее гирляндной части были совершенно те же, только увеличивалось их число пропорционально числу турбин.
Обычно ту опору гирлянды, где находился редуктор, передающий вращение генератору, мы старались расположить ближе к воде. Но уровень воды в реках изменчив. Всякому приходилось видеть, как маленькая речушка после сильных дождей заливает низины, выходя из своих берегов, а в засушливое время едва не пересыхает… Чтобы ближайшие турбины не выходили на поверхность при колебаниях уровня, приходилось менять высоту этой опоры. Но это не давало возможности автоматизировать ГЭС. Однажды ливневые дожди подняли воду в реке Тверце на два с половиной метра. Едва успели сбросить гирлянду и спасти опору от затопления! Это очень важно, ибо именно на опоре находится редуктор, то есть устройство, передающее вращательное движение гирлянды турбин генератору. Если под угрозой этот важный узел, значит угрожает авария и всей энергетической установке.
Необходимо поднять опору за паводковый уровень. Но как при этом опустить в поток концы гирлянды? Простое решение — оно на деле пришло совсем не просто! — было таким: утяжелить гирлянду, нанизать на нее добавочные грузы — числом побольше, чтобы не было больших углов перегиба на тросе. Кроме того, под тяжестью грузов задняя гирлянда — мы смотрим на установку, встав лицом по течению — опускается ниже, чем передняя, головная, и поэтому попадает в слой, где движение воды не заторможено верхней системой турбин. Она не будет терять мощности, хотя и стоит всего в трех метрах ниже по течению от передней.
Теперь за установку можно не беспокоиться и в межень и в паводок! Она сможет работать и без присмотра.
Уже на Тверце был лед, и гирлянда работала подо льдом. Впервые деревня была освещена гидроустановкой, работающей без перекрытия реки плотиной!
Первые гирляндные ГЭС имели 76 различных деталей в гирляндной части. После завершения испытаний, последовательных изменений и усовершенствования турбин осталось только семь типов деталей. Вес установок снизился. И еще. Общее правило для гидравлических двигателей таково: чем меньше напор воды, тем хуже удельные показатели гидросиловой станции. Гирляндные установки оказались исключением из этого правила.
Чтобы сравнить между собой скорость вращения турбин при одинаковых напорах и одинаковых мощностях, гидроэнергетики ввели так называемый коэффициент быстроходности. На лучших турбинах этот показатель редко достигает 1000. А у гирляндных станций он равен 5000–10 000.
