Из детской ванночки…

Этот небольшой эпизод вполне можно было бы присоединить как еще одно звено к цепочке процесса создания гирляндной ГЭС. Однако на этот раз вдохновляющий импульс мысль получила не тогда, когда я сидел за своим рабочим столом или чертежной доской, а в момент совершенно необычный. Мы с женой купали в ванночке сына. Пытаясь скрасить малышу некоторые мгновения этой процедуры, я принес домой демонстрационную поперечную турбину — вингротор. Чтобы она закрутилась, нужно водить ею по воде боком, держа за ручку, являющуюся продолжением оси. Но малыш норовил сунуть турбинку в воду торчком и быстро вытащить. Я стал объяснять сыну, что так игрушка не будет крутиться, нечего упорствовать и разбрызгивать воду на пол. Однако стоило мне отвлечься, как он снова принимался за свое. И тут я с удивлением отметил, что турбинка крутится…

Присмотрелся: ничего удивительного!

Человек уж так устроен, что, как только он находит объяснение непонятному, неожиданному явлению, его удивление тотчас угасает, и он, как бы стесняясь самого себя, начинает думать: это же элементарно просто. Если турбинку погрузить в воду, а затем резко вытащить, держа в вертикальном положении, то вода, заполнившая ее внутреннюю полость, будет вытекать из щелей, образованных полуцилиндрами. Возникает противодействующая сила, направленная в сторону, противоположную стеканию струй, — турбина начнет вращаться. Но, чтобы создать такой эффект, не обязательно опускать турбинку в ванночку: можно лить воду на нее и сверху. Наконец, если эту турбинку поставить в поток, но не поперек, как обычно, а по течению, — эффект будет тот же!

Кажется, что гирляндную установку из турбин, работающих по этому принципу, даже изобретать не надо! Ту же самую гирлянду, с которой мы бились на реке Тверце, можно вытянуть вдоль течения — и все…

Ан нет! — не все. Даже если вы просто поставите паровую машину на телегу, чтобы получился паровоз, паровоз так просто не пойдет. Любая идея изобретателя нуждается в детальной разработке, иначе изобретению не бывать.

Итак, решается вопрос: как подвесить свободнопоточные гирлянды в протоке? Вдоль течения? Не получится: передние турбины будут тормозить поток, мешая всем последующим. Чтобы этого не было, придется турбины располагать на большом удалении друг от друга… Но это снизит область применения таких установок. Куда лучше гирлянду растянуть змейкой между берегами, закрепив ее на оттяжках, несущих подшипники.

Первые испытания продольной гирлянды мы вели на реке Лопасне, ниже городка Нерасстанное, названного так потому, что в тех местах Екатерина II встречалась с графом Орловым (там было его имение) и не спешила с ним расставаться, когда приезжали гонцы отзывать императрицу по делам государственным.

Торцовая гирлянда работала, но мощность ее была почти втрое меньшей, чем у поперечных гирлянд той же длины. Думай, изобретатель, думай…

В турбинах задние стенки были сплошными. Значит, они сильно тормозили поток. Но, если совсем снять эту стенку, мы потеряем реактивный момент, за счет которого крутится турбина.

А что, если заднюю стенку сделать в виде крыльчатки? Тогда получится дополнительный крутящий момент. Лобовую стенку турбины можно выполнить в виде двухлопастного винта. Рассуждал я в этом случае так: винт предварительно раскручивает поток, подводя его к крыльчатке под некоторым углом. Этот угол можно было бы подобрать так, чтобы наилучшим образом, с максимальной отдачей мощности передавать движущее усилие крыльчатой стенке турбины. Испытания в лотке с водой позволили выбрать удачное сочетание ширины щелей, наклона лопастей крыльчатки, а также профилировки винта.

Однако, опустив турбину в поток, я заметил, что она крутится довольно лениво, поперечная турбина в том же потоке вращалась бы быстрее. Потянулся к плоскогубцам, начал подгибать лопасти крыльчатки, снова и снова опускать турбинку в воду, наблюдая по счетчику оборотов и секундомеру за скоростью вращения. Скорость турбины, а значит и ее мощность, продолжала расти. Предварительные исследования были завершены.

Скорректировали чертежи турбины, облагораживая и улучшая то, что в горячке экспериментов было наспех варварски выгнуто плоскогубцами. Затем выправили турбину по улучшенному чертежу. Скорость возросла еще! Чуть подправили — и вот турбина выдала свою максимальную мощность, ради получения которой и составлялась программа…

Такой чисто практический метод оперативных проб, последовательных исправлений модели и ее испытания — важное дело в работе изобретателей. Но нужна хорошо составленная программа регулировки модели, строгая последовательность ее испытаний, иначе можно безрезультатно попортить много моделей!

Последующие речные испытания там же, у Нерасстанного, показали, что мощность гирлянды с улучшенными торцовыми турбинами мало отличается от мощности гирлянды с поперечными турбинами. Значит, узкие речки — каких у нас такое множество, — украсившись гирляндами торцовых турбин, смогут отдать часть энергии своего движения в распоряжение человека.

Когда описание конструкции таких установок было опубликовано, стали приходить письма с вопросом: а как установить эти гирлянды? Действительно, как? На растяжках, переброшенных поперек реки? Нет, не то…

Как-то я решил провести выходной день под Звенигородом. Иду по берегу Москвы-реки — а она быстрая там, — разглядываю рыболовов. Кто ловит обычным способом, на удочку. Иные идут по противоположным берегам реки, а между собой натянули тонкую бечевку с крючками. Это, поди, как поперечная гирлянда, сразу три дюжины наживок… И вдруг приметил на воде зеленую дощечку. Может, думаю, отметина — кто-то вершу поставил. Глядь, а дощечка вперед против течения поплыла. Это мальчик-подросток тянул ее за тонкий шнур, а на шнуре у него тоже крючки. Устройство очень простое: дощечка имеет веревочную петлю, к которой прикреплен поводок, как у воздушного змея. Только змей при ветре поднимается вверх, а она в потоке воды отходит вбок, оттягивая от берега веревку-поводок…

И ведь ничего нового! Когда я служил на тральщике, мы применяли такое же по идее устройство. Оно называлось параванным тралом. Только вместо веревочки был трос в палец толщиной, а вместо крючков — резаки, напоминающие акулью пасть в разрезе. Они подсекали минреп — трос, на котором висит мина, и мина всплывала. А вместо дощечки — параван: штука вроде укороченной торпеды, но с крыльями, стабилизатором и даже с килем. Только крылья у паравана стоят вертикально. В движении они оттягивают параван вбок от носа тянущего трос корабля. Ставится два параванных трала, слева и справа от носа.

Вот такой-то параван и надо использовать при постановке гирлянд! Он оттянет продольную гирлянду от берега и натянет ее. Не надо никаких оттяжек! Параван установит гирлянду там, где это выгоднее всего, в той части широкой или узкой речки, где течение самое быстрое. Выведет, так сказать, на стрежень, на простор речной волны, а перед инженером поставит новые вопросы…

Когда мы экспериментировали с продольными гирляндами лишь в одном створе, на известном месте — все было просто. А когда стали работать в потоках с разными скоростями, потребовались турбины с различным шагом, то есть с различными наклонами лопастей.

В 1963 году у нас появились новые виды торцовых турбин. Одну из них предложил механик А. Шачин. Это была простая вертушка, вроде той, что делают детям из квадратика бумаги. Только вертушка Шачина была из кровельного железа. Завертится — прямо мясорубка! Я решил к концам ее лопастей приварить кольцо из толстой проволоки. Приварил. Получилась турбина, которую назвали кольцевой. Правда, мощность гирлянды турбин Шачина была несколько меньше, чем турбин с крыльчатками, зато какая простота! Но стоило чуть сменить шаг турбины, то есть попросту изменить расстояние между ее передней и задней опорой, как она сразу теряла мощность. Как бы это сделать, чтобы сохранить эффективность турбины путем изменения ее шага?

Размышления об этом застали меня, когда я по привычке, сохранившейся с детства, вертелся на винтовом стуле. Крутишь сиденье, и оно опускается на толстенном опорном винте… Стоп! Да ведь мне того только и нужно! Мне нужно, чтобы кольцевая турбина могла скручиваться, и тогда шаг ее лопастей будет уменьшаться. Полчаса работы — и я сооружаю такую турбинку из жести и проволоки. Давлю на нее пальцем — шаг уменьшается; отпускаю — и шаг опять увеличивается. Испытываю ее в лотке с водой. Турбина почти не меняет мощности даже при изменении шага вдвое.

У гирлянд торцовых турбин — широкие перспективы использования. Их можно было бы делать донными, чтобы уловить силу морских течений. Но как-то не приходило в голову, что для этого их придется… загнать в трубу!

…Я был одним из участников комплексной экспедиции по исследованию возможности освещения кишлаков горного Бадахшана при помощи гирляндных ГЭС. Горный Бадахшан — край заоблачный. Здесь жизнь сосредоточена возле воды.

Приезжаем в один из типичных для этой местности кишлаков. Когда жители кишлака узнали, кто мы и для чего приехали, они рассказали, что недалеко есть у них маленький ручей, совсем маленький. Наутро обследовали водные ресурсы не только этого, но и еще одиннадцати кишлаков. Ни одного подходящего для гирляндных ГЭС! Ручьи все мелочь: расходы воды от десяти литров до четырех ведер в секунду.

Я сказал, что ничего у нас тут не получится. А хозяин, у которого мы квартировали, проявил такую заинтересованность в наших делах, что и слушать о нашем отъезде не хотел: «Почему не получится? Не получится так, получится не так! Есть, — говорит, — у нас трубы такие — когда играешь, горы отвечают до дальних перевалов. Я в молодости, бывало, пил через такую трубу воду из такого же падающего ручья… Струя — силища!» Я слушаю этот рассказ и поражаюсь: удивительная вещь — чутье! Ведь рассказчик-то, пожалуй, не случайно заговорил об этих трубах. Пожалуй, надо попробовать так и сделать: поймать ручей в трубу и в этой сжатой, уплотненной, стремящейся вырваться на свободу струе поместить гирляндную установку. Надо только подумать, как обезопасить трубу от разрыва при большом напоре воды. А тут наш шофер вынул из-за пазухи двух куропаток и стал с ними забавляться: это любимое развлечение в горном Бадахшане — певчие и бойцовые куропатки. Шофер насыпал две горки ячменя, чтобы каждая птаха клевала свою.

Ишь ты! Ведь и у меня та же задача: поделить напор так, чтобы в каждой трубе давление не достигало критического уровня. Турбины сами установятся в столбе воды. Генераторную опору можно подвесить над трубой. Воду, когда надо опорожнить трубу, сбрасывать сбоку; для этого всего-то надо вынуть пару камней.

И опять за расчеты. Я стал прикидывать расходы воды, потребные для электрификации всех 11 кишлаков. Оказалось, что нужно запустить установку мощностью до 7 киловатт. Это значило, что можно рассчитать и размеры труб. Самая большая из них должна была иметь длину 6,5 метра, самая широкая — 38 сантиметров в диаметре. Но это уже технические детали…

Много утекло воды в ручьях горного Бадахшана за эти годы. Когда о торцовых гирляндных станциях было напечатано в прессе, я стал получать письма с просьбой прислать чертежи такой станции, чтобы она могла работать уже не просто в узкой речке, а в ручье. И вот пришло совсем необычное письмо. Начальник пограничной заставы писал: «Я обращаюсь к вам от имени личного состава подразделения, охраняющего рубежи нашей Родины на дальних Командорских островах. У нас на острове много быстрых мелководных речек шириной 1–2 метра. Государство тратит большие средства на доставку горючего. Внедрение вашей установки даст государству ощутимую экономическую выгоду и большие удобства для пограничников».

Начальник заставы просил выслать чертежи и сообщал данные о местной речке: ширина — 1 метр, глубина — 40 сантиметров, скорость течения — 2,5 метра в секунду, указывалась и потребная мощность установки. Я решил не подгонять под эти данные параметры ранее разработанных установок, а создать для пограничников новую станцию.

Надо придумать такую установку, которую просто изготовить на месте. Генератор пусть будет на 1500 оборотов в секунду. Прикинул — оказывается, течение не сможет обеспечить необходимую скорость вращения турбины. Наиболее разумный выход — поставить на вал несколько турбин. Если уменьшить размер турбин вдвое, то и скорость вращения возрастет вдвое. Но тогда под тот же расход воды и ту же площадь сечения струи нужно, по расчету, четыре турбины. Соединим их попарно. Но как к ним подвести и от них отвести воду?

Не удивляйтесь этому вопросу: удачно отвести воду от рабочего колеса турбины не менее важно, чем с минимальными потерями энергии подать ее на турбину! Для отвода отработанной воды в гидроэнергетике еще с начала века пользуются отсасывающими трубами. Такая труба примыкает прямо к камере, в которой вращается рабочее место. Отсасывающие трубы делают расширяющимися, чтобы ускорить отвод воды и уменьшить давление здесь, за турбиной. Мощность турбины возрастает, если под ней будет некоторое разрежение. Но малейший отрыв потока воды от стенок отсасывающей трубы — и все идет насмарку: возникают воздушные мешки, мощность падает. Вот какое деликатное и тонкое дело — отвод воды от рабочего колеса турбин. Тем более это важно при малых напорах воды, когда малейшее расхищение мощности становится относительно очень чувствительной утратой.

Задачу эту я в конце концов решил. В рассказе о создании торцовых гирляндных установок может быть поставлена точка. Впрочем, мы незаметно уже сделали один шаг, а сейчас должны сделать другой — в сторону от поперечных и продольных гирляндных установок к другим работам.

Технических подробностей было уже немало на предыдущих страницах. Встретятся они и в дальнейшем. Но сейчас, припомнив еще один эпизод из моей творческой жизни, хочется подвести читателя к одному наблюдению.

Но прежде — еще несколько слов о гидросиловых установках!

Любой из нас питает большое почтение к гигантским гидростанциям, сооружаемым на самых многоводных реках страны. Это уважение воспитывается с детства:

Человек сказал Днепру:

«Я стеной тебя запру.

Ты с плотины будешь прыгать.

Ты машины будешь двигать»

Непосвященному в тайны гидроэнергетики работа таких ГЭС представляется чем-то абсолютно устойчивым, как и само течение реки, — вечное движение, да и только! А ведь мощность гидроэлектростанций в периоды половодья резко падает. Дело в том, что в это время уровень речки ниже плотины поднимается, потому что энергетикам приходится сбрасывать через плотину излишек воды. При этом сбрасываемые воды превышают рабочие расходы в пять, а порой и в десять раз. Значит, разница уровней верхнего и нижнего бьефов, то есть уровней воды выше и ниже плотины по течению реки, становится меньше, напор в турбинах снижается, мощность станции падает. Увеличивать установкой дополнительных агрегатов мощность ГЭС, чтобы воспользоваться добавкой в период сброса паводковой воды, нерационально. Современные турбины стоят слишком дорого, чтобы позволить себе роскошь ставить ряд агрегатов, которые будут работать только один-два месяца в году, а остальное время стоять.

И вспомнился мне мой малюсенький турбиносочлененный микроагрегат, спроектированный для пограничников. В нем турбины работают попарно. То есть в принципе на один генератор можно заставить работать любое число турбин. С уменьшением диаметра турбин вес их будет снижаться: метровая турбина будет весить в тысячу раз меньше, чем турбина диаметром в 10 метров. Если посадить на вал 100 таких турбин, их вес будет вдесятеро меньший, чем у турбины-гиганта. Зато и вращаться они будут раз в 10 быстрее.

Можно поставить параллельно три ряда турбин. Ну, а чем больше скорость вращения генератора, тем его коэффициент полезного действия выше.

Так родилась схема сверхскоростных гидроагрегатов. Чтобы разработать конструкцию в деталях, выезжаю в командировку на Волжскую ГЭС имели XXII съезда КПСС — иду, так сказать, в разведку. Присматриваюсь. Водосливная часть плотины ГЭС оказалась совсем не такой, как было представлено на моих обобщенных схемах… Прежде всего она очень широка: над плотиной проходили крановые пути, железная дорога, пешеходные тротуары и широкое асфальтированное шоссе в город Волжский. Поперечными устоями-быками плотина разделена на двадцатиметровые пролеты. Шел сброс воды, краны подняли большинство щитов, закрывающих пролеты, и по наклонным днищам в каждом пролете с ревом проносился поток воды сечением около ста квадратных метров! Как к нему подступиться?..

Однако окончательная компоновка быстроходных турбинных агрегатов и устройств, подводящих к ним воду, была уже относительно несложной задачей. А вычерчивание отдельных узлов всей конструкции и необходимые расчеты — обычное дело.

Можно погрузиться в подробности, рассказать, как все получилось, но это была бы техническая записка и неинтересное чтение для неспециалистов! Зато мне хочется обратить внимание вот на что: окинув взглядом труды одного периода времени, подмечаешь, что многие из них связаны друг с другом родственными отношениями и более поздние часто вырастают из зернышка, упавшего от тех, которые созрели раньше. Думается, это не случайно. Детища изобретателя, даже получив путевку в жизнь, продолжают жить в породившей их голове, донашиваться в мышлении. А это значит, что где-то в сознании изобретателя хранятся заготовки для дополнительной работы мысли. Часто они лежат в запасниках подолгу. Но они там, в хранилищах памяти, и мысль изобретателя всегда начеку, всегда готова мобилизовать свои ресурсы.

Ни об одном изобретении нельзя рассказать так, чтобы можно было поставить последнюю точку и заявить, что продолжения не будет. Ведь это означало бы, что какое-то творение было безукоризненно совершенным.

А бывает ли такое?

Даже в ту пору, когда люди еще верили в бога, считали его творцом мира и всего сущего, работу всемогущего творца частенько поругивали… И поделом, я думаю!

Потому что человек всегда должен был и будет впредь изобретать то одно, то другое, чтобы силой взять у природы все, что она держит взаперти: энергию, новые материалы, новые источники существования.

Если рассказ, например, о торцовых турбинах от детской ванночки в московской квартире увел нас далеко — до маленького островка на границе страны, — то и в этом скрыт некий смысл.

Иногда полезно отметить мысленно все пути скитаний и приключений изобретательской мысли. То одно время, одно место возникает в памяти, то другое. Это как бы вехи, мемориальные доски, прикрепленные в памяти к важнейшим моментам творческого процесса.