Historia pierwszej amerykańskiej turbiny wiatrowej

(„Urządzenia dla energetyki” – 8/2009)

Gdy amerykański inżynier Palmer Putnam, w roku 1934, wybudował letni dom na wysokim wzgórzu
przylądka dorszowego (Cape Cod) w stanie Massachusetts, szybko odkrył, że rachunki za elektryczność są
bardzo wysokie, a wiejące wiatry są bardzo silne. Skojarzenie tych dwóch faktów spowodowało zrodzenie
się koncepcji budowy turbiny wiatrowej produkującej prąd przemienny, która mogłaby współpracować z
lokalną siecią elektroenergetyczną. Nadmiar energii elektrycznej mógłby być oddawany do sieci, a w
przypadku braku wiatru energia mogłaby być pobierana z sieci. Putman doszedł do wniosku, że aby
inwestycja była opłacalna dla obydwu stron elektrownia wiatrowa powinna mieć powyżej jednego
megawata mocy. W ten sposób omawiana turbina stała się prekursorem obecnych wielkich turbin
powietrznych współpracujących z siecią.

Koncepcja i projekt

Koncepcję i projekt nowej turbiny poprzedziły studia istniejącego stanu zagadnienia w zakresie turbin
powietrznych, jaki był dostępny po pierwszej wojnie światowej w Ameryce i w Europie. W wyniku badań
przyjęto koncepcję budowy turbiny szybkoobrotowej o dwóch łopatach, ustawionej tyłem do wiatru
(downwind). Ponadto postanowiono, że wyjście generatora elektrycznego powinno współpracować
bezpośrednio z lokalną siecią elektryczną, umożliwiając zmniejszenie mocy oddawanej hydroelektrowni
oraz generatorów napędzanych parą, gdy pracuje turbina powietrzna.

Ponieważ moc turbiny rośnie proporcjonalnie do trzeciej potęgi prędkości wiatru, a prędkość wiatru wzrasta
wraz z wysokością, uznano, że idealnym miejscem dla budowy turbiny powietrznej jest szczyt góry z
aerodynamicznym profilem, który zwiększa prędkość wiatru ponad szczytem. Projekt budowy turbiny
poparty w 1937 roku miejscowe władze korporacji użyteczności publicznej (CVPS - Central Vermont Public
Service Corporation). Pozostało, więc jedynie szukać zainteresowanych inwestorów i wykonawców.

Jednym z nich byt właściciel korporacji zajmującej się budową pomp turbinowych oraz turbin
hydraulicznych Morgan Smith. Zgodził się on wczesną jesienią 1939 roku na udział w projektowaniu i
budowie turbiny oraz na finansowanie jej badań. Od tego czasu turbinę zaczęto nazywać turbiną
Smitha-Putnama. Wkrótce projekt turbiny został ukończony (rys.1). Projekt obejmował: wirnik o średnicy
53,3 metra, składający się z dwóch łopat wykonanych ze stali nierdzewnej, każda o długości 20 metrów i
szerokości 3,4 metra. Łopaty, które ważyły po 7,3 tony, były mocowane do mechanizmu osiowego turbiny
na wysokości 36,6 metra nad poziomem gruntu. Generator firmy General Electric był maszyną
synchroniczną o mocy 1,250 MVA, pracującą przy napięciu znamionowym 2400 V i obrotach
znamionowych 600 obrotów na minutę. Stalowa kratownica wieży ustawiona na szczycie wzgórza, wznosiła
się na 33,5 metra nad poziomem gruntu. Mechanizm turbiny i związane z nią wyposażenie umieszczone
były w skrzyni o długości 12,2 metra oraz szerokości 2,4 metra. Skrzynia była sztywno związana z dwoma
łożyskami umieszczonymi na pionowej osi. Umożliwiało to ustawianie się turbiny tyłem do kierunku wiatru.
Regulację mocy wyjściowej turbiny uzyskiwano za pomocą hydraulicznego nastawienia kątowego łopat
powiązanego z regulatorem prędkości obrotowej turbiny. Po przeprowadzeniu badań wstępnych turbinę
postanowiono ustawić na wzgórzu, o aerodynamicznym kształcie opływowym, w miejscowości Vermont.
Wzgórze miało wysokość 610 metrów. Była to wysokość wystarczająca dla uzyskania dużych szybkości
wiatrów, a jednocześnie pozwalająca na uniknięcie szkodliwego zimowego oblodzenia łopat.

Konstrukcja

Wybuch drugiej wojny światowej, we wrześniu 1939 roku w Europie oraz zagrożenie wojną na Pacyfiku
miały istotny wpływ na dalszą realizację projektu turbiny. Wielu przewidywało prawidłowo, że Stany
Zjednoczone zostaną wciągnięte w wojnę i że zapasy materiałowe dla innych celów niż militarne staną się
wkrótce deficytowe. W rezultacie niektóre decyzje dotyczące konstrukcji turbiny były podejmowane
pospiesznie, bez przeprowadzenia dostatecznych studiów i badań, co groziło prawdopodobieństwem
pojawienia się wad konstrukcyjnych. Pozwoliło to jednak na zakończenie budowy turbiny wiatrowej dopóki
dostępne były jeszcze materiały i możliwości przetwórcze. Wkalkulowane ryzyko przyczyniło się jednak do
powstania niektórych problemów mechanicznych i strukturalnych w czasie badań, aż do oberwania się
jednej z łopat turbiny w 1945 roku, co zakończyło prowadzony program badawczy. Przeszkody w budowie
turbiny powstawały z różnych przyczyn związanych z ówczesną sytuacją polityczną. Kompania Smitha
dostawała coraz więcej zleceń od rządu federalnego na budowę urządzeń dla wojska i musiała zlecać
wykonanie niektórych podzespołów turbiny innym przedsiębiorstwom (outsource). Firma Wellman
Engineering Company, projektant i wytwórca sprzętu górniczego, wzięła udział w budowie podzespołów
mocujących łopaty wirnika, osi turbiny oraz szczytu wieży. Kompania budowy mostów American Bridge
Company wykonywała prace związane z konstrukcją i wznoszeniem wieży. Kompania budowy konstrukcji
stalowych wagonów kolejowych Budd Company wykonała ze stali nierdzewnej ożebrowanie łopat oraz
pokryła je nierdzewną blachą stalową (rys.2). Tak przygotowane łopaty wysyłane były do firmy Wellman,
która mocowała je wstępnie do osi wirnika i wykonywała pozostałe podzespoły mechanizmu wirującego
(rys.3). Po zmontowaniu i wyważeniu wirnika został on wysłany do Vermont na miejsce budowy.
Wznoszenie wieży turbiny na szczycie wzgórza poprzedzone było koniecznością wykonania 3,5 kilometra
drogi dojazdowej prowadzącej na szczyt wzgórza. Drogę wybudowano pospiesznie w ciągu sześciu tygodni.
Była ona dosyć stroma, w niektórych miejscach jej nachylenie dochodziło do 15%. W czasie projektowania
omawianej turbiny powietrznej stosunkowo mało było informacji dotyczących zachowania się wiatru w
terenach górzystych. W latach 1940-1945 przeprowadzono obszerne badania zależności szybkości i prze-
pływu wiatrów od wysokości wzgórz oraz ich profili geometrycznych. Rejestrujące anemometry i inne
przyrządy meteorologiczne zainstalowano i monitorowano w 20 miejscach, w tym 16 w górach Vermontu,
jeden w New Hampshire oraz trzy w Massachusetts. Wzmocniona linami specjalna wieża meteorologiczna o
wysokości 56,4 metra została zainstalowana na wzgórzu, na którym powstawała konstrukcja turbiny, aby
rejestrować wiatr i warunki meteorologiczne dokładnie w miejscu budowy. Ogromna ilość zebranych i
przeanalizowanych danych przyczyniła się znacznie do zwiększenia wiedzy na temat zachowania się wiatru
w terenach górzystych. Cztery fundamenty betonowe, o głębokości 7 metrów, pod budowę wieży położono
jesienią 1940 roku.

Kratownicę wieży wykonano w dwa miesiące później. Prace kontynuowano w zimie 1940-1941 roku przy
temperaturze spadającej do -28°C oraz prędkości wiatru dochodzącej do 97 kilometrów na godzinę.
Warunki zimowe wykorzystano maksymalnie do przetransportowania na szczyt wzgórza ciężkich elemen-
tów, aby uniknąć wiosennych roztopów na drogach. Wciąganie elementów na szczyt odbywało się przy po-
mocy samochodów ciężarowych ciągnących przyczepy, popychane z tyłu przez buldożery (w miarę
potrzeby). Jeden z incydentów, który opóźnił budowę, wydarzył się w czasie lodowatego wiatru na ostrym
zakręcie drogi, około 300 metrów poniżej szczytu. Liny mocujące na przyczepie skrzynię, o wadze 39 ton,
zawierającą mechanizm turbiny oraz związane z nią wyposażenie, puściły i zaczęła się ona staczać po
zboczu góry, aż do rowu kolejnej serpentyny drogi. Na szczęście skrzyni nic się nie stało i po trzech
tygodniach, po ponownym olinowaniu i umieszczeniu na przyczepie, skrzynia była gotowa do dalszego
transportu na szczyt góry. Pierwsza łopata turbiny rozpoczęła swoją podróż na szczyt góry w sierpniu 1941
roku (rys.4).

Po jej zamontowaniu do osi turbiny obrócono ją o 180°, pionowo do góry, aby umożliwić zamontowanie
drugiej łopaty. Po zmontowaniu całej turbiny (rys. 5) rozpoczęły się jej badania.

Testowanie i działanie

Po sprawdzeniu części mechanicznych turbiny zdecydowano się na jej uruchomienie bez obciążenia.
Startując od bardzo małej prędkości obrotowej stopniowo zmieniano kąt wychylenia łopat, zwiększając w
ten sposób prędkość obrotową. Po kilku tygodniach prób turbina wirowała ze znamionową prędkością
obrotową 28,7 obrotów na minutę, ale bez obciążenia. Pierwszy raz energia elektryczna wytworzona przez
turbinę została oddana do lokalnej sieci elektrycznej, prowadzonej przez miejscowe władze użyteczności
publicznej (CVPS - Central Vermont Public Service Corporation), w październiku 1941 roku. Po 20
minutach pracy turbiny na biegu jałowym, przy prędkości wiatru północnego wynoszącej 40 kilometrów na
godzinę, dokonano synchronizacji turbiny z siecią. Turbina pracowała około dwóch godzin i w tym czasie
zwiększano jej obciążenie do 700 kW. Operacja przebiegła łagodnie, nie napotkano większych trudności. W
ciągu kilku następnych tygodni wprowadzono drobne poprawki oraz usunięto niektóre dostrzeżone błędy
montażowe. Przez następne 16 miesięcy turbina przepracowała około 1000 godzin, przy prędkości wiatru
dochodzącej do 113 kilometrów na godzinę oraz przetrzymała wichurę o prędkości wiatru 185 kilometrów
na godzinę (w stanie wyłączonym). Główny wał turbiny uległ uszkodzeniu mechanicznym w lutym 1943
roku i działanie turbiny zostało wstrzymane, aż do czasu wykonania i zamontowania nowego wału. Ze
względu na wojenne ograniczenia w dostępie do materiałów oraz możliwości przetwórczych trwało to do
początku roku 1945. Po uruchomieniu turbiny bez żadnych zakłóceń przepracowała ona 143 godziny, w
ciągu trzech tygodni, przy średnim obciążeniu wynoszącym 432 KW. W czasie jednej z nocy marcowych
1945 roku prędkość wiatru przed północą wynosiła 8 kilometrów na godzinę i była zbyt mała do uruchomie-
nia turbiny. Wiatr południowo - zachodni stopniowo narastał i ustalił się przy wartości 40 kilometrów na
godzinę. Pełniący wówczas dyżur Harold Perry około godziny drugiej w nocy uruchomił turbinę i
zsynchronizował ją z siecią. Około godziny trzeciej przebywał w kabinie turbiny na szczycie wieży. Od
panelu sterującego oddzielony był wirującym 61 centymetrowym wałem turbiny. Nagle został rzucony na
ś

cianę przez silny wstrząs kabiny. Po dwóch kolejnych wstrząsach H. Perry zdołał przedostać się ponad

wałem do panelu sterującego, wyłączył sterowanie automatyczne oraz sterując ręcznie ustawieniem łopat
spowodował zatrzymanie się turbiny. W trakcie późniejszych badań okazało się, że jedna z dwóch łopat
turbiny oderwała się od osi, poszybowała w powietrzu około 300 metrów i wylądowała 220 metrów poniżej
szczytu. Szybka akcja, Perry'ego zapobiegła dalszym poważnym uszkodzeniom turbiny. Obliczono
następnie, że oderwanie się turbiny nastąpiło w pozycji łopaty odpowiadającej 7-mej godzinie, a oś turbiny
wykonała jeszcze trzy obroty z pełną szybkością, następnie w czasie czterech obrotów zwolniła całkowicie i
zatrzymała się. Katastrofa turbiny nastąpiła w kilka tygodni po naprawie wirnika.

Pierwsze pęknięcia na powierzchni łopat oraz na elementach mocujących łopaty odkryto już na początku
maja 1940 roku zaledwie po 360 godzinach pracy turbiny. Przeprowadzona wówczas inspekcja wykazała, że
ożebrowanie oraz mocowania łopat wykazywało pęknięcia dochodzące do 90% powierzchni przekroju. W
rezultacie siły odśrodkowe i naprężenia w wirniku koncentrowały się na małej część przekroju materiału.
Prawdopodobnie osłabienia mogłyby być wykryte wcześniej, przeanalizowane i przetestowane, gdyby był
wówczas czas wystarczający na badania wstępne turbiny. Naprawy w miejscu mocowania łopat
przeprowadzono w 1942 roku, ale powstała obawa, że naprężenia w mocowaniu łopat są znacznie większe
niż wcześniej obliczano. Po awarii w marcu 1945 roku sądzono optymistycznie, że naprawa będzie mogła
być dokonana stosunkowo szybko. Jednakże wojenny deficyt materiałów oraz mocy przerobowych stanowił
poważny problem. Również koszty produkcji energii elektrycznej metodami konwencjonalnym obniżyły się
w czasie wojny znacznie kosztów produkcji energii elektrycznej otrzymywanej za pomocą omawianej
elektrowni wiatrowej.

Epilog

Po długich wahaniach, w listopadzie 1945, kompania Morgana Smitha postanowiła zaprzestać inwestowania
w turbinę Smitha-Putnama i udostępnić wszystkie związane z nią patenty do użytku publicznego. Turbina
Smitha-Putnama została zdemontowana i usunięta ze wzgórza w połowie 1946 roku. Wszystko, co pozostało
na miejscu to 4 betonowe fundamenty pod wieżę oraz płyta stalowa, na której wyryto nazwiska
pracowników uczestniczących w budowie turbiny.

(wb)

(Sulzberger C: A bold effort in Vermont. The 1941 Smith-Putnam wind turbinw. IEEE Power&Energy
Magazine 2009 November/December)