plik


Historia pierwszej amerykaDskiej turbiny wiatrowej ( Urzdzenia dla energetyki  8/2009) Gdy amerykaDski in|ynier Palmer Putnam, w roku 1934, wybudowaB letni dom na wysokim wzgrzu przyldka dorszowego (Cape Cod) w stanie Massachusetts, szybko odkryB, |e rachunki za elektryczno[ s bardzo wysokie, a wiejce wiatry s bardzo silne. Skojarzenie tych dwch faktw spowodowaBo zrodzenie si koncepcji budowy turbiny wiatrowej produkujcej prd przemienny, ktra mogBaby wspBpracowa z lokaln sieci elektroenergetyczn. Nadmiar energii elektrycznej mgBby by oddawany do sieci, a w przypadku braku wiatru energia mogBaby by pobierana z sieci. Putman doszedB do wniosku, |e aby inwestycja byBa opBacalna dla obydwu stron elektrownia wiatrowa powinna mie powy|ej jednego megawata mocy. W ten sposb omawiana turbina staBa si prekursorem obecnych wielkich turbin powietrznych wspBpracujcych z sieci. Koncepcja i projekt Koncepcj i projekt nowej turbiny poprzedziBy studia istniejcego stanu zagadnienia w zakresie turbin powietrznych, jaki byB dostpny po pierwszej wojnie [wiatowej w Ameryce i w Europie. W wyniku badaD przyjto koncepcj budowy turbiny szybkoobrotowej o dwch Bopatach, ustawionej tyBem do wiatru (downwind). Ponadto postanowiono, |e wyj[cie generatora elektrycznego powinno wspBpracowa bezpo[rednio z lokaln sieci elektryczn, umo|liwiajc zmniejszenie mocy oddawanej hydroelektrowni oraz generatorw napdzanych par, gdy pracuje turbina powietrzna. Poniewa| moc turbiny ro[nie proporcjonalnie do trzeciej potgi prdko[ci wiatru, a prdko[ wiatru wzrasta wraz z wysoko[ci, uznano, |e idealnym miejscem dla budowy turbiny powietrznej jest szczyt gry z aerodynamicznym profilem, ktry zwiksza prdko[ wiatru ponad szczytem. Projekt budowy turbiny poparty w 1937 roku miejscowe wBadze korporacji u|yteczno[ci publicznej (CVPS - Central Vermont Public Service Corporation). PozostaBo, wic jedynie szuka zainteresowanych inwestorw i wykonawcw. Jednym z nich byt wBa[ciciel korporacji zajmujcej si budow pomp turbinowych oraz turbin hydraulicznych Morgan Smith. ZgodziB si on wczesn jesieni 1939 roku na udziaB w projektowaniu i budowie turbiny oraz na finansowanie jej badaD. Od tego czasu turbin zaczto nazywa turbin Smitha-Putnama. Wkrtce projekt turbiny zostaB ukoDczony (rys.1). Projekt obejmowaB: wirnik o [rednicy 53,3 metra, skBadajcy si z dwch Bopat wykonanych ze stali nierdzewnej, ka|da o dBugo[ci 20 metrw i szeroko[ci 3,4 metra. Aopaty, ktre wa|yBy po 7,3 tony, byBy mocowane do mechanizmu osiowego turbiny na wysoko[ci 36,6 metra nad poziomem gruntu. Generator firmy General Electric byB maszyn synchroniczn o mocy 1,250 MVA, pracujc przy napiciu znamionowym 2400 V i obrotach znamionowych 600 obrotw na minut. Stalowa kratownica wie|y ustawiona na szczycie wzgrza, wznosiBa si na 33,5 metra nad poziomem gruntu. Mechanizm turbiny i zwizane z ni wyposa|enie umieszczone byBy w skrzyni o dBugo[ci 12,2 metra oraz szeroko[ci 2,4 metra. Skrzynia byBa sztywno zwizana z dwoma Bo|yskami umieszczonymi na pionowej osi. Umo|liwiaBo to ustawianie si turbiny tyBem do kierunku wiatru. Regulacj mocy wyj[ciowej turbiny uzyskiwano za pomoc hydraulicznego nastawienia ktowego Bopat powizanego z regulatorem prdko[ci obrotowej turbiny. Po przeprowadzeniu badaD wstpnych turbin postanowiono ustawi na wzgrzu, o aerodynamicznym ksztaBcie opBywowym, w miejscowo[ci Vermont. Wzgrze miaBo wysoko[ 610 metrw. ByBa to wysoko[ wystarczajca dla uzyskania du|ych szybko[ci wiatrw, a jednocze[nie pozwalajca na uniknicie szkodliwego zimowego oblodzenia Bopat. Konstrukcja Wybuch drugiej wojny [wiatowej, we wrze[niu 1939 roku w Europie oraz zagro|enie wojn na Pacyfiku miaBy istotny wpByw na dalsz realizacj projektu turbiny. Wielu przewidywaBo prawidBowo, |e Stany Zjednoczone zostan wcignite w wojn i |e zapasy materiaBowe dla innych celw ni| militarne stan si wkrtce deficytowe. W rezultacie niektre decyzje dotyczce konstrukcji turbiny byBy podejmowane pospiesznie, bez przeprowadzenia dostatecznych studiw i badaD, co groziBo prawdopodobieDstwem pojawienia si wad konstrukcyjnych. PozwoliBo to jednak na zakoDczenie budowy turbiny wiatrowej dopki dostpne byBy jeszcze materiaBy i mo|liwo[ci przetwrcze. Wkalkulowane ryzyko przyczyniBo si jednak do powstania niektrych problemw mechanicznych i strukturalnych w czasie badaD, a| do oberwania si jednej z Bopat turbiny w 1945 roku, co zakoDczyBo prowadzony program badawczy. Przeszkody w budowie turbiny powstawaBy z r|nych przyczyn zwizanych z wczesn sytuacj polityczn. Kompania Smitha dostawaBa coraz wicej zleceD od rzdu federalnego na budow urzdzeD dla wojska i musiaBa zleca wykonanie niektrych podzespoBw turbiny innym przedsibiorstwom (outsource). Firma Wellman Engineering Company, projektant i wytwrca sprztu grniczego, wziBa udziaB w budowie podzespoBw mocujcych Bopaty wirnika, osi turbiny oraz szczytu wie|y. Kompania budowy mostw American Bridge Company wykonywaBa prace zwizane z konstrukcj i wznoszeniem wie|y. Kompania budowy konstrukcji stalowych wagonw kolejowych Budd Company wykonaBa ze stali nierdzewnej o|ebrowanie Bopat oraz pokryBa je nierdzewn blach stalow (rys.2). Tak przygotowane Bopaty wysyBane byBy do firmy Wellman, ktra mocowaBa je wstpnie do osi wirnika i wykonywaBa pozostaBe podzespoBy mechanizmu wirujcego (rys.3). Po zmontowaniu i wywa|eniu wirnika zostaB on wysBany do Vermont na miejsce budowy. Wznoszenie wie|y turbiny na szczycie wzgrza poprzedzone byBo konieczno[ci wykonania 3,5 kilometra drogi dojazdowej prowadzcej na szczyt wzgrza. Drog wybudowano pospiesznie w cigu sze[ciu tygodni. ByBa ona dosy stroma, w niektrych miejscach jej nachylenie dochodziBo do 15%. W czasie projektowania omawianej turbiny powietrznej stosunkowo maBo byBo informacji dotyczcych zachowania si wiatru w terenach grzystych. W latach 1940-1945 przeprowadzono obszerne badania zale|no[ci szybko[ci i prze- pBywu wiatrw od wysoko[ci wzgrz oraz ich profili geometrycznych. Rejestrujce anemometry i inne przyrzdy meteorologiczne zainstalowano i monitorowano w 20 miejscach, w tym 16 w grach Vermontu, jeden w New Hampshire oraz trzy w Massachusetts. Wzmocniona linami specjalna wie|a meteorologiczna o wysoko[ci 56,4 metra zostaBa zainstalowana na wzgrzu, na ktrym powstawaBa konstrukcja turbiny, aby rejestrowa wiatr i warunki meteorologiczne dokBadnie w miejscu budowy. Ogromna ilo[ zebranych i przeanalizowanych danych przyczyniBa si znacznie do zwikszenia wiedzy na temat zachowania si wiatru w terenach grzystych. Cztery fundamenty betonowe, o gBboko[ci 7 metrw, pod budow wie|y poBo|ono jesieni 1940 roku. Kratownic wie|y wykonano w dwa miesice pzniej. Prace kontynuowano w zimie 1940-1941 roku przy temperaturze spadajcej do -28C oraz prdko[ci wiatru dochodzcej do 97 kilometrw na godzin. Warunki zimowe wykorzystano maksymalnie do przetransportowania na szczyt wzgrza ci|kich elemen- tw, aby unikn wiosennych roztopw na drogach. Wciganie elementw na szczyt odbywaBo si przy po- mocy samochodw ci|arowych cigncych przyczepy, popychane z tyBu przez buldo|ery (w miar potrzeby). Jeden z incydentw, ktry opzniB budow, wydarzyB si w czasie lodowatego wiatru na ostrym zakrcie drogi, okoBo 300 metrw poni|ej szczytu. Liny mocujce na przyczepie skrzyni, o wadze 39 ton, zawierajc mechanizm turbiny oraz zwizane z ni wyposa|enie, pu[ciBy i zaczBa si ona stacza po zboczu gry, a| do rowu kolejnej serpentyny drogi. Na szcz[cie skrzyni nic si nie staBo i po trzech tygodniach, po ponownym olinowaniu i umieszczeniu na przyczepie, skrzynia byBa gotowa do dalszego transportu na szczyt gry. Pierwsza Bopata turbiny rozpoczBa swoj podr| na szczyt gry w sierpniu 1941 roku (rys.4). Po jej zamontowaniu do osi turbiny obrcono j o 180, pionowo do gry, aby umo|liwi zamontowanie drugiej Bopaty. Po zmontowaniu caBej turbiny (rys. 5) rozpoczBy si jej badania. Testowanie i dziaBanie Po sprawdzeniu cz[ci mechanicznych turbiny zdecydowano si na jej uruchomienie bez obci|enia. Startujc od bardzo maBej prdko[ci obrotowej stopniowo zmieniano kt wychylenia Bopat, zwikszajc w ten sposb prdko[ obrotow. Po kilku tygodniach prb turbina wirowaBa ze znamionow prdko[ci obrotow 28,7 obrotw na minut, ale bez obci|enia. Pierwszy raz energia elektryczna wytworzona przez turbin zostaBa oddana do lokalnej sieci elektrycznej, prowadzonej przez miejscowe wBadze u|yteczno[ci publicznej (CVPS - Central Vermont Public Service Corporation), w pazdzierniku 1941 roku. Po 20 minutach pracy turbiny na biegu jaBowym, przy prdko[ci wiatru pBnocnego wynoszcej 40 kilometrw na godzin, dokonano synchronizacji turbiny z sieci. Turbina pracowaBa okoBo dwch godzin i w tym czasie zwikszano jej obci|enie do 700 kW. Operacja przebiegBa Bagodnie, nie napotkano wikszych trudno[ci. W cigu kilku nastpnych tygodni wprowadzono drobne poprawki oraz usunito niektre dostrze|one bBdy monta|owe. Przez nastpne 16 miesicy turbina przepracowaBa okoBo 1000 godzin, przy prdko[ci wiatru dochodzcej do 113 kilometrw na godzin oraz przetrzymaBa wichur o prdko[ci wiatru 185 kilometrw na godzin (w stanie wyBczonym). GBwny waB turbiny ulegB uszkodzeniu mechanicznym w lutym 1943 roku i dziaBanie turbiny zostaBo wstrzymane, a| do czasu wykonania i zamontowania nowego waBu. Ze wzgldu na wojenne ograniczenia w dostpie do materiaBw oraz mo|liwo[ci przetwrczych trwaBo to do pocztku roku 1945. Po uruchomieniu turbiny bez |adnych zakBceD przepracowaBa ona 143 godziny, w cigu trzech tygodni, przy [rednim obci|eniu wynoszcym 432 KW. W czasie jednej z nocy marcowych 1945 roku prdko[ wiatru przed pBnoc wynosiBa 8 kilometrw na godzin i byBa zbyt maBa do uruchomie- nia turbiny. Wiatr poBudniowo - zachodni stopniowo narastaB i ustaliB si przy warto[ci 40 kilometrw na godzin. PeBnicy wwczas dy|ur Harold Perry okoBo godziny drugiej w nocy uruchomiB turbin i zsynchronizowaB j z sieci. OkoBo godziny trzeciej przebywaB w kabinie turbiny na szczycie wie|y. Od panelu sterujcego oddzielony byB wirujcym 61 centymetrowym waBem turbiny. Nagle zostaB rzucony na [cian przez silny wstrzs kabiny. Po dwch kolejnych wstrzsach H. Perry zdoBaB przedosta si ponad waBem do panelu sterujcego, wyBczyB sterowanie automatyczne oraz sterujc rcznie ustawieniem Bopat spowodowaB zatrzymanie si turbiny. W trakcie pzniejszych badaD okazaBo si, |e jedna z dwch Bopat turbiny oderwaBa si od osi, poszybowaBa w powietrzu okoBo 300 metrw i wyldowaBa 220 metrw poni|ej szczytu. Szybka akcja, Perry'ego zapobiegBa dalszym powa|nym uszkodzeniom turbiny. Obliczono nastpnie, |e oderwanie si turbiny nastpiBo w pozycji Bopaty odpowiadajcej 7-mej godzinie, a o[ turbiny wykonaBa jeszcze trzy obroty z peBn szybko[ci, nastpnie w czasie czterech obrotw zwolniBa caBkowicie i zatrzymaBa si. Katastrofa turbiny nastpiBa w kilka tygodni po naprawie wirnika. Pierwsze pknicia na powierzchni Bopat oraz na elementach mocujcych Bopaty odkryto ju| na pocztku maja 1940 roku zaledwie po 360 godzinach pracy turbiny. Przeprowadzona wwczas inspekcja wykazaBa, |e o|ebrowanie oraz mocowania Bopat wykazywaBo pknicia dochodzce do 90% powierzchni przekroju. W rezultacie siBy od[rodkowe i napr|enia w wirniku koncentrowaBy si na maBej cz[ przekroju materiaBu. Prawdopodobnie osBabienia mogByby by wykryte wcze[niej, przeanalizowane i przetestowane, gdyby byB wwczas czas wystarczajcy na badania wstpne turbiny. Naprawy w miejscu mocowania Bopat przeprowadzono w 1942 roku, ale powstaBa obawa, |e napr|enia w mocowaniu Bopat s znacznie wiksze ni| wcze[niej obliczano. Po awarii w marcu 1945 roku sdzono optymistycznie, |e naprawa bdzie mogBa by dokonana stosunkowo szybko. Jednak|e wojenny deficyt materiaBw oraz mocy przerobowych stanowiB powa|ny problem. Rwnie| koszty produkcji energii elektrycznej metodami konwencjonalnym obni|yBy si w czasie wojny znacznie kosztw produkcji energii elektrycznej otrzymywanej za pomoc omawianej elektrowni wiatrowej. Epilog Po dBugich wahaniach, w listopadzie 1945, kompania Morgana Smitha postanowiBa zaprzesta inwestowania w turbin Smitha-Putnama i udostpni wszystkie zwizane z ni patenty do u|ytku publicznego. Turbina Smitha-Putnama zostaBa zdemontowana i usunita ze wzgrza w poBowie 1946 roku. Wszystko, co pozostaBo na miejscu to 4 betonowe fundamenty pod wie| oraz pByta stalowa, na ktrej wyryto nazwiska pracownikw uczestniczcych w budowie turbiny. (wb) (Sulzberger C: A bold effort in Vermont. The 1941 Smith-Putnam wind turbinw. IEEE Power&Energy Magazine 2009 November/December)

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
historia pierwszy ssb w polsce
TURBINA WIATROWA LINIOWA IMPULSOWA
Małe turbiny wiatrowe Co na to don Kichot
Budowa turbiny wiatrowej o średnicy 10 3
Budowa turbiny wiatrowej o średnicy 10 2
Lab4 Energia wiatru badania eksperymentalne turbiny wiatrowej
LS 5 Łopatka turbiny wiatrowej
Budowa turbiny wiatrowej o średnicy 10 1
turbina wiatrowa
turbiny wiatrowe katalog
Opis Krety Stabo jeden z pierwszych dokumentów historyczno geograficznych
historia stanow zjednoczonych ameryki

więcej podobnych podstron