Работы состояли из комплекса теоретических и экспериментальных исследований и изучения оборудования. Особое значение придавалось работе ветродвигателя с синхронным генератором в энергосистеме, что, по-видимому, было первой в США разработкой по применению ВЭУ мощностью несколько мегаватт.
Усилия лаборатории Sandia были направлены на разработку и изготовление ветродвигателя диаметром 17 м (рис. 1). Его размеры были выбраны с учетом опыта разработки ряда конструкций диаметром 5 м, с тем чтобы элемент случайности при соответствующей экстраполяции этих данных был небольшим. Ротор снабжен тремя лопастями с профилем NACA 0012, каждая лопасть поддерживается двумя подкосами, закрепленными на вращающемся валу. Конструкция мачты позволяет использовать также двухлопастный ротор. Установка подкосов считается необходимой для того, чтобы частота собственных колебаний лопасти была выше частоты, характерной для исходной конструкции, равной 4,5 Гц. Конструкция может работать и без подкосов: в тех случаях, когда проблема вибрации не играет существенной роли. Для одновременного выполнения требований по жесткости и габаритам вращающийся вал выполняется трубчатым, наружный диаметр 0,508 м, толщина стенок 2,54 см. Поэтому при заданной жесткости он имеет меньший диаметр.
Рис. 1. Схематическое изображение ветродвигателя Дарье диаметром 17 м, разработанного лабораторией ERDA-Sandia.
Рис. 2. Конструкция лопасти, разработанная фирмой Kaman.
Лопасти изготовлены фирмой Kaman (рис. 2). Носовая часть выполнена из прессованного алюминия марки D, а хвостовая — из бумажных сот с алюминиевой планкой на задней кромке и стеклопластиковым покрытием. Хорда лопасти 0,533 м, центр массы поперечного сечения находится перед характерной точкой, расположенной от носика профиля на 25 % его хорды, на расстоянии до 3 °/о ее длины, а центр крутки поперечного сечения — за этой точкой на расстоянии до 3 % длины хорды. Расположение центров масс и крутки выбрано с учетом уменьшения возможной зависимости между изгибными и крутильными движениями лопасти. Лопасть должна работать без остаточных деформаций до частоты вращения 75 об/мин при скорости ветра около 27 м/с и выдерживать в остановленном состоянии ветровую нагрузку при скорости ветра до 54 м/с.
Основными узлами двигателя являются опорное устройство ротора, система передачи мощности (включая редуктор, синхронный генератор и индуктивное пусковое устройство), тормозная система. Привод с валами, расположенными под прямым углом, позволяет устанавливать генераторно-пусковую систему по горизонтальной оси. Этот вариант, который более сложен и менее эффективен, чем непосредственный привод, имеет важные преимущества при ее использовании для двигателей такого типа. Например, благодаря доступности горизонтально расположенных элементов они легко могут перемещаться или заменяться, а наличие двух осей облегчает выполнение требований по компактности (во избежание излишней высоты опоры). Это упрощает любые модификации системы передач после ее установки. Эти преимущества менее значимы для рабочих машин, и тогда установки будут, очевидно, выполняться с вертикальной системой передач.
Используется планетарный редуктор промышленного типа (с передаточным числом 42,9). Частота вращения генератора. 1800 об/мин соответствует частоте вращения ротора около 42 об/мин. Использование переменного передаточного отношения, осуществляемого с помощью цепной передачи со стандартными цепными колесами с числом зубьев 24, 26, 30 и 34, позволяет увеличить число часов работы ветродвигателя. При соответствующих комбинациях колес могут быть получены 11 значений частоты вращения ротора (от 24,6 до 52,5 об/мин).
Трехфазный синхронный генератор (60 кВт, 60 Гц, 227/480 В) используется также в качестве пускового двигателя. В случае применения пусковой системы такого типа в нее включают асинхронный пусковой двигатель. Гидравлическая тормозная система используется для аварийного торможения при выпадении из синхронизма. Расчетная характеристика зависимости мощности от скорости ветра двигателя приведена на рис. 3. Скорость ветра соответствует высоте 3,66 м.
Рис. 3. Расчетная зависимость мощности Р от скорости ветра Vдля ветродвигателя Дарье диаметром 17 м.
Расчетная частота вращения ротора 45,4, минимальная 29,6 об/мин, максимальная развиваемая мощность 70 кВт. С учетом потерь в системах ветродвигателя мощность, отдаваемая генератором, составляет примерно 60 кВт.
Основные данные ветродвигателя Дарье приведены ниже.
Диаметр, м.................. 17
Число лопастей................. 1,2 или 3
Профиль лопасти. ... .......... NACA 0012
Форма лопасти .... .......... . Прямая—дуга—прямая
Длина хорды, м............... 0,533
Площадь, ометаемая ротором, м2........ 180
Мощность ветродвигателя, кВт......... 70
Мощность генератора, кВт.......... 60
Частота вращения:
генератора, об/мин............ 1800
ротора при установленной мощности, об/мин . 45,4
Скорости ветра, м/с:
расчетная................. 14,3
минимальная рабочая............ 4,5
максимальная рабочая ........... 26,8
Материалы этой главы основаны на отчетах Лаборатории Sandia , фирмы Grumman Aerospace Corporation , Нью-Йоркского политехнического института, Университета г. Дейтона, Университета штата Западная Виргиния.
