Saamgestelde materiale maak opgang in die konstruksie van toerusting vir die hidro-elektriese kragbedryf.'n Ondersoek na materiaalsterkte en ander kriteria toon baie meer toepassings, veral vir klein en mikro-eenhede.
Hierdie artikel is geëvalueer en geredigeer in ooreenstemming met resensies uitgevoer deur twee of meer professionele persone wat oor relevante kundigheid beskik.Hierdie portuurbeoordelaars beoordeel manuskripte vir tegniese akkuraatheid, bruikbaarheid en algehele belangrikheid binne die hidro-elektriese industrie.
Die opkoms van nuwe materiale bied opwindende geleenthede vir die hidro-elektriese industrie.Hout - wat in die oorspronklike waterwiele en penstokke gebruik is - is in die vroeë 1800's gedeeltelik deur staalkomponente verdring.Staal behou sy sterkte deur hoë moegheidslading en weerstaan kavitasie-erosie en korrosie.Die eienskappe daarvan word goed verstaan en die prosesse vir komponentvervaardiging is goed ontwikkel.Vir groot eenhede sal staal waarskynlik die materiaal van keuse bly.
Gegewe die opkoms van klein (onder 10 MW) tot mikrogrootte (onder 100 kW) turbines, kan samestellings egter gebruik word om gewig te bespaar en vervaardigingskoste en omgewingsimpak te verminder.Dit is veral relevant gegewe die voortdurende behoefte aan groei in elektrisiteitsvoorsiening.Die geïnstalleerde wêreld hidrokapasiteit, byna 800 000 MW volgens 'n 2009-studie deur Norwegian Renewable Energy Partners, is slegs 10% van die ekonomies haalbare en 6% van die tegnies haalbare hidrokrag.Die potensiaal om meer van die tegnies haalbare hidro in die gebied van ekonomies haalbare te bring, neem toe met die vermoë van saamgestelde komponente om skaalekonomie te verskaf.
Vervaardiging van saamgestelde komponente
Om die penstok ekonomies en met konstante hoë sterkte te vervaardig, is die beste metode filamentwikkeling.'n Groot deurn word toegedraai met veselstrenge wat deur 'n harsbad geloop is.Die toue word in hoepel- en heliese patrone toegedraai om krag te skep vir interne druk, longitudinale buiging en hantering.Die resultate-afdeling hieronder toon die koste en gewig per voet vir die twee penstokgroottes, gebaseer op 'n kwotasie van plaaslike verskaffers.Die kwotasie het getoon dat die ontwerpdikte gedryf is deur installasie- en hanteringsvereistes, eerder as die relatief lae druklading, en vir albei was dit 2,28 cm.
Twee vervaardigingsmetodes is oorweeg vir die paaltjiehekke en staafskoene;nat opleg en vakuum infusie.Nat opleg gebruik droë materiaal, wat geïmpregneer word deur hars oor die stof te gooi en rollers te gebruik om die hars in die stof te druk.Hierdie proses is nie so skoon soos vakuuminfusie nie en produseer nie altyd die mees geoptimaliseerde struktuur in terme van vesel-tot-harsverhouding nie, maar dit neem minder tyd as die vakuuminfusieproses.Vakuuminfusie lê droë vesel in die korrekte oriëntasies op, en die droë stapel word dan vakuumverpak en ekstra toebehore word aangeheg wat lei tot 'n harsvoorraad, wat in die deel ingetrek word wanneer die vakuum toegedien word.Die vakuum help om die hoeveelheid hars op 'n optimale vlak te handhaaf en verminder die vrystelling van vlugtige organiese stowwe.
Die rolkas sal 'n handoplegging in twee afsonderlike helftes op 'n manlike vorm gebruik om 'n gladde binneoppervlak te verseker.Hierdie twee helftes sal dan saamgebind word met vesel wat aan die buitekant by die bindingspunt gevoeg word om voldoende sterkte te verseker.Die druklading in die rolkas benodig nie 'n hoë-sterkte gevorderde samestelling nie, so 'n nat opleg van veselglasstof met 'n epoksiehars sal voldoende wees.Die dikte van die rolkas was gebaseer op dieselfde ontwerpparameter as die penstok.Die 250-kW-eenheid is 'n aksiale vloeimasjien, so daar is geen rolkas nie.
'n Turbineloper kombineer 'n komplekse meetkunde met hoë lasvereistes.Onlangse werk het getoon dat hoë-sterkte strukturele komponente vervaardig kan word uit 'n gekapte prepreg SMC met uitstekende sterkte en styfheid.5 Die veerarm van die Lamborghini Gallardo is ontwerp met behulp van veelvuldige lae van 'n gekapte prepreg SMC bekend as 'n gesmede saamgestelde, saamgedrukte om die vereiste dikte te produseer.Dieselfde metode kan op die Francis- en skroeflopers toegepas word.Die Francis-loper kan nie as een eenheid gemaak word nie, aangesien die kompleksiteit van die lemoorvleueling sal verhoed dat die onderdeel uit die vorm gehaal word.Die loperblaaie, kroon en band word dus afsonderlik vervaardig en dan saamgebind en met boute deur die buitekant van die kroon en band versterk.
Terwyl die trekbuis die maklikste vervaardig word met behulp van filamentwikkeling, is hierdie proses nie gekommersialiseer met natuurlike vesels nie.Handoplegging is dus gekies, aangesien dit standaard vervaardigingsmetode is, ten spyte van die hoër arbeidskoste.Deur 'n manlike vorm soortgelyk aan 'n mandrel te gebruik, kan die opleg voltooi word met die vorm horisontaal en dan vertikaal gedraai om te genees, wat voorkom dat dit aan die een kant sak.Die gewig van die saamgestelde dele sal effens wissel na gelang van die hoeveelheid hars in die voltooide deel.Hierdie getalle is gebaseer op 50% veselgewig.
Die totale gewigte vir die staal- en saamgestelde 2-MW-turbine is onderskeidelik 9 888 kg en 7 016 kg.Die 250 kW staal- en saamgestelde turbines is onderskeidelik 3 734 kg en 1 927 kg.Die totale veronderstel 20 paaltjiehekke vir elke turbine en 'n penstoklengte gelyk aan die kop van die turbine.Dit is waarskynlik dat die penstok langer sal wees en toebehore benodig, maar hierdie getal gee 'n basiese skatting van die gewig van die eenheid en gepaardgaande randapparatuur.Die kragopwekker, boute en hek aandryf hardeware is nie ingesluit nie en daar word aanvaar dat dit soortgelyk is tussen die saamgestelde en staal eenhede.Dit is ook die moeite werd om daarop te let dat die hardloper-herontwerp wat nodig is om rekening te hou met spanningskonsentrasies wat in die FEA gesien word, gewig by die saamgestelde eenhede sal voeg, maar die hoeveelheid word aanvaar as minimaal, in die orde van 5 kg om punte met streskonsentrasie te versterk
Met die gegewe gewigte kan die 2-MW saamgestelde turbine en sy penstok opgelig word deur die vinnige V-22 Osprey, terwyl die staalmasjien 'n stadiger, minder manoeuvreerbare Chinook-tweelingrotorhelikopter benodig.Die 2-MW saamgestelde turbine en penstok kan ook deur 'n F-250 4×4 gesleep word, terwyl die staaleenheid 'n groter vragmotor sou vereis wat moeilik sou wees om op bospaaie te maneuver as die installasie afgeleë was.
Gevolgtrekkings
Dit is haalbaar om turbines van saamgestelde materiale te bou, en 'n gewigsvermindering van 50% tot 70% is gesien in vergelyking met konvensionele staalkomponente.Die verminderde gewig kan dit moontlik maak om saamgestelde turbines op afgeleë plekke geïnstalleer te word.Daarbenewens vereis die samestelling van hierdie saamgestelde strukture nie sweistoerusting nie.Die komponente vereis ook dat minder dele aanmekaar vasgebout word, aangesien elke stuk in een of twee afdelings gemaak kan word.By die klein produksielopies wat in hierdie studie gemodelleer is, oorheers die koste van die vorms en ander gereedskap die komponentkoste.
Die klein lopies wat hier aangedui word, wys wat dit sal kos om verdere navorsing oor hierdie materiale te begin.Hierdie navorsing kan kavitasie-erosie en UV-beskerming van die komponente na installasie aanspreek.Dit kan moontlik wees om elastomeer- of keramiekbedekkings te gebruik om kavitasie te verminder of te verseker dat die turbine in die vloei- en kopregimes loop wat voorkom dat kavitasie voorkom.Dit sal belangrik wees om hierdie en ander kwessies te toets en op te los om te verseker dat die eenhede soortgelyke betroubaarheid as staalturbines kan bereik, veral as hulle geïnstalleer gaan word in gebiede waar onderhoud selde sal plaasvind.
Selfs by hierdie klein lopies kan sommige saamgestelde komponente koste-effektief wees as gevolg van die verminderde arbeid wat benodig word vir vervaardiging.Byvoorbeeld, 'n rolkas vir die 2-MW Francis-eenheid sal $80 000 kos om van staal gesweis te word in vergelyking met $25 000 vir saamgestelde vervaardiging.As die suksesvolle ontwerp van turbinelopers egter aanvaar word, is die koste vir die giet van die saamgestelde lopers meer as gelykstaande staalkomponente.Die 2-MW hardloper sal sowat $23 000 kos om van staal te vervaardig, vergeleke met $27 000 van saamgestelde.Kostes kan per masjien verskil.En die koste vir saamgestelde komponente sal aansienlik daal by hoër produksielopies as vorms hergebruik kan word.
Navorsers het reeds die konstruksie van turbinelopers van saamgestelde materiale ondersoek.8 Hierdie studie het egter nie kavitasie-erosie en die uitvoerbaarheid van konstruksie aangespreek nie.Die volgende stap vir saamgestelde turbines is om 'n skaalmodel te ontwerp en te bou wat bewys van uitvoerbaarheid en ekonomie van vervaardiging sal toelaat.Hierdie eenheid kan dan getoets word om doeltreffendheid en toepaslikheid te bepaal, asook metodes om oormatige kavitasie-erosie te voorkom.
Postyd: 15 Feb-2022
