كيف يمكن استخدام المواد المركبة لتوربينات فورستر المائية الصغيرة

المواد المركبة تشق طريقها في بناء معدات صناعة الطاقة الكهرومائية.يكشف التحقيق في قوة المواد والمعايير الأخرى عن العديد من التطبيقات ، خاصة للوحدات الصغيرة والمتناهية الصغر.
تم تقييم هذه المقالة وتحريرها وفقًا للمراجعات التي أجراها اثنان أو أكثر من المهنيين ذوي الخبرة ذات الصلة.يحكم هؤلاء المراجعون الأقران على المخطوطات من حيث الدقة الفنية والفائدة والأهمية العامة في صناعة الطاقة الكهرومائية.
يوفر ظهور مواد جديدة فرصًا مثيرة لصناعة الطاقة الكهرومائية.تم استبدال الخشب - المستخدم في دواليب المياه وأقلامها الأصلية - جزئيًا بمكونات فولاذية في أوائل القرن التاسع عشر.يحتفظ الفولاذ بقوته من خلال التحميل المرتفع للإجهاد ويقاوم تآكل التجويف والتآكل.خصائصه مفهومة جيدًا وعمليات تصنيع المكونات متطورة جيدًا.بالنسبة للوحدات الكبيرة ، من المرجح أن يظل الفولاذ هو المادة المفضلة.
ومع ذلك ، نظرًا لارتفاع التوربينات الصغيرة (أقل من 10 ميجاوات) إلى التوربينات الصغيرة (أقل من 100 كيلوواط) ، يمكن استخدام المركبات لتوفير الوزن وتقليل تكلفة التصنيع والأثر البيئي.هذا مهم بشكل خاص في ضوء الحاجة المستمرة للنمو في إمدادات الكهرباء.الطاقة الكهرومائية المركبة في العالم ، ما يقرب من 800000 ميجاوات وفقًا لدراسة أجريت عام 2009 من قبل شركة Norwegian Renewable Partners Partners ، هي 10 ٪ فقط من الطاقة الكهرومائية المجدية اقتصاديًا و 6 ٪ من الطاقة الكهرومائية المجدية تقنيًا.إمكانية جلب المزيد من الطاقة المائية المجدية تقنيًا إلى عالم الزيادات المجدية اقتصاديًا مع قدرة المكونات المركبة على توفير وفورات الحجم.

تصنيع المكونات المركبة
لتصنيع القلم بشكل اقتصادي وبقوة عالية متسقة ، فإن أفضل طريقة هي لف الخيوط.يتم لف المغزل الكبير بأقطار من الألياف التي تم تمريرها من خلال حمام الراتنج.يتم لف الجرارات في أنماط دائرية وحلزونية لخلق قوة للضغط الداخلي والانحناء الطولي والتعامل.يوضح قسم النتائج أدناه التكلفة والوزن للقدم لأحجام أقلام الأقلام ، بناءً على عرض أسعار من الموردين المحليين.أظهر الاقتباس أن سمك التصميم كان مدفوعًا بمتطلبات التركيب والمعالجة ، بدلاً من حمل الضغط المنخفض نسبيًا ، وكان لكل منهما 2.28 سم.
تم النظر في طريقتين للتصنيع لبوابات الويكيت ودوارات التثبيت ؛رمي الرطب وضخ الفراغ.يستخدم الرصيف الرطب قماشًا جافًا ، يتم تشريبه عن طريق سكب الراتنج على القماش واستخدام بكرات لدفع الراتينج إلى القماش.هذه العملية ليست نظيفة مثل التسريب بالفراغ ولا تنتج دائمًا الهيكل الأمثل من حيث نسبة الألياف إلى الراتنج ، ولكنها تستغرق وقتًا أقل من عملية التسريب بالتفريغ.يضع ضخ الفراغ الألياف الجافة في الاتجاهات الصحيحة ، ثم يتم تعبئة المكدس الجاف في أكياس مفرغة من الهواء ويتم إرفاق تركيبات إضافية تؤدي إلى إمداد الراتنج ، والذي يتم سحبه إلى الجزء عند تطبيق الفراغ.يساعد الفراغ في الحفاظ على كمية الراتينج عند المستوى الأمثل ويقلل من إطلاق المواد العضوية المتطايرة.
ستستخدم حقيبة التمرير وضعًا يدويًا في نصفين منفصلين على قالب ذكر لضمان سطح داخلي أملس.سيتم بعد ذلك ربط هذين النصفين مع الألياف المضافة إلى الخارج عند نقطة الترابط لضمان القوة الكافية.لا يتطلب حمل الضغط في صندوق التمرير مركبًا متقدمًا عالي القوة ، لذلك سيكون الرصف الرطب من نسيج الألياف الزجاجية مع راتنجات الإيبوكسي كافياً.استند سمك صندوق التمرير إلى نفس معلمة التصميم مثل penstock.وحدة 250 كيلوواط عبارة عن آلة تدفق محوري ، لذلك لا توجد علبة تمرير.

يجمع عداء التوربينات بين الهندسة المعقدة ومتطلبات الأحمال العالية.أثبتت الأعمال الحديثة أن المكونات الهيكلية عالية القوة يمكن تصنيعها من SMC مسبق التقديم مع قوة وصلابة ممتازين .5 تم تصميم ذراع التعليق في Lamborghini Gallardo باستخدام طبقات متعددة من SMC المسبق المفروم المعروف باسم مركب مزور ، مصبوب بالضغط لإنتاج السماكة المطلوبة.يمكن تطبيق نفس الطريقة على فرانسيس وعدائين المروحة.لا يمكن صنع عداء فرانسيس كوحدة واحدة ، لأن تعقيد تداخل الشفرة سيمنع استخلاص الجزء من القالب.وبالتالي ، يتم تصنيع شفرات العداء والتاج والشريط بشكل منفصل ثم يتم ربطها معًا وتعزيزها بمسامير من خلال الجزء الخارجي من التاج والشريط.
بينما يتم تصنيع أنبوب السحب بسهولة باستخدام لف الخيوط ، لم يتم تسويق هذه العملية باستخدام الألياف الطبيعية.وبالتالي ، تم اختيار وضع اليد ، حيث إنها طريقة تصنيع قياسية ، على الرغم من ارتفاع تكاليف العمالة.باستخدام قالب ذكر مشابه للمغزل ، يمكن استكمال القالب الأفقي ثم تدويره عموديًا للعلاج ، مما يمنع الترهل من جانب واحد.سيختلف وزن الأجزاء المركبة قليلاً اعتمادًا على كمية الراتنج في الجزء النهائي.تستند هذه الأرقام إلى 50٪ من وزن الألياف.
يبلغ إجمالي أوزان التوربينات الفولاذية والمركبة 2 ميجاوات 9888 كجم و 7016 كجم على التوالي.التوربينات الفولاذية والمركبة بقدرة 250 كيلوواط تزن 3734 كجم و 1927 كجم على التوالي.تفترض المجاميع 20 بوابة صغيرة لكل توربين وطول قلم حبر يساوي رأس التوربين.من المحتمل أن يكون القلم أطول ويتطلب تركيبات ، لكن هذا الرقم يعطي تقديرًا أساسيًا لوزن الوحدة والأجهزة الطرفية المرتبطة بها.لا يتم تضمين المولد والبراغي وأجهزة تشغيل البوابة ويفترض أن تكون متشابهة بين الوحدات المركبة والوحدات الفولاذية.من الجدير بالذكر أيضًا أن إعادة تصميم العداء المطلوبة لحساب تركيزات الإجهاد التي شوهدت في FEA ستضيف وزنًا إلى الوحدات المركبة ، ولكن يُفترض أن تكون الكمية ضئيلة ، في حدود 5 كجم لتقوية النقاط مع تركيز الإجهاد
مع الأوزان المحددة ، يمكن رفع التوربين المركب 2 ميغاواط وقلمه بواسطة V-22 Osprey السريع ، في حين أن الآلة الفولاذية تتطلب مروحية دوارة مزدوجة من طراز Chinook أبطأ وأقل قدرة على المناورة.أيضًا ، يمكن سحب التوربين المركب 2 ميجاوات وقلم الحبر بواسطة F-250 4 × 4 ، في حين أن الوحدة الفولاذية تتطلب شاحنة أكبر سيكون من الصعب المناورة بها على طرق الغابات إذا كان التثبيت بعيدًا.

الاستنتاجات
من الممكن إنشاء توربينات من مواد مركبة ، وقد لوحظ انخفاض في الوزن بنسبة 50٪ إلى 70٪ مقارنة بمكونات الصلب التقليدية.يمكن أن يسمح الوزن المنخفض بتركيب التوربينات المركبة في المواقع البعيدة.بالإضافة إلى ذلك ، فإن تجميع هذه الهياكل المركبة لا يتطلب معدات لحام.تتطلب المكونات أيضًا عددًا أقل من الأجزاء ليتم تثبيتها معًا ، حيث يمكن تصنيع كل قطعة في قسم واحد أو قسمين.في عمليات الإنتاج الصغيرة المصممة على غرار هذه الدراسة ، تهيمن تكلفة القوالب والأدوات الأخرى على تكلفة المكونات.
توضح عمليات التشغيل الصغيرة الموضحة هنا تكلفة بدء المزيد من البحث في هذه المواد.يمكن أن يعالج هذا البحث تآكل التجويف وحماية المكونات من الأشعة فوق البنفسجية بعد التثبيت.قد يكون من الممكن استخدام اللدائن المرنة أو الطلاءات الخزفية لتقليل التجويف أو التأكد من أن التوربين يعمل في أنظمة التدفق والرأس التي تمنع حدوث التجويف.سيكون من المهم اختبار وحل هذه المشكلات وغيرها لضمان قدرة الوحدات على تحقيق موثوقية مماثلة للتوربينات الفولاذية ، خاصة إذا كان سيتم تركيبها في المناطق التي تكون فيها الصيانة غير متكررة.
حتى في هذه الأشواط الصغيرة ، يمكن أن تكون بعض المكونات المركبة فعالة من حيث التكلفة بسبب انخفاض العمالة المطلوبة للتصنيع.على سبيل المثال ، ستكلف علبة التمرير لوحدة فرانسيس بقدرة 2 ميجاوات 80 ألف دولار ليتم لحامها من الفولاذ مقارنة بـ 25 ألف دولار لتصنيع المواد المركبة.ومع ذلك ، بافتراض التصميم الناجح لعدائين التوربينات ، فإن تكلفة قولبة العدائين المركبة هي أكثر من المكونات الفولاذية المكافئة.سيكلف العداء 2 ميغاواط حوالي 23000 دولار للتصنيع من الفولاذ ، مقارنة بـ 27000 دولار من المركب.قد تختلف التكاليف حسب الجهاز.وستنخفض تكلفة المكونات المركبة بشكل كبير في عمليات الإنتاج الأعلى إذا أمكن إعادة استخدام القوالب.
لقد حقق الباحثون بالفعل في بناء عداء التوربينات من المواد المركبة .8 ومع ذلك ، لم تتناول هذه الدراسة تآكل التجويف وجدوى البناء.تتمثل الخطوة التالية للتوربينات المركبة في تصميم وبناء نموذج مصغر يسمح بإثبات الجدوى والاقتصاد في التصنيع.يمكن بعد ذلك اختبار هذه الوحدة لتحديد الكفاءة والتطبيق ، وكذلك طرق منع تآكل التجويف الزائد.