Композитните материали навлизат в изграждането на оборудване за водноелектрическата промишленост.Изследване на здравината на материала и други критерии разкрива много повече приложения, особено за малки и микро-уреди.
Тази статия е оценена и редактирана в съответствие с рецензии, извършени от двама или повече професионалисти, които имат съответен опит.Тези рецензенти оценяват ръкописите за техническа точност, полезност и цялостна важност в рамките на водноелектрическата индустрия.
Възходът на нови материали предоставя вълнуващи възможности за водноелектрическата индустрия.Дървото - използвано в оригиналните водни колела и напорни щуцери - беше изместено отчасти от стоманени компоненти в началото на 1800-те.Стоманата запазва здравината си чрез високо натоварване на умора и издържа на кавитационна ерозия и корозия.Неговите свойства са добре разбрани и процесите за производство на компоненти са добре развити.За големите единици стоманата вероятно ще остане предпочитаният материал.
Въпреки това, като се има предвид нарастването на малки (под 10 MW) до микроразмерни (под 100 kW) турбини, композитите могат да се използват за спестяване на тегло и намаляване на производствените разходи и въздействието върху околната среда.Това е особено важно като се има предвид продължаващата нужда от нарастване на доставките на електроенергия.Инсталираният световен воден капацитет, близо 800 000 MW според проучване от 2009 г. на Norwegian Renewable Energy Partners, е само 10% от икономически осъществимата и 6% от технически осъществимата хидроенергия.Потенциалът за внасяне на повече от технически осъществимите хидроматериали в сферата на икономически осъществими се увеличава със способността на композитните компоненти да осигурят икономия от мащаба.
Производство на композитни компоненти
За икономично и с постоянна висока якост производство на тръбопровода, най-добрият метод е навиването на нишки.Голям дорник е обвит с влакна, прекарани през смола.Влековете са увити в обръч и спираловидни шарки, за да създадат здравина за вътрешен натиск, надлъжно огъване и манипулиране.Разделът с резултати по-долу показва цената и теглото на крак за двата размера на напорни тръби, въз основа на оферта от местни доставчици.Цитатът показва, че дебелината на дизайна се определя от изискванията за монтаж и манипулиране, а не от относително ниското натоварване под налягане и и за двете тя е 2,28 cm.
Бяха разгледани два производствени метода за порти и лопатки;мокро полагане и вакуумна инфузия.Мокрото полагане използва суха тъкан, която се импрегнира чрез изливане на смола върху тъканта и използване на ролки за натискане на смолата в тъканта.Този процес не е толкова чист като вакуумната инфузия и не винаги произвежда най-оптимизираната структура по отношение на съотношението влакна към смола, но отнема по-малко време от процеса на вакуумна инфузия.Вакуумната инфузия поставя сухите влакна в правилната ориентация и сухият пакет след това се пакетира с вакуум и се прикрепват допълнителни фитинги, които водят до доставка на смола, която се изтегля в частта при прилагане на вакуума.Вакуумът помага за поддържане на количеството смола на оптимално ниво и намалява отделянето на летливи органични вещества.
Калъфът за превъртане ще използва ръчно подреждане на две отделни половини върху мъжки калъп, за да осигури гладка вътрешна повърхност.След това тези две половини ще бъдат свързани заедно с влакна, добавени отвън в точката на свързване, за да се осигури адекватна здравина.Натоварването на натиск в кутията за превъртане не изисква високоякостен усъвършенстван композит, така че мокрото нанасяне на плат от фибростъкло с епоксидна смола ще бъде достатъчно.Дебелината на корпуса на спирала се основава на същия конструктивен параметър като напорния щуцер.Уредът с мощност 250 kW е машина с аксиален поток, така че няма кутия за превъртане.
Турбинният ход съчетава сложна геометрия с високи изисквания за натоварване.Последната работа показа, че структурните компоненти с висока якост могат да бъдат произведени от нарязан препрег SMC с отлична здравина и твърдост.5 Рамото на окачването на Lamborghini Gallardo е проектирано с помощта на множество слоеве от нарязан препрег SMC, известен като кован композит, формован под налягане за получаване на необходимата дебелина.Същият метод може да се приложи и към движещите се витла Франсис и витла.Франсис бегачът не може да бъде направен като една единица, тъй като сложността на припокриването на острието би попречила на частта да бъде извлечена от матрицата.По този начин остриетата, короната и лентата се произвеждат отделно и след това се свързват заедно и се подсилват с болтове през външната страна на короната и лентата.
Докато тръбата за тягата се произвежда най-лесно чрез навиване на нишки, този процес не е комерсиализиран с помощта на естествени влакна.Така беше избрано ръчно подреждане, тъй като това е стандартен метод на производство, въпреки по-високите разходи за труд.С помощта на мъжка форма, подобна на дорник, подреждането може да бъде завършено с формата хоризонтално и след това обърната вертикално, за да се втвърди, предотвратявайки увисването от едната страна.Теглото на композитните части ще варира леко в зависимост от количеството смола в готовата част.Тези числа са базирани на 50% тегло на влакната.
Общото тегло на стоманената и композитната 2-MW турбина е съответно 9,888 kg и 7,016 kg.Стоманените и композитните турбини с мощност 250 kW са съответно 3 734 kg и 1 927 kg.Общите стойности предполагат 20 врата за всяка турбина и дължина на напорния тръбопровод, равна на главата на турбината.Вероятно е тръбопроводът да е по-дълъг и да изисква фитинги, но това число дава основна оценка на теглото на уреда и свързаните периферни устройства.Генераторът, болтовете и хардуерът за задействане на портата не са включени и се предполага, че са сходни между композитните и стоманените възли.Също така си струва да се отбележи, че редизайнът на бегача, необходим за отчитане на концентрациите на напрежение, наблюдавани в FEA, би добавил тегло към композитните единици, но се приема, че количеството е минимално, от порядъка на 5 kg за укрепване на точките с концентрация на напрежение
С дадените тегла, композитната турбина с мощност 2 MW и нейният напорен шток могат да бъдат повдигнати от бързия V-22 Osprey, докато стоманената машина ще изисква по-бавен, по-малко маневрен хеликоптер с двоен ротор Chinook.Също така, 2-MW композитната турбина и напорната тръба могат да бъдат теглени от F-250 4×4, докато стоманената единица ще изисква по-голям камион, който би бил труден за маневриране по горски пътища, ако инсталацията беше отдалечена.
Заключения
Възможно е да се конструират турбини от композитни материали и се наблюдава намаление на теглото от 50% до 70% в сравнение с конвенционалните стоманени компоненти.Намаленото тегло може да позволи на композитни турбини да бъдат инсталирани на отдалечени места.Освен това сглобяването на тези композитни конструкции не изисква оборудване за заваряване.Компонентите също така изискват по-малко части за завинтване заедно, тъй като всяка част може да бъде направена от една или две секции.При малките производствени серии, моделирани в това проучване, цената на матриците и други инструменти доминира върху цената на компонентите.
Посочените тук малки серии показват колко би струвало да започнем по-нататъшни изследвания на тези материали.Това изследване може да се справи с кавитационната ерозия и UV защитата на компонентите след монтаж.Възможно е да се използват еластомерни или керамични покрития, за да се намали кавитацията или да се гарантира, че турбината работи в режими на потока и главата, които предотвратяват появата на кавитация.Ще бъде важно да се тестват и разрешат тези и други проблеми, за да се гарантира, че блоковете могат да постигнат подобна надеждност като стоманените турбини, особено ако те трябва да бъдат инсталирани в области, където поддръжката ще бъде рядка.
Дори при тези малки серии, някои композитни компоненти могат да бъдат рентабилни поради намаления труд, необходим за производството.Например, кутия за превъртане за 2-MW блок Francis би струвала 80 000 долара за заваряване от стомана в сравнение с 25 000 долара за композитно производство.Въпреки това, ако се приеме успешен дизайн на турбинни плъзгачи, цената за формоване на композитните водачи е повече от еквивалентни стоманени компоненти.Производството на 2-MW бегач ще струва около 23 000 долара за производство от стомана, в сравнение с 27 000 долара от композит.Разходите могат да варират според машината.А разходите за композитни компоненти биха паднали значително при по-високи производствени серии, ако формите могат да бъдат използвани повторно.
Изследователите вече са изследвали конструкцията на турбинни ходове от композитни материали.8 Това проучване обаче не разглежда кавитационната ерозия и осъществимостта на конструкцията.Следващата стъпка за композитните турбини е проектирането и изграждането на мащабен модел, който ще позволи доказателство за осъществимост и икономичност на производството.След това този уред може да бъде тестван, за да се определи ефективността и приложимостта, както и методи за предотвратяване на излишната кавитационна ерозия.
Час на публикация: 15 февруари 2022 г
