Kompozitni materijali se probijaju u izgradnji opreme za hidroelektranu.Istraživanje čvrstoće materijala i drugih kriterija otkriva mnogo više primjena, posebno za male i mikro jedinice.
Ovaj članak je ocijenjen i uređen u skladu s recenzijama koje su izvršila dva ili više stručnjaka koji imaju relevantnu stručnost.Ovi recenzenti ocjenjuju rukopise za tehničku tačnost, korisnost i ukupnu važnost u hidroelektričnoj industriji.
Porast novih materijala pruža uzbudljive mogućnosti za hidroelektransku industriju.Drvo - korišteno u originalnim vodenim kotačima i cevovodima - djelomično je zamijenjeno čeličnim komponentama početkom 1800-ih.Čelik zadržava svoju snagu zahvaljujući velikom opterećenju zamorom i otporan je na kavitaciju i koroziju.Njegova svojstva su dobro shvaćena, a procesi za proizvodnju komponenti su dobro razvijeni.Za velike jedinice, čelik će vjerovatno ostati materijal izbora.
Međutim, s obzirom na porast od malih (ispod 10 MW) do mikro (ispod 100 kW) turbina, kompoziti se mogu koristiti za uštedu težine i smanjenje troškova proizvodnje i utjecaja na okoliš.Ovo je posebno relevantno s obzirom na stalnu potrebu za rastom snabdijevanja električnom energijom.Instalirani svjetski hidroenergetski kapacitet, skoro 800.000 MW prema studiji iz 2009. Norwegian Renewable Energy Partners, je samo 10% ekonomski izvodljive i 6% tehnički izvodljive hidroenergije.Potencijal da se više tehnički izvodljivih hidroelektrana dovede u oblast ekonomski izvodljivih povećava se sa sposobnošću kompozitnih komponenti da obezbede ekonomiju obima.
Proizvodnja kompozitnih komponenti
Za ekonomičnu proizvodnju cevovoda sa konstantnom visokom čvrstoćom, najbolja metoda je namotavanje niti.Veliki trn je omotan pletenicama vlakana koje su provučene kroz kupku od smole.Kule su omotane obručima i spiralnim uzorcima kako bi se stvorila snaga za unutrašnji pritisak, uzdužno savijanje i rukovanje.Odjeljak s rezultatima u nastavku prikazuje cijenu i težinu po stopi za dvije veličine cevovoda, na osnovu ponude lokalnih dobavljača.Citat je pokazao da je konstrukcijska debljina vođena zahtjevima ugradnje i rukovanja, a ne relativno niskim pritiskom, i za oba je iznosila 2,28 cm.
Razmatrane su dvije metode proizvodnje za prolazne kapije i lopatice;mokro polaganje i vakuumska infuzija.Mokro polaganje koristi suvu tkaninu, koja je impregnirana polivanjem smole preko tkanine i korištenjem valjaka za guranje smole u tkaninu.Ovaj proces nije tako čist kao vakuumska infuzija i ne proizvodi uvijek najoptimiraniju strukturu u smislu omjera vlakana i smole, ali traje manje vremena od procesa vakuumske infuzije.Vakuumska infuzija postavlja suva vlakna u ispravnu orijentaciju, a suhi snop se zatim vakuumira i pričvršćuju se dodatni spojevi koji vode do zaliha smole, koja se uvlači u dio kada se primjenjuje vakuum.Vakuum pomaže u održavanju količine smole na optimalnom nivou i smanjuje oslobađanje isparljivih organskih materija.
Futrola će koristiti ručno polaganje u dvije odvojene polovine na muškom kalupu kako bi se osigurala glatka unutrašnja površina.Ove dvije polovine će se zatim spojiti zajedno sa vlaknima koja su dodana izvana na mjestu spajanja kako bi se osigurala odgovarajuća čvrstoća.Opterećenje pod pritiskom u kućištu za pomicanje ne zahtijeva napredni kompozit visoke čvrstoće, tako da će biti dovoljan mokri sloj tkanine od fiberglasa s epoksidnom smolom.Debljina omotača je zasnovana na istom dizajnerskom parametru kao i cevovod.Jedinica od 250 kW je mašina sa aksijalnim protokom, tako da nema kutije.
Turbinski pogon kombinuje složenu geometriju sa visokim zahtevima za opterećenje.Nedavni rad je pokazao da se strukturne komponente visoke čvrstoće mogu proizvesti od sjeckanog preprega SMC-a sa odličnom čvrstoćom i krutošću.5 Ruka ovjesa Lamborghini Gallarda dizajnirana je korištenjem više slojeva sjeckanog preprega SMC-a poznatog kao kovani kompozit, oblikovan kompresijom za proizvodnju potrebne debljine.Ista metoda se može primijeniti na Francis i propelerske trkače.Francis trkač ne može se napraviti kao jedna jedinica, jer bi složenost preklapanja oštrice spriječila da se dio izvuče iz kalupa.Tako se oštrice, krunica i traka proizvode odvojeno, a zatim se spajaju i ojačavaju vijcima kroz vanjsku stranu krune i trake.
Dok se cijev za provlačenje najlakše proizvodi pomoću namotaja filamenta, ovaj proces nije komercijaliziran korištenjem prirodnih vlakana.Stoga je odabrano ručno polaganje, jer je ovo standardni način izrade, uprkos većim troškovima rada.Korištenjem muškog kalupa sličnog trnu, polaganje se može završiti s kalupom vodoravno, a zatim okrenuti okomito kako bi se očvrsnuo, sprječavajući opuštanje s jedne strane.Težina kompozitnih dijelova će neznatno varirati ovisno o količini smole u gotovom dijelu.Ovi brojevi su zasnovani na 50% težine vlakana.
Ukupne težine za čeličnu i kompozitnu turbinu od 2 MW su 9,888 kg i 7,016 kg, respektivno.Čelična i kompozitna turbina od 250 kW imaju 3.734 kg, odnosno 1.927 kg.Ukupni iznosi pretpostavljaju 20 prolaznih vrata za svaku turbinu i dužinu cijevi jednaku glavi turbine.Vjerovatno je da bi cevovod bio duži i da bi zahtijevao armature, ali ovaj broj daje osnovnu procjenu težine jedinice i pripadajućih periferija.Generator, vijci i hardver za aktiviranje kapija nisu uključeni i pretpostavlja se da su slični između kompozitnih i čeličnih jedinica.Također je vrijedno napomenuti da bi redizajn vodilice potreban da bi se uzele u obzir koncentracije naprezanja koje se vide u FEA-u dodalo težinu kompozitnim jedinicama, ali se pretpostavlja da je količina minimalna, reda veličine 5 kg kako bi se ojačale točke s koncentracijom naprezanja.
Uz date težine, kompozitnu turbinu od 2 MW i njen cevovod mogao bi podići brzi V-22 Osprey, dok bi čelična mašina zahtijevala sporiji, manje upravljiv helikopter s dva rotora Chinook.Također, kompozitnu turbinu i cevovod od 2 MW mogao bi vući F-250 4×4, dok bi čelična jedinica zahtijevala veći kamion kojim bi bilo teško manevrirati na šumskim putevima da je instalacija udaljena.
Zaključci
Izvodljivo je konstruisati turbine od kompozitnih materijala, a uočeno je smanjenje težine od 50% do 70% u poređenju sa konvencionalnim čeličnim komponentama.Smanjena težina može omogućiti postavljanje kompozitnih turbina na udaljenim lokacijama.Osim toga, montaža ovih kompozitnih konstrukcija ne zahtijeva opremu za zavarivanje.Komponente također zahtijevaju manje dijelova za spajanje vijcima, jer se svaki dio može napraviti u jednom ili dva dijela.U malim serijama proizvodnje modelovanim u ovoj studiji, cijena kalupa i drugog alata dominira nad troškom komponenti.
Ovdje naznačene male serije pokazuju koliko bi koštalo započinjanje daljnjih istraživanja ovih materijala.Ovo istraživanje može se baviti erozijom kavitacije i UV zaštitom komponenti nakon ugradnje.Možda je moguće koristiti elastomerne ili keramičke premaze kako bi se smanjila kavitacija ili osiguralo da turbina radi u režimima protoka i glave koji sprečavaju pojavu kavitacije.Bit će važno testirati i riješiti ove i druge probleme kako bi se osiguralo da jedinice mogu postići sličnu pouzdanost kao čelične turbine, posebno ako će se instalirati u područjima gdje će održavanje biti rijetko.
Čak i pri ovim malim serijama, neke kompozitne komponente mogu biti isplative zbog smanjenog rada potrebnog za proizvodnju.Na primjer, zavarivanje čeličnog kućišta za 2-MW Francis jedinicu koštalo bi 80.000 dolara u poređenju sa 25.000 dolara za proizvodnju kompozita.Međutim, pod pretpostavkom uspješnog dizajna turbinskih vodilica, cijena oblikovanja kompozitnih vodilica je više od ekvivalentnih čeličnih komponenti.Proizvodnja od čelika od 2 MW bi koštala oko 23.000 dolara, u poređenju sa 27.000 dolara od kompozita.Troškovi mogu varirati u zavisnosti od mašine.A trošak kompozitnih komponenti bi znatno opao pri većim serijama proizvodnje kada bi se kalupi mogli ponovo koristiti.
Istraživači su već istraživali konstrukciju turbinskih pokretača od kompozitnih materijala.8 Međutim, ova studija se nije bavila erozijom kavitacije i izvodljivosti konstrukcije.Sljedeći korak za kompozitne turbine je dizajn i izgradnja modela koji će omogućiti dokaz izvodljivosti i ekonomičnosti proizvodnje.Ova jedinica se zatim može testirati kako bi se utvrdila efikasnost i primjenjivost, kao i metode za sprječavanje prekomjerne erozije kavitacije.
Vrijeme objave: Feb-15-2022
