I materiali compositi facenu incursioni in a custruzzione di l'equipaggiu per l'industria di l'energia idroelettrica.Una investigazione nantu à a forza di materiale è altri criteri palesa assai più applicazioni, in particulare per unità chjuche è micro.
Questu articulu hè statu evaluatu è editatu in cunfurmità cù recensioni realizate da dui o più prufessiunali chì anu una sperienza pertinente.Questi peer reviewers ghjudicanu i manoscritti per a precisione tecnica, l'utilità è l'impurtanza generale in l'industria idroelettrica.
L'ascesa di novi materiali furnisce opportunità eccitanti per l'industria idroelettrica.U legnu - utilizatu in l'urighjini d'acqua è i penstocks originali - hè statu rimpiazzatu in parte da cumpunenti di l'azzaru in u principiu di u 1800.L'acciaio conserva a so forza attraversu una carica di fatigue elevata è resiste à l'erosione è a corrosione di cavitazione.E so proprietà sò ben capite è i prucessi per a fabricazione di cumpunenti sò ben sviluppati.Per grande unità, l'azzaru prubabilmente ferma u materiale di scelta.
In ogni casu, datu l'aumentu di e turbine chjuche (sottu 10 MW) à micro-sized (sottu 100 kW), i cumposti ponu esse aduprati per risparmià pesu è riduce u costu di fabricazione è l'impattu ambientale.Questu hè soprattuttu pertinente datu a necessità cuntinuu di crescita in u supplyu di l'electricità.A capacità idroelettrica mundiale installata, quasi 800.000 MW, secondu un studiu di u 2009 da i Partenarii di l'Energia Rinnovabile Norvegese, hè solu u 10% di l'ecunumia fattibile è u 6% di l'energia idroelettrica tecnicamente fattibile.U putenziale di portà più di l'idro tecnicamente fattibile in u regnu di ecunomicamenti fattibili aumenta cù a capacità di cumpunenti cumposti per furnisce ecunumia di scala.
Fabricazione di cumpunenti cumposti
Per fabricà a penstock economicamente è cù una forza alta consistente, u megliu metudu hè l'avvolgimentu di filamenti.Un grande mandrinu hè impannillatu cù tows di fibra chì sò stati passati per un bagnu di resina.I rimorchi sò avvolti in mudelli di cerchi è elicoidali per creà forza per a pressione interna, curvatura longitudinale è manipulazione.A sezione di i risultati sottu mostra u costu è u pesu per pede per e duie dimensioni di cundutte, basatu annantu à una citazione di i fornituri lucali.A citazione hà dimustratu chì u grossu di u disignu era guidatu da i requisiti di installazione è di manipulazione, piuttostu cà a carica di pressione relativamente bassa, è per i dui era 2,28 cm.
Dui metudi di fabricazione sò stati cunsiderati per i cancelli di u wicket è i vani di stà;layup umitu è infuzione di vacuum.Wet layup usa tela secca, chì hè impregnata per versà a resina nantu à u tela è utilizendu rulli per spinghje a resina in u tela.Stu prucessu ùn hè micca limpiu cum'è l'infuzione di vacuum è ùn pruduce micca sempre a struttura più ottimisata in quantu à u rapportu di fibra à resina, ma pigghia menu tempu chì u prucessu di infusione vacuum.L'infuzione di vacuum pone a fibra secca in l'orientazioni currette, è a pila secca hè tandu in sacchetti di vacuum è aghjunghjenu accessori extra chì portanu à un suministru di resina, chì hè attiratu in a parte quandu u vacuum hè appiicatu.U vacuum aiuta à mantene a quantità di resina à un livellu ottimali è riduce a liberazione di organi volatili.
U casu di scroll hà da aduprà una layup di manu in dui metà separati nantu à un moldu maschile per assicurà una superficia interna liscia.Queste duie mità saranu poi ligate cù fibra aghjuntu à l'esternu à u puntu di ligame per assicurà a forza adatta.A carica di pressione in u casu di scroll ùn hà micca bisognu di un compositu avanzatu d'alta resistenza, cusì un layup umitu di tela di fibra di vetro cù una resina epossidica serà abbastanza.U grossu di u casu di scroll hè basatu annantu à u listessu paràmetru di disignu cum'è a penstock.L'unità 250-kW hè una macchina di flussu assiale, cusì ùn ci hè micca casu di scroll.
Un turbine runner combina una geometria cumplessa cù elevate esigenze di carica.I travaglii recenti anu dimustratu chì i cumpunenti strutturali d'alta resistenza ponu esse fabbricati da un SMC prepreg tritatu cù una forza è una rigidità eccellenti.5 U bracciu di sospensione di u Lamborghini Gallardo hè statu cuncepitu cù parechje strati di un SMC prepreg tritatu cunnisciutu cum'è compositu forgiatu, stampatu à compressione. per pruduce u spessore necessariu.U listessu mètudu pò ièssiri appiicata à i corridori Francis è propeller.U corridore Francis ùn pò esse fattu cum'è una unità, cum'è a cumplessità di a superposizione di lama impedisce a parte di esse estratta da u moldu.Cusì, e lame di u corridore, a corona è a banda sò fabbricati per separatamente è poi uniti è rinfurzati cù bulloni per l'esterno di a corona è a banda.
Mentre chì u tubu di tiraggio hè più faciule fabricatu cù l'avvolgimentu di filamentu, stu prucessu ùn hè micca statu cummercializatu cù fibri naturali.Cusì, a manu hè stata scelta, postu chì questu hè un metudu standard di fabricazione, malgradu i costi di u travagliu più altu.Utilizendu un moldu maschile simili à un mandrinu, u layup pò esse cumpletu cù u moldu horizontale è poi turnatu in verticale per curà, impediscendu u sagging in un latu.U pesu di e parti cumposti varierà ligeramente secondu a quantità di resina in a parti finita.Questi numeri sò basati nantu à u 50% di u pesu di fibra.
I pesi totali per l'acciaio è a turbina composta 2-MW sò 9,888 kg è 7,016 kg, rispettivamente.L'acciaio 250-kW è turbine cumposti sò 3,734 kg è 1,927 kg, rispettivamente.I totali assumenu 20 porte wicket per ogni turbina è una lunghezza di condotta uguale à a testa di a turbina.Hè prubabilmente chì a penstock seria più longa è esse bisognu di raccordi, ma questu numeru dà una stima di basa di u pesu di l'unità è i periferichi assuciati.U generatore, i bulloni è l'hardware di attuazione di a porta ùn sò micca inclusi è sò presumiti chì sò simili trà e unità composite è in acciaio.Hè vale a pena nutà ancu chì u ridisegnu di u corridore necessariu per cuntà e cuncentrazioni di stress vistu in u FEA aghjunghjera pesu à l'unità composte, ma a quantità hè presuma chì hè minima, in l'ordine di 5 kg per rinfurzà i punti cun concentrazione di stress.
Cù i pesi dati, a turbina composta di 2 MW è a so forzata puderia esse elevata da u veloce V-22 Osprey, mentre chì a macchina d'acciaio necessitava un elicotteru Chinook bi rotore più lento è menu maneuverable.Inoltre, a turbina composta di 2-MW è a condotta forzata puderia esse rimorchiata da un F-250 4 × 4, mentri l'unità d'acciaio avaristi bisognu di un camion più grande chì saria difficiule di maneuver in strade forestali se l'installazione era remota.
Cunclusioni
Hè pussibule di custruisce turbine da materiali cumposti, è una riduzione di pesu di 50% à 70% hè stata vistu paragunatu à i cumpunenti di l'acciaio cunvinziunali.U pesu ridottu pò permette à e turbine composite esse installate in lochi remoti.Inoltre, l'assemblea di sti strutturi cumposti ùn hè micca bisognu di l'equipaggiu di saldatura.I cumpunenti necessitanu ancu menu parte per esse imbullati inseme, postu chì ogni pezzu pò esse fattu in una o duie sezioni.À a piccula pruduzzione modellata in stu studiu, u costu di i stampi è altri utensili dominanu u costu di cumpunenti.
I picculi corsi indicati quì mostranu ciò chì costaria per inizià una ricerca più in questi materiali.Sta ricerca pò affruntà l'erosione di cavitation è a prutezzione UV di i cumpunenti dopu a stallazione.Pò esse pussibule di usà revestimenti elastomeri o ceramichi per riduce a cavitazione o assicurà chì a turbina corre in i regimi di flussu è di testa chì impediscenu a cavitazione.Serà impurtante di pruvà è risolve questi è altri prublemi per assicurà chì l'unità ponu ottene una affidabilità simile à e turbine d'acciaio, soprattuttu s'ellu deve esse installatu in i zoni induve u mantenimentu serà pocu frequente.
Ancu in questi picculi pezzi, alcuni cumpunenti cumposti ponu esse costuali per via di u travagliu diminuitu necessariu per a fabricazione.Per esempiu, un casu scroll per l'unità Francis 2-MW costaria $ 80,000 per esse saldati da azzaru paragunatu à $ 25,000 per a fabricazione di composite.In ogni casu, assumendu u disignu successu di turbine runners, u costu per u modellu di i runners composti hè più di cumpunenti d'acciaio equivalenti.U corridore 2-MW costarà circa $ 23,000 per a fabricazione da l'acciaio, paragunatu à $ 27,000 da u compostu.I costi pò varià da a macchina.È u costu per i cumpunenti cumposti scenderà considerablemente à e pruduzzione più altu se i stampi puderanu esse riutilizzati.
I circadori anu digià investigatu a custruzzione di turbine runners da materiali compositi.8 Tuttavia, stu studiu ùn hà micca trattatu l'erosione di cavitation è a fattibilità di a custruzzione.U prossimu passu per e turbine composite hè di disignà è custruisce un mudellu à scala chì permetterà a prova di fattibilità è ecunumia di fabricazione.Questa unità pò esse pruvata per determinà l'efficienza è l'applicabilità, è ancu i metudi per prevene l'erosione di cavitazione eccessiva.
Tempu di Postu: Feb-15-2022
