Kompozitní materiály se prosazují při konstrukci zařízení pro vodní energetiku.Průzkum pevnosti materiálu a dalších kritérií odhaluje mnoho dalších aplikací, zejména pro malé jednotky a mikrojednotky.
Tento článek byl vyhodnocen a upraven v souladu s recenzemi provedenými dvěma nebo více odborníky, kteří mají příslušné odborné znalosti.Tito recenzenti posuzují rukopisy z hlediska technické přesnosti, užitečnosti a celkového významu v rámci hydroelektrárenského průmyslu.
Vzestup nových materiálů poskytuje vzrušující příležitosti pro vodní průmysl.Dřevo – používané v původních vodních kolech a přivaděčích – bylo na počátku 19. století částečně nahrazeno ocelovými součástmi.Ocel si zachovává svou pevnost díky vysokému únavovému zatížení a odolává kavitační erozi a korozi.Jeho vlastnosti jsou dobře známé a procesy výroby komponent jsou dobře propracované.U velkých jednotek bude pravděpodobně materiálem volby ocel.
Avšak vzhledem k nárůstu malých (pod 10 MW) až po mikrovelké (pod 100 kW) turbíny lze kompozity použít ke snížení hmotnosti a snížení výrobních nákladů a dopadu na životní prostředí.To je zvláště důležité vzhledem k pokračující potřebě růstu dodávek elektřiny.Instalovaná světová kapacita vodních elektráren, téměř 800 000 MW podle studie norských partnerů pro obnovitelné zdroje energie z roku 2009, je pouze 10 % ekonomicky proveditelné a 6 % technicky proveditelné vodní energie.Potenciál přinést více technicky proveditelných vodních elektráren do oblasti ekonomicky proveditelných se zvyšuje se schopností kompozitních komponent zajistit úsporu z rozsahu.
Výroba kompozitních komponentů
Pro ekonomickou výrobu přivaděče a se stálou vysokou pevností je nejlepší metodou navíjení vlákna.Velký trn je obalený koudelemi vláken, které prošly pryskyřičnou lázní.Kabely jsou ovinuty obručemi a spirálovitými vzory pro vytvoření pevnosti pro vnitřní tlak, podélné ohýbání a manipulaci.Níže uvedená část s výsledky ukazuje náklady a hmotnost na stopu pro dvě velikosti přivaděčů na základě nabídky místních dodavatelů.Citace ukázala, že návrhová tloušťka byla řízena požadavky na instalaci a manipulaci, spíše než relativně nízkým tlakovým zatížením, a pro obě byla 2,28 cm.
Pro branky a opěrné lopatky byly zvažovány dvě výrobní metody;mokré pokládání a vakuová infuze.Mokré pokládání využívá suchou tkaninu, která se impregnuje nalitím pryskyřice na tkaninu a pomocí válečků se pryskyřice vtlačí do tkaniny.Tento proces není tak čistý jako vakuová infuze a ne vždy vytváří nejoptimalizovanější strukturu, pokud jde o poměr vláken k pryskyřici, ale trvá méně času než proces vakuové infuze.Vakuová infuze položí suchá vlákna ve správných orientacích a suchý stoh je poté vakuově zabalen a jsou připojeny další tvarovky, které vedou k přívodu pryskyřice, která je vtažena do součásti, když je aplikováno vakuum.Vakuum pomáhá udržovat množství pryskyřice na optimální úrovni a snižuje uvolňování těkavých organických látek.
Svitkové pouzdro bude používat ruční rozložení na dvě samostatné poloviny na samčí formu, aby byl zajištěn hladký vnitřní povrch.Tyto dvě poloviny budou poté spojeny dohromady vláknem přidaným k vnější straně v místě spojení, aby byla zajištěna dostatečná pevnost.Tlakové zatížení ve spirálovém pouzdře nevyžaduje vysokopevnostní pokročilý kompozit, takže postačí mokré vrstvení tkaniny ze skleněných vláken s epoxidovou pryskyřicí.Tloušťka spirálového pouzdra byla založena na stejném konstrukčním parametru jako přivaděč.Jednotka o výkonu 250 kW je stroj s axiálním průtokem, takže zde není žádná spirálová skříň.
Turbínový oběh kombinuje složitou geometrii s vysokými požadavky na zatížení.Nedávná práce prokázala, že z nasekaného prepregu SMC lze vyrobit vysoce pevné konstrukční komponenty s vynikající pevností a tuhostí.5 Rameno zavěšení Lamborghini Gallardo bylo navrženo s použitím několika vrstev nasekaného prepregu SMC známého jako kovaný kompozit, lisovaný k výrobě požadované tloušťky.Stejnou metodu lze použít pro Francise a vrtulové běžce.Francisův běhoun nelze vyrobit jako jeden celek, protože složitost překrytí lopatek by bránila vyjmutí dílu z formy.To znamená, že kluzné lopatky, korunka a pás jsou vyráběny odděleně a poté spojeny dohromady a vyztuženy šrouby přes vnější stranu korunky a pásu.
Zatímco sací trubka se nejsnáze vyrábí za použití navíjení vláken, tento proces nebyl komerčně využíván za použití přírodních vláken.Proto bylo zvoleno ruční pokládání, protože se jedná o standardní způsob výroby, a to i přes vyšší mzdové náklady.Použitím vnější formy podobné trnu může být pokládka dokončena s formou vodorovně a poté otočena svisle pro vytvrzení, čímž se zabrání prohýbání na jedné straně.Hmotnost kompozitních dílů se bude mírně lišit v závislosti na množství pryskyřice v hotovém dílu.Tato čísla vycházejí z 50 % hmotnosti vlákna.
Celková hmotnost ocelové a kompozitní 2-MW turbíny je 9 888 kg a 7 016 kg.Ocelové a kompozitní turbíny o výkonu 250 kW mají hmotnost 3 734 kg a 1 927 kg.Součet předpokládá 20 branek pro každou turbínu a délku přivaděče rovnající se hlavě turbíny.Je pravděpodobné, že přivaděč by byl delší a vyžadoval by kování, ale toto číslo poskytuje základní odhad hmotnosti jednotky a souvisejících periferií.Generátor, šrouby a zařízení pro ovládání brány nejsou součástí dodávky a předpokládá se, že jsou podobné mezi kompozitními a ocelovými jednotkami.Za zmínku také stojí, že přepracování žlabu, které je nutné pro zohlednění koncentrací napětí pozorovaných v FEA, by zvýšilo hmotnost kompozitních jednotek, ale předpokládá se, že množství bude minimální, řádově 5 kg, aby se zpevnily body s koncentrací napětí.
S danými hmotnostmi by kompozitovou turbínu o výkonu 2 MW a její přivaděč mohl zvednout rychlý V-22 Osprey, zatímco ocelový stroj by vyžadoval pomalejší, hůře ovladatelný dvourotorový vrtulník Chinook.Kompozitní turbínu a přivaděč o výkonu 2 MW bylo také možné táhnout F-250 4×4, zatímco ocelová jednotka by vyžadovala větší nákladní automobil, který by bylo obtížné manévrovat na lesních cestách, pokud by byla instalace vzdálená.
Závěry
Turbíny je možné konstruovat z kompozitních materiálů a bylo pozorováno snížení hmotnosti o 50 % až 70 % ve srovnání s konvenčními ocelovými součástmi.Snížená hmotnost umožňuje instalaci kompozitních turbín na vzdálená místa.Montáž těchto kompozitních konstrukcí navíc nevyžaduje svařovací zařízení.Komponenty také vyžadují méně dílů k sešroubování, protože každý kus může být vyroben v jedné nebo dvou sekcích.Při malých výrobních sériích modelovaných v této studii převažují náklady na formy a další nástroje nad cenou komponent.
Zde uvedené malé série ukazují, kolik by stálo zahájení dalšího výzkumu těchto materiálů.Tento výzkum se může zabývat kavitační erozí a UV ochranou součástí po instalaci.Může být možné použít elastomerové nebo keramické povlaky ke snížení kavitace nebo k zajištění toho, aby turbína běžela v režimech průtoku a spádu, které zabraňují vzniku kavitace.Bude důležité otestovat a vyřešit tyto a další problémy, aby bylo zajištěno, že jednotky dosáhnou podobné spolehlivosti jako ocelové turbíny, zejména pokud mají být instalovány v oblastech, kde nebude údržba častá.
I při těchto malých sériích mohou být některé kompozitní komponenty nákladově efektivní díky snížené pracnosti potřebné pro výrobu.Například svitkové pouzdro pro jednotku Francis o výkonu 2 MW by stálo svařování z oceli 80 000 USD ve srovnání s 25 000 USD při výrobě kompozitu.Avšak za předpokladu úspěšného návrhu oběžných kol turbíny jsou náklady na lisování kompozitních oběžných kol vyšší než ekvivalentní ocelové součásti.2-MW běžec by stál asi 23 000 USD na výrobu z oceli, ve srovnání s 27 000 USD z kompozitu.Náklady se mohou lišit podle stroje.A náklady na kompozitní komponenty by při vyšších výrobních sériích výrazně klesly, pokud by bylo možné formy znovu použít.
Výzkumníci již zkoumali konstrukci oběžných kol turbín z kompozitních materiálů.8 Tato studie se však nezabývala kavitační erozí a proveditelností konstrukce.Dalším krokem pro kompozitní turbíny je navrhnout a postavit zmenšený model, který umožní prokázat proveditelnost a hospodárnost výroby.Tato jednotka může být poté testována, aby se určila účinnost a použitelnost, stejně jako metody prevence nadměrné kavitační eroze.
Čas odeslání: 15. února 2022
