Τα σύνθετα υλικά κάνουν εισβολή στην κατασκευή εξοπλισμού για τη βιομηχανία υδροηλεκτρικής ενέργειας.Μια έρευνα για την αντοχή του υλικού και άλλα κριτήρια αποκαλύπτει πολλές περισσότερες εφαρμογές, ιδιαίτερα για μικρές και μικρομονάδες.
Αυτό το άρθρο έχει αξιολογηθεί και υποβληθεί σε επεξεργασία σύμφωνα με αξιολογήσεις που πραγματοποιήθηκαν από δύο ή περισσότερους επαγγελματίες που διαθέτουν σχετική εμπειρία.Αυτοί οι κριτές κρίνουν τα χειρόγραφα για τεχνική ακρίβεια, χρησιμότητα και γενική σημασία στην υδροηλεκτρική βιομηχανία.
Η άνοδος των νέων υλικών παρέχει συναρπαστικές ευκαιρίες για την υδροηλεκτρική βιομηχανία.Ξύλο — που χρησιμοποιήθηκε στους αρχικούς υδατοτροχούς και στελέχη — αντικαταστάθηκε εν μέρει από χαλύβδινα εξαρτήματα στις αρχές του 1800.Ο χάλυβας διατηρεί τη δύναμή του μέσω υψηλής φόρτισης κόπωσης και αντιστέκεται στη διάβρωση και τη διάβρωση λόγω σπηλαίωσης.Οι ιδιότητές του είναι καλά κατανοητές και οι διαδικασίες για την κατασκευή εξαρτημάτων είναι καλά ανεπτυγμένες.Για μεγάλες μονάδες, ο χάλυβας θα παραμείνει πιθανότατα το υλικό επιλογής.
Ωστόσο, δεδομένης της αύξησης των στροβίλων μικρών (κάτω των 10 MW) έως μικρού μεγέθους (κάτω των 100 kW), τα σύνθετα υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για εξοικονόμηση βάρους και μείωση του κόστους κατασκευής και των περιβαλλοντικών επιπτώσεων.Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό δεδομένης της συνεχιζόμενης ανάγκης για αύξηση της παροχής ηλεκτρικής ενέργειας.Η εγκατεστημένη παγκόσμια υδροηλεκτρική ισχύς, σχεδόν 800.000 MW σύμφωνα με μελέτη του 2009 από τους Norwegian Renewable Energy Partners, είναι μόνο το 10% της οικονομικά εφικτής και 6% της τεχνικά εφικτής υδροηλεκτρικής ενέργειας.Η δυνατότητα εισαγωγής περισσότερων από την τεχνικά εφικτή υδροηλεκτρική ενέργεια στη σφαίρα των οικονομικά εφικτών αυξάνεται με την ικανότητα των σύνθετων εξαρτημάτων να παρέχουν οικονομία κλίμακας.
Κατασκευή σύνθετων εξαρτημάτων
Για την οικονομική και σταθερή υψηλή αντοχή της κατασκευής του πηνίου, η καλύτερη μέθοδος είναι η περιέλιξη του νήματος.Ένα μεγάλο μανδρέλι είναι τυλιγμένο με ράβδους ινών που έχουν περάσει μέσα από ένα λουτρό ρητίνης.Τα ρυμουλκά είναι τυλιγμένα σε στεφάνι και ελικοειδή σχέδια για να δημιουργήσουν αντοχή για εσωτερική πίεση, διαμήκη κάμψη και χειρισμό.Η παρακάτω ενότητα αποτελεσμάτων δείχνει το κόστος και το βάρος ανά πόδι για τα δύο μεγέθη αποθέματος, με βάση μια προσφορά από τοπικούς προμηθευτές.Η προσφορά έδειξε ότι το πάχος της σχεδίασης καθοδηγούνταν από τις απαιτήσεις εγκατάστασης και χειρισμού, παρά από το σχετικά χαμηλό φορτίο πίεσης, και και για τα δύο ήταν 2,28 cm.
Εξετάστηκαν δύο μέθοδοι κατασκευής για τις αυλόπορτες και τα πτερύγια στήριξης.υγρό layup και έγχυση κενού.Το Wet layup χρησιμοποιεί στεγνό ύφασμα, το οποίο εμποτίζεται ρίχνοντας ρητίνη πάνω από το ύφασμα και χρησιμοποιώντας κυλίνδρους για να σπρώξει τη ρητίνη μέσα στο ύφασμα.Αυτή η διαδικασία δεν είναι τόσο καθαρή όσο η έγχυση κενού και δεν παράγει πάντα την πιο βελτιστοποιημένη δομή όσον αφορά την αναλογία ινών προς ρητίνη, αλλά χρειάζεται λιγότερο χρόνο από τη διαδικασία έγχυσης κενού.Η έγχυση κενού τοποθετεί τις ξηρές ίνες στους σωστούς προσανατολισμούς και η ξηρή στοίβα στη συνέχεια τοποθετείται σε σακούλα κενού και προσαρμόζονται πρόσθετα εξαρτήματα που οδηγούν σε παροχή ρητίνης, η οποία τραβιέται στο εξάρτημα όταν εφαρμόζεται το κενό.Το κενό βοηθά στη διατήρηση της ποσότητας της ρητίνης στο βέλτιστο επίπεδο και μειώνει την απελευθέρωση πτητικών οργανικών ουσιών.
Η θήκη κύλισης θα χρησιμοποιήσει μια διάταξη χεριού σε δύο ξεχωριστά μισά σε ένα αρσενικό καλούπι για να εξασφαλίσει μια λεία εσωτερική επιφάνεια.Αυτά τα δύο μισά στη συνέχεια θα συνδεθούν μεταξύ τους με ίνα που προστίθεται εξωτερικά στο σημείο συγκόλλησης για να εξασφαλιστεί επαρκής αντοχή.Το φορτίο πίεσης στη θήκη κύλισης δεν απαιτεί προηγμένο σύνθετο υλικό υψηλής αντοχής, επομένως αρκεί μια υγρή διάταξη υφάσματος από υαλοβάμβακα με εποξική ρητίνη.Το πάχος της θήκης κύλισης βασίστηκε στην ίδια παράμετρο σχεδίασης με το στέλεχος.Η μονάδα 250 kW είναι μια μηχανή αξονικής ροής, επομένως δεν υπάρχει θήκη κύλισης.
Ένας δρομέας στροβίλου συνδυάζει μια σύνθετη γεωμετρία με υψηλές απαιτήσεις φορτίου.Πρόσφατες εργασίες έδειξαν ότι δομικά εξαρτήματα υψηλής αντοχής μπορούν να κατασκευαστούν από τεμαχισμένο SMC προεμποτίσματος με εξαιρετική αντοχή και ακαμψία.5 Ο βραχίονας ανάρτησης της Lamborghini Gallardo σχεδιάστηκε χρησιμοποιώντας πολλαπλές στρώσεις ενός τεμαχισμένου προεμποτίσματος SMC γνωστό ως σφυρήλατο σύνθετο, χυτευμένο με συμπίεση για να παραχθεί το απαιτούμενο πάχος.Η ίδια μέθοδος μπορεί να εφαρμοστεί στους δρομείς Francis και έλικας.Ο δρομέας Francis δεν μπορεί να κατασκευαστεί ως μία μονάδα, καθώς η πολυπλοκότητα της επικάλυψης της λεπίδας θα εμπόδιζε την εξαγωγή του τμήματος από το καλούπι.Έτσι, οι λεπίδες, η κορώνα και η ταινία κατασκευάζονται χωριστά και στη συνέχεια συνδέονται μεταξύ τους και ενισχύονται με μπουλόνια μέσω του εξωτερικού της στεφάνης και της ταινίας.
Ενώ ο σωλήνας έλξης κατασκευάζεται πιο εύκολα χρησιμοποιώντας περιέλιξη νήματος, αυτή η διαδικασία δεν έχει κυκλοφορήσει στο εμπόριο χρησιμοποιώντας φυσικές ίνες.Έτσι, επιλέχθηκε η διάταξη χεριών, καθώς αυτή είναι η τυπική μέθοδος κατασκευής, παρά το υψηλότερο κόστος εργασίας.Χρησιμοποιώντας ένα αρσενικό καλούπι παρόμοιο με ένα μανδρέλι, το layup μπορεί να ολοκληρωθεί με το καλούπι οριζόντια και στη συνέχεια να στραφεί κατακόρυφα για να σκληρυνθεί, αποτρέποντας τη χαλάρωση στη μία πλευρά.Το βάρος των σύνθετων εξαρτημάτων θα ποικίλλει ελαφρώς ανάλογα με την ποσότητα ρητίνης στο έτοιμο μέρος.Αυτοί οι αριθμοί βασίζονται στο 50% βάρος των ινών.
Τα συνολικά βάρη για τον χαλύβδινο και τον σύνθετο στρόβιλο 2-MW είναι 9.888 kg και 7.016 kg, αντίστοιχα.Οι ατσάλινοι και σύνθετοι στρόβιλοι 250 kW είναι 3.734 kg και 1.927 kg, αντίστοιχα.Τα σύνολα προϋποθέτουν 20 πύλες wicket για κάθε στρόβιλο και ένα μήκος στύλου ίσο με την κεφαλή του στροβίλου.Είναι πιθανό ότι το στέλεχος θα ήταν μεγαλύτερο και θα απαιτούσε εξαρτήματα, αλλά αυτός ο αριθμός δίνει μια βασική εκτίμηση του βάρους της μονάδας και των σχετικών περιφερειακών.Η γεννήτρια, τα μπουλόνια και ο εξοπλισμός ενεργοποίησης πύλης δεν περιλαμβάνονται και θεωρείται ότι είναι παρόμοια μεταξύ των σύνθετων και χαλύβδινων μονάδων.Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι ο επανασχεδιασμός του δρομέα που απαιτείται για να ληφθούν υπόψη οι συγκεντρώσεις στρες που φαίνονται στο FEA θα πρόσθετο βάρος στις σύνθετες μονάδες, αλλά η ποσότητα θεωρείται ελάχιστη, της τάξης των 5 kg για την ενίσχυση σημείων με συγκέντρωση στρες
Με τα δεδομένα βάρη, ο σύνθετος στρόβιλος των 2 MW και το στόμιό του θα μπορούσαν να ανυψωθούν από το γρήγορο V-22 Osprey, ενώ το μηχάνημα χάλυβα θα απαιτούσε ένα πιο αργό, λιγότερο ευέλικτο ελικόπτερο με διπλό ρότορα Chinook.Επίσης, ο σύνθετος στρόβιλος 2-MW και το πηνίο θα μπορούσαν να ρυμουλκηθούν από ένα F-250 4×4, ενώ η μονάδα χάλυβα θα απαιτούσε ένα μεγαλύτερο φορτηγό που θα ήταν δύσκολο να ελιγμών σε δασικούς δρόμους εάν η εγκατάσταση ήταν απομακρυσμένη.
συμπεράσματα
Είναι εφικτή η κατασκευή στροβίλων από σύνθετα υλικά και παρατηρήθηκε μείωση βάρους από 50% έως 70% σε σύγκριση με τα συμβατικά εξαρτήματα χάλυβα.Το μειωμένο βάρος μπορεί να επιτρέψει την εγκατάσταση σύνθετων στροβίλων σε απομακρυσμένες τοποθεσίες.Επιπλέον, η συναρμολόγηση αυτών των σύνθετων κατασκευών δεν απαιτεί εξοπλισμό συγκόλλησης.Τα εξαρτήματα απαιτούν επίσης λιγότερα εξαρτήματα που πρέπει να βιδωθούν μεταξύ τους, καθώς κάθε κομμάτι μπορεί να κατασκευαστεί σε ένα ή δύο τμήματα.Στις μικρές σειρές παραγωγής που διαμορφώθηκαν σε αυτή τη μελέτη, το κόστος των καλουπιών και άλλων εργαλείων κυριαρχεί στο κόστος των εξαρτημάτων.
Οι μικρές σειρές που αναφέρονται εδώ δείχνουν το κόστος για την έναρξη περαιτέρω έρευνας σε αυτά τα υλικά.Αυτή η έρευνα μπορεί να αντιμετωπίσει τη διάβρωση της σπηλαίωσης και την προστασία από την υπεριώδη ακτινοβολία των εξαρτημάτων μετά την εγκατάσταση.Μπορεί να είναι δυνατή η χρήση ελαστομερών ή κεραμικών επικαλύψεων για τη μείωση της σπηλαίωσης ή για να διασφαλιστεί ότι ο στρόβιλος λειτουργεί σε συνθήκες ροής και κεφαλής που εμποδίζουν την εμφάνιση σπηλαίωσης.Θα είναι σημαντικό να δοκιμάσετε και να επιλύσετε αυτά και άλλα ζητήματα για να διασφαλίσετε ότι οι μονάδες μπορούν να επιτύχουν παρόμοια αξιοπιστία με τους χαλύβδινους στρόβιλους, ειδικά εάν πρόκειται να εγκατασταθούν σε περιοχές όπου η συντήρηση θα είναι σπάνια.
Ακόμη και σε αυτές τις μικρές εκδόσεις, ορισμένα σύνθετα εξαρτήματα μπορεί να είναι οικονομικά αποδοτικά λόγω της μειωμένης εργασίας που απαιτείται για την κατασκευή.Για παράδειγμα, μια θήκη κύλισης για τη μονάδα Francis ισχύος 2 MW θα κόστιζε 80.000 $ για να συγκολληθεί από χάλυβα σε σύγκριση με 25.000 $ για την κατασκευή σύνθετων υλικών.Ωστόσο, αν υποθέσουμε ότι ο επιτυχής σχεδιασμός των δρομέων τουρμπίνας, το κόστος για τη χύτευση των σύνθετων δρομέων είναι περισσότερο από ισοδύναμα χαλύβδινα εξαρτήματα.Ο δρομέας 2 MW θα κόστιζε περίπου 23.000 $ για την κατασκευή από χάλυβα, σε σύγκριση με $27.000 από σύνθετο υλικό.Το κόστος μπορεί να διαφέρει ανάλογα με το μηχάνημα.Και το κόστος για τα σύνθετα εξαρτήματα θα μειωνόταν σημαντικά σε υψηλότερες σειρές παραγωγής εάν τα καλούπια μπορούσαν να επαναχρησιμοποιηθούν.
Οι ερευνητές έχουν ήδη ερευνήσει την κατασκευή δρομέων στροβίλων από σύνθετα υλικά.8 Ωστόσο, αυτή η μελέτη δεν εξέτασε τη διάβρωση της σπηλαίωσης και τη σκοπιμότητα κατασκευής.Το επόμενο βήμα για τους σύνθετους στρόβιλους είναι ο σχεδιασμός και η κατασκευή ενός μοντέλου κλίμακας που θα επιτρέψει την απόδειξη της σκοπιμότητας και της οικονομίας της κατασκευής.Αυτή η μονάδα μπορεί στη συνέχεια να ελεγχθεί για να προσδιοριστεί η αποτελεσματικότητα και η δυνατότητα εφαρμογής, καθώς και οι μέθοδοι για την πρόληψη της υπερβολικής διάβρωσης λόγω σπηλαίωσης.
Ώρα δημοσίευσης: Φεβ-15-2022
