Komposiitmaterjalid on tungimas hüdroelektrienergiatööstuse seadmete ehitamisesse.Materjali tugevuse ja muude kriteeriumide uurimine näitab palju rohkem rakendusi, eriti väikeste ja mikroseadmete jaoks.
Seda artiklit on hinnatud ja redigeeritud vastavalt kahe või enama asjakohaste teadmistega spetsialisti tehtud ülevaadetele.Need eksperdihinnangud hindavad käsikirju tehnilise täpsuse, kasulikkuse ja üldise tähtsuse osas hüdroelektritööstuses.
Uute materjalide esilekerkimine pakub hüdroelektritööstusele põnevaid võimalusi.Puit, mida kasutati algsetes vesiratastes ja penstockides, asendati 1800. aastate alguses osaliselt teraskomponentidega.Teras säilitab oma tugevuse tänu suurele väsimuskoormusele ning on vastupidav kavitatsioonierosioonile ja korrosioonile.Selle omadused on hästi arusaadavad ja komponentide valmistamise protsessid on hästi välja töötatud.Suurte üksuste puhul jääb tõenäoliselt valitud materjaliks teras.
Arvestades aga väikeste (alla 10 MW) turbiinide kasvu mikrosuuruses (alla 100 kW) turbiinideks, saab komposiite kasutada kaalu säästmiseks ning tootmiskulude ja keskkonnamõju vähendamiseks.See on eriti oluline, arvestades elektrivarustuse jätkuvat kasvu.Maailma paigaldatud hüdrovõimsus, ligi 800 000 MW Norwegian Renewable Energy Partnersi 2009. aasta uuringu järgi, moodustab vaid 10% majanduslikult teostatavast ja 6% tehniliselt teostatavast hüdroenergiast.Võimalus tuua rohkem tehniliselt teostatavat hüdroenergiat majanduslikult teostatava valdkonda suureneb koos komposiitkomponentide võimega pakkuda mastaabisäästu.
Komposiitkomponentide tootmine
Pliiatsi säästlikuks ja püsivalt suure tugevusega tootmiseks on parim meetod hõõgniidi mähis.Suur südamik on mähitud vaiguvannist läbi lastud kiutakud.Takud on mähitud rõngaste ja spiraalsete mustritega, et luua tugevust sisemise surve, pikisuunalise painutamise ja käsitsemise jaoks.Allolevas tulemuste jaotises on näidatud kohalike tarnijate hinnapakkumise põhjal kahe suuruse pliiatsi suuruse jala hind ja kaal.Tsitaat näitas, et projekteeritud paksuse tingisid pigem paigaldus- ja käsitsemisnõuded, mitte suhteliselt madal survekoormus ning mõlema puhul oli see 2,28 cm.
Väravate ja tugitiibade puhul kaaluti kahte tootmismeetodit;märg paigutus ja vaakum-infusioon.Märg layup kasutab kuiva kangast, mille immutamiseks valatakse kangale vaiku ja surutakse vaiku kangasse rullide abil.See protsess ei ole nii puhas kui vaakum-infusioon ega anna alati kiu ja vaigu suhte osas kõige optimeeritud struktuuri, kuid see võtab vähem aega kui vaakum-infusiooniprotsess.Vaakum-infusioonil asetatakse kuiv kiud õigesse suunda ja kuiv virn pakitakse seejärel vaakumkottidesse ja lisatakse liitmikud, mis juhivad vaigu juurdevoolu, mis vaakumi rakendamisel osasse tõmmatakse.Vaakum aitab hoida vaigu kogust optimaalsel tasemel ja vähendab lenduvate orgaaniliste ainete eraldumist.
Kerimisümbrises kasutatakse sileda sisepinna tagamiseks käsitsi paigutust kaheks eraldi pooleks.Need kaks poolt ühendatakse seejärel piisava tugevuse tagamiseks liimimispunkti välisküljele lisatud kiududega.Survekoormus kerimiskorpuses ei nõua ülitugevat täiustatud komposiiti, seega piisab epoksüvaiguga klaaskiudkanga märgkihist.Kerimiskorpuse paksus põhines samal konstruktsiooniparameetril, mis pliiatsil.250 kW seade on aksiaalne voolumasin, seega puudub kerimiskast.
Turbiini jooksur ühendab keeruka geomeetria kõrgete koormusnõuetega.Hiljutised tööd on näidanud, et ülitugevaid konstruktsioonikomponente saab toota suure tugevuse ja jäikusega tükeldatud prepreg SMC-st.5 Lamborghini Gallardo vedrustusvars kujundati mitmest kihist hakitud prepreg SMC-st, mida tuntakse sepistatud komposiidina, survevalu vormis. vajaliku paksuse saamiseks.Sama meetodit saab rakendada ka Francise ja propelleri jooksjate puhul.Francis-jooksjat ei saa teha ühe üksusena, kuna tera kattumise keerukus takistaks detaili vormist väljatõmbamist.Seega valmistatakse jooksuri labad, kroon ja riba eraldi ning seejärel ühendatakse need kokku ja tugevdatakse poltidega läbi võra ja riba väliskülje.
Kuigi tõmbetoru on kõige lihtsam valmistada hõõgniidi mähisega, ei ole seda protsessi looduslike kiudude abil turustatud.Seega valiti käsitsi ladumus, kuna see on vaatamata suurematele tööjõukuludele standardne valmistamisviis.Torniga sarnase isasvormi abil saab paigutuse lõpule viia nii, et vorm on horisontaalne ja keeratakse seejärel kõvenemiseks vertikaalselt, vältides ühe külje longust.Komposiitdetailide kaal varieerub veidi sõltuvalt vaigu kogusest valmisosas.Need arvud põhinevad 50% kiu massil.
Terasest ja komposiitturbiini 2-MW kogumass on vastavalt 9888 kg ja 7016 kg.250 kW võimsusega teras- ja komposiitturbiinid on vastavalt 3734 kg ja 1927 kg.Kokkuvõttes eeldatakse, et iga turbiini jaoks on 20 jalgväravat ja penstocki pikkus, mis on võrdne turbiini tipuga.Tõenäoliselt oleks pliiats pikem ja vajaks liitmikke, kuid see arv annab põhihinnangu seadme ja sellega seotud välisseadmete kaalu kohta.Generaator, poldid ja värava käivitusriistvara ei kuulu komplekti ning eeldatakse, et need on komposiit- ja terasdetailide puhul sarnased.Samuti väärib märkimist, et FEA-s nähtud pingekontsentratsioonide arvessevõtmiseks vajalik jooksja ümberkujundus lisaks liitühikutele kaalu, kuid eeldatakse, et kogus on minimaalne, suurusjärgus 5 kg, et tugevdada pingekontsentratsiooniga punkte.
Antud raskuste juures suudaks 2-MW komposiitturbiini ja selle penstocki tõsta kiire V-22 Osprey, terasmasina jaoks aga vajaks aeglasemat, vähem manööverdatava kahe rootoriga helikopterit Chinook.Samuti saaks 2-MW komposiitturbiini ja penstocki pukseerida F-250 4 × 4-ga, samas kui terasagregaadi jaoks oleks vaja suuremat veokit, mida oleks raske metsateedel manööverdada, kui paigaldus oleks kaugel.
Järeldused
Komposiitmaterjalidest on turbiine võimalik ehitada ja võrreldes tavaliste teraskomponentidega on näha 50% kuni 70% kaalulangust.Vähendatud kaal võimaldab komposiitturbiine paigaldada kaugematesse kohtadesse.Lisaks ei vaja nende komposiitkonstruktsioonide kokkupanemine keevitusseadmeid.Komponentide jaoks on vaja ka vähem osi poltidega kokku keerata, kuna iga detaili saab teha ühes või kahes osas.Selles uuringus modelleeritud väikeste tootmistsüklite puhul domineerivad komponentide maksumuse üle valuvormide ja muude tööriistade maksumus.
Siin näidatud väikesed tiraažid näitavad, kui palju maksaks nende materjalide edasise uurimise alustamine.See uuring võib käsitleda kavitatsiooni erosiooni ja komponentide UV-kaitset pärast paigaldamist.Võib olla võimalik kasutada elastomeer- või keraamilisi katteid, et vähendada kavitatsiooni või tagada turbiini töö voolu- ja tõsterežiimis, mis takistab kavitatsiooni teket.Neid ja muid probleeme on oluline testida ja lahendada, et tagada seadmete töökindlus terasturbiinidega, eriti kui need paigaldatakse piirkondadesse, kus hooldust teostatakse harva.
Isegi nende väikeste tiraažide korral võivad mõned komposiitkomponendid olla kulutõhusad, kuna tootmiseks kulub vähem tööjõudu.Näiteks 2-MW Francise seadme kerimiskorpus maksaks terasest keevitamiseks 80 000 dollarit, komposiitide valmistamisel aga 25 000 dollarit.Kui aga eeldada turbiinide jooksutorude edukat konstrueerimist, on komposiitjuhikute vormimise kulud rohkem kui samaväärsed terasdetailid.2 MW jooksuri terasest tootmine maksaks umbes 23 000 dollarit, komposiitmaterjalist 27 000 dollarit.Kulud võivad masinati erineda.Ja komposiitkomponentide maksumus langeks märkimisväärselt suuremate tootmistsüklite korral, kui vorme saaks uuesti kasutada.
Teadlased on juba uurinud komposiitmaterjalidest turbiinide jooksutorude ehitamist.8 Selles uuringus ei käsitletud aga kavitatsioonierosiooni ega ehitamise teostatavust.Komposiitturbiinide järgmine samm on kavandada ja ehitada mudel, mis võimaldab tõestada tootmise teostatavust ja ökonoomsust.Seda seadet saab seejärel testida, et teha kindlaks tõhusus ja rakendatavus, samuti meetodid liigse kavitatsiooni erosiooni vältimiseks.
Postitusaeg: 15. veebruar 2022
