چگونه می توان از مواد کامپوزیتی برای توربین های آبی کوچک Forster استفاده کرد

مواد کامپوزیت در ساخت تجهیزات صنعت برق آبی در حال پیشرفت هستند.بررسی استحکام مواد و سایر معیارها کاربردهای بسیار بیشتری را به ویژه برای واحدهای کوچک و کوچک نشان می دهد.
این مقاله مطابق با بررسی های انجام شده توسط دو یا چند متخصص که دارای تخصص مرتبط هستند، ارزیابی و ویرایش شده است.این داوران همتا، دست نوشته ها را از نظر دقت فنی، سودمندی و اهمیت کلی در صنعت برق آبی قضاوت می کنند.
ظهور مواد جدید فرصت های هیجان انگیزی را برای صنعت برق آبی فراهم می کند.چوب - که در چرخ‌های آبی و پنستوک‌های اصلی استفاده می‌شد - در اوایل دهه 1800 تا حدی با اجزای فولادی جایگزین شد.فولاد استحکام خود را از طریق بارگذاری خستگی بالا حفظ می کند و در برابر فرسایش حفره ای و خوردگی مقاومت می کند.خواص آن به خوبی درک شده است و فرآیندهای ساخت قطعات به خوبی توسعه یافته است.برای واحدهای بزرگ، فولاد احتمالاً ماده انتخابی باقی خواهد ماند.
با این حال، با توجه به ظهور توربین‌های کوچک (زیر 10 مگاوات) تا میکرو (زیر 100 کیلووات)، از کامپوزیت‌ها می‌توان برای صرفه‌جویی در وزن و کاهش هزینه‌های ساخت و اثرات زیست‌محیطی استفاده کرد.این امر به ویژه با توجه به نیاز مستمر به رشد عرضه برق مرتبط است.ظرفیت آبی نصب شده جهان، نزدیک به 800000 مگاوات، طبق مطالعه سال 2009 توسط شرکای انرژی تجدیدپذیر نروژ، تنها 10 درصد از توان اقتصادی امکان پذیر و 6 درصد از انرژی آبی امکان پذیر از نظر فنی است.با توانایی اجزای مرکب برای فراهم کردن صرفه جویی در مقیاس، پتانسیل وارد کردن بیشتر آب از لحاظ فنی امکان پذیر به قلمروی از نظر اقتصادی امکان پذیر افزایش می یابد.

تولید قطعات کامپوزیتی
برای تولید مقرون به صرفه پنستاک و با استحکام بالا، بهترین روش سیم پیچی رشته ای است.یک سنبه بزرگ با یدک هایی از الیاف پیچیده شده است که از یک حمام رزینی عبور داده شده است.یدک‌ها در قالب حلقه‌ای و مارپیچ پیچیده شده‌اند تا برای فشار داخلی، خمش طولی و جابجایی استحکام ایجاد کنند.بخش نتایج زیر هزینه و وزن هر فوت را برای دو اندازه پنستوک بر اساس نقل قول از تامین کنندگان محلی نشان می دهد.این نقل قول نشان داد که ضخامت طراحی به جای بار فشار نسبتا کم، به دلیل نیازهای نصب و جابجایی است و برای هر دو 2.28 سانتی متر بود.
دو روش ساخت برای دروازه های ویکت و پره های نگهدارنده در نظر گرفته شد.چیدمان مرطوب و تزریق خلاء.لایه‌آپ مرطوب از پارچه خشک استفاده می‌کند که با ریختن رزین روی پارچه و استفاده از غلتک‌ها برای فشار دادن رزین به پارچه آغشته می‌شود.این فرآیند به تمیزی انفوزیون خلاء نیست و همیشه بهینه ترین ساختار را از نظر نسبت فیبر به رزین ایجاد نمی کند، اما زمان کمتری نسبت به فرآیند تزریق خلاء می برد.تزریق خلاء، فیبر خشک را در جهت‌های صحیح قرار می‌دهد، و سپس پشته خشک کیسه‌های خلاء می‌شود و اتصالات اضافی وصل می‌شود که منجر به منبع رزین می‌شود، که هنگام اعمال خلاء به داخل قطعه کشیده می‌شود.خلاء به حفظ مقدار رزین در سطح مطلوب کمک می کند و باعث کاهش انتشار مواد آلی فرار می شود.
محفظه اسکرول از یک چیدمان دستی در دو نیمه جداگانه روی قالب مردانه استفاده می کند تا سطح داخلی صافی داشته باشد.سپس این دو نیمه با فیبر اضافه شده به بیرون در نقطه اتصال به یکدیگر متصل می شوند تا از استحکام کافی اطمینان حاصل شود.بار فشار در محفظه اسکرول به یک کامپوزیت پیشرفته با استحکام بالا نیاز ندارد، بنابراین یک چیدمان مرطوب پارچه فایبر گلاس با رزین اپوکسی کافی خواهد بود.ضخامت محفظه طومار بر اساس همان پارامتر طراحی به عنوان penstock بود.واحد 250 کیلوواتی یک ماشین جریان محوری است، بنابراین هیچ مورد اسکرول وجود ندارد.

یک توربین یک هندسه پیچیده را با نیازهای بار بالا ترکیب می کند.کار اخیر نشان داده است که اجزای ساختاری با استحکام بالا را می توان از یک SMC پیش آغشته شده خرد شده با استحکام و سفتی عالی تولید کرد.5 بازوی تعلیق لامبورگینی گالاردو با استفاده از چندین لایه از یک SMC پیش آغشته خرد شده به نام کامپوزیت آهنگری، قالب گیری فشرده طراحی شده است. برای تولید ضخامت مورد نیازهمین روش را می توان برای دونده فرانسیس و پروانه نیز اعمال کرد.فرانسیس رانر نمی تواند به عنوان یک واحد ساخته شود، زیرا پیچیدگی همپوشانی تیغه مانع از استخراج قطعه از قالب می شود.بنابراین، تیغه های رانر، تاج و نوار به طور جداگانه ساخته می شوند و سپس به یکدیگر متصل می شوند و با پیچ و مهره از قسمت بیرونی تاج و نوار تقویت می شوند.
در حالی که لوله کششی به راحتی با استفاده از سیم پیچ فیلامنتی تولید می شود، این فرآیند با استفاده از الیاف طبیعی تجاری سازی نشده است.بنابراین، چیدمان دست انتخاب شد، زیرا این روش استاندارد تولید است، با وجود هزینه های نیروی کار بالاتر.با استفاده از یک قالب نر شبیه سنبه، می‌توان چیدمان را با قالب به صورت افقی تکمیل کرد و سپس به حالت عمودی تبدیل کرد تا از یک طرف افتادگی جلوگیری شود.وزن قطعات کامپوزیت بسته به میزان رزین در قطعه تمام شده کمی متفاوت خواهد بود.این اعداد بر اساس 50 درصد وزن فیبر است.
وزن کل توربین فولادی و کامپوزیت 2 مگاواتی به ترتیب 9888 کیلوگرم و 7016 کیلوگرم است.توربین های فولادی و کامپوزیت 250 کیلوواتی به ترتیب 3734 کیلوگرم و 1927 کیلوگرم هستند.در مجموع 20 گیت ویکت برای هر توربین و طول پنستوک برابر با سر توربین فرض می شود.این احتمال وجود دارد که پنستوک طولانی‌تر باشد و به اتصالات نیاز داشته باشد، اما این عدد تخمین اساسی از وزن واحد و تجهیزات جانبی مربوطه را ارائه می‌دهد.ژنراتور، پیچ و مهره ها و سخت افزار محرک دروازه شامل نمی شوند و فرض می شود که بین واحدهای کامپوزیت و فولاد مشابه هستند.همچنین شایان ذکر است که طراحی مجدد دونده مورد نیاز برای در نظر گرفتن غلظت تنش مشاهده شده در FEA به واحدهای ترکیبی وزن می‌افزاید، اما این مقدار حداقل در حد 5 کیلوگرم برای تقویت نقاط با تمرکز تنش در نظر گرفته می‌شود.
با وزن های داده شده، توربین کامپوزیتی 2 مگاواتی و پنستوک آن را می توان با V-22 Osprey سریع بلند کرد، در حالی که ماشین فولادی به یک هلیکوپتر روتور دوقلوی شینوک کندتر و با قابلیت مانور کمتر نیاز دارد.همچنین، توربین کامپوزیت و پنستاک 2 مگاواتی را می‌توان توسط یک F-250 4×4 یدک‌کشید، در حالی که واحد فولادی به یک کامیون بزرگ‌تر نیاز دارد که در صورت نصب از راه دور، مانور دادن در جاده‌های جنگلی دشوار خواهد بود.

نتیجه گیری
ساخت توربین از مواد کامپوزیتی امکان پذیر است و کاهش وزن 50 تا 70 درصد در مقایسه با قطعات فولادی معمولی مشاهده شد.وزن کاهش یافته می تواند به توربین های کامپوزیت اجازه دهد تا در مکان های دور نصب شوند.علاوه بر این، مونتاژ این سازه های کامپوزیتی نیازی به تجهیزات جوشکاری ندارد.قطعات نیز به قطعات کمتری نیاز دارند که به یکدیگر پیچ شوند، زیرا هر قطعه را می توان در یک یا دو بخش ساخت.در دوره‌های تولید کوچک مدل‌سازی شده در این مطالعه، هزینه قالب‌ها و سایر ابزارآلات بر هزینه قطعات غالب است.
اجراهای کوچک نشان داده شده در اینجا نشان می دهد که شروع تحقیقات بیشتر در مورد این مواد چه هزینه ای دارد.این تحقیق می تواند فرسایش کاویتاسیون و حفاظت در برابر اشعه ماوراء بنفش قطعات را پس از نصب بررسی کند.ممکن است بتوان از پوشش‌های الاستومری یا سرامیکی برای کاهش کاویتاسیون یا اطمینان از کارکرد توربین در رژیم‌های جریان و سر که از وقوع حفره جلوگیری می‌کند، استفاده کرد.برای اطمینان از اینکه واحدها می توانند قابلیت اطمینان مشابهی با توربین های فولادی داشته باشند، آزمایش و حل و فصل این مسائل و سایر مسائل مهم خواهد بود، به خصوص اگر قرار باشد در مناطقی نصب شوند که تعمیر و نگهداری به ندرت انجام می شود.
حتی در این کار های کوچک، برخی از اجزای کامپوزیت می توانند به دلیل کاهش کار مورد نیاز برای ساخت مقرون به صرفه باشند.به عنوان مثال، یک جعبه اسکرول برای واحد 2 مگاواتی فرانسیس 80000 دلار برای جوشکاری از فولاد در مقایسه با 25000 دلار برای ساخت کامپوزیت هزینه دارد.با این حال، با فرض طراحی موفقیت آمیز رانرهای توربین، هزینه قالب گیری رانرهای کامپوزیت بیش از اجزای فولادی معادل است.هزینه ساخت این رانر 2 مگاواتی در حدود 23000 دلار از فولاد در مقایسه با 27000 دلار از کامپوزیت است.هزینه ها ممکن است بسته به دستگاه متفاوت باشد.و در صورت استفاده مجدد از قالب ها، هزینه قطعات کامپوزیت در دوره های تولید بالاتر به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.
محققان قبلاً ساخت توربین‌ها را از مواد کامپوزیتی بررسی کرده‌اند.8 با این حال، این مطالعه به فرسایش حفره‌ای و امکان‌سنجی ساخت نپرداخته است.گام بعدی برای توربین های کامپوزیت طراحی و ساخت مدلی در مقیاس است که امکان اثبات امکان سنجی و صرفه جویی در ساخت را فراهم می کند.سپس می توان این واحد را برای تعیین کارایی و کاربرد و همچنین روش های جلوگیری از فرسایش بیش از حد حفره ای آزمایش کرد.