Komposiittimateriaalit tunkeutuvat vesivoimateollisuuden laitteiden rakentamiseen.Materiaalien lujuuden ja muiden kriteerien tutkiminen paljastaa monia muita käyttökohteita, erityisesti pienille ja mikroyksiköille.
Tämä artikkeli on arvioitu ja muokattu kahden tai useamman asiantuntevan ammattilaisen suorittamien arvostelujen mukaisesti.Nämä vertaisarvioijat arvioivat käsikirjoituksia teknisen tarkkuuden, hyödyllisyyden ja yleisen merkityksen perusteella vesivoimateollisuudessa.
Uusien materiaalien nousu tarjoaa jännittäviä mahdollisuuksia vesivoimateollisuudelle.Puu - jota käytettiin alkuperäisissä vesipyörissä ja kynsissä - korvattiin osittain teräskomponenteilla 1800-luvun alussa.Teräs säilyttää lujuutensa suuren väsymiskuormituksen ansiosta ja kestää kavitaatioeroosiota ja korroosiota.Sen ominaisuudet ymmärretään hyvin ja komponenttien valmistusprosessit ovat hyvin kehittyneitä.Suurissa yksiköissä teräs pysyy todennäköisesti valintamateriaalina.
Pienten (alle 10 MW) turbiinien lisääntyessä mikrokokoisiksi (alle 100 kW) turbiinien ansiosta komposiitteilla voidaan kuitenkin säästää painoa ja vähentää valmistuskustannuksia ja ympäristövaikutuksia.Tämä on erityisen tärkeää, kun otetaan huomioon sähköntoimitusten jatkuva kasvutarve.Maailman asennettu vesivoimakapasiteetti, Norwegian Renewable Energy Partnersin vuonna 2009 tekemän tutkimuksen mukaan lähes 800 000 MW, on vain 10 % taloudellisesti toteuttamiskelpoisesta ja 6 % teknisesti toteuttamiskelpoisesta vesivoimasta.Mahdollisuus tuoda enemmän teknisesti toteuttamiskelpoista vesivoimaa taloudellisesti toteuttamiskelpoisten piiriin kasvaa komposiittikomponenttien kyvyllä tarjota mittakaavaetua.
Komposiittikomponenttien valmistus
Paras tapa valmistaa kynätukki taloudellisesti ja jatkuvasti korkealla lujuudella on filamenttikäämitys.Suuri tuurna on kääritty hartsihauteen läpi ajetuilla kuitutohveilla.Köydet on kääritty vanteisiin ja kierteisiin kuvioihin, jotka luovat voimaa sisäiseen paineeseen, pituussuuntaiseen taivutukseen ja käsittelyyn.Alla olevassa tulososiossa näkyy kustannus ja paino jalkaa kohden kahdelle kynäkoolle paikallisten toimittajien tarjouksen perusteella.Tarjous osoitti, että suunnittelupaksuus johtui asennus- ja käsittelyvaatimuksista, ei suhteellisen alhaisesta painekuormasta, ja molemmilla se oli 2,28 cm.
Käyntiporttien ja tukisiipien valmistuksessa harkittiin kahta valmistusmenetelmää;märkä layup ja tyhjiöinfuusio.Märkäasennuksessa käytetään kuivaa kangasta, joka kyllästetään kaatamalla hartsia kankaan päälle ja työntämällä hartsi telojen avulla kankaaseen.Tämä prosessi ei ole yhtä puhdas kuin tyhjiöinfuusio, eikä se aina tuota optimoitua rakennetta kuitu-hartsi-suhteen suhteen, mutta se vie vähemmän aikaa kuin tyhjiöinfuusioprosessi.Tyhjiöinfuusio levittää kuivakuitua oikeisiin suuntiin, minkä jälkeen kuivapino tyhjiöpusseihin ja siihen kiinnitetään ylimääräiset liittimet, jotka johtavat hartsin syöttöön, joka vedetään osaan tyhjiössä.Tyhjiö auttaa pitämään hartsin määrän optimaalisella tasolla ja vähentää haihtuvien orgaanisten aineiden vapautumista.
Rullakotelossa käytetään käsiasettelua kahdessa erillisessä puolikkaassa urosmuotissa tasaisen sisäpinnan varmistamiseksi.Nämä kaksi puoliskoa liimataan sitten yhteen kuiduilla, jotka lisätään ulkopuolelle sidoskohdassa riittävän lujuuden varmistamiseksi.Rullakotelon painekuorma ei vaadi erittäin lujaa edistynyttä komposiittia, joten lasikuitukankaan märkä ladonta epoksihartsilla riittää.Rullakotelon paksuus perustui samaan suunnitteluparametriin kuin kynän.250 kW:n yksikkö on aksiaalivirtauskone, joten siinä ei ole rullakoteloa.
Turbiinin juoksupyörässä yhdistyy monimutkainen geometria ja korkeat kuormitusvaatimukset.Viimeaikainen työ on osoittanut, että erittäin lujia rakenneosia voidaan valmistaa hienonnetusta prepreg SMC:stä, jolla on erinomainen lujuus ja jäykkyys.5 Lamborghini Gallardon jousitusvarsi suunniteltiin käyttämällä useita kerroksia hienonnettua prepreg SMC:tä, joka tunnetaan taottuna komposiittina, puristusmuovana. vaaditun paksuuden tuottamiseksi.Samaa menetelmää voidaan soveltaa Francis- ja potkurijuoksiin.Francis-juoksua ei voi tehdä yhtenä kokonaisuutena, koska terien päällekkäisyyden monimutkaisuus estäisi osan irtoamisen muotista.Siten juoksulevyt, kruunu ja nauha valmistetaan erikseen ja sitten liitetään yhteen ja vahvistetaan pulteilla kruunun ja nauhan ulkopuolelta.
Vaikka vetoputki on helpoin valmistaa filamenttikäämitystä käyttäen, tätä prosessia ei ole kaupallistettu käyttämällä luonnonkuituja.Siten valittiin käsiasetelma, koska tämä on tavallinen valmistustapa korkeammista työvoimakustannuksista huolimatta.Karan kaltaista urosmuottia käyttämällä voidaan viimeistellä muotti vaakasuoraan ja kääntää sitten pystysuoraan kovettuakseen, mikä estää toiselta puolelta painumisen.Komposiittiosien paino vaihtelee hieman valmiissa osassa olevan hartsin määrän mukaan.Nämä luvut perustuvat 50 % kuidun painoon.
Terästurbiinin ja 2 MW:n komposiittiturbiinin kokonaispainot ovat 9 888 kg ja 7 016 kg.250 kW:n terästurbiinit painavat 3 734 kg ja komposiittiturbiinit 1 927 kg.Summissa oletetaan 20 käyntiporttia kutakin turbiinia kohti ja kynän pituus yhtä suuri kuin turbiinin kärki.On todennäköistä, että kynä olisi pidempi ja vaatisi varusteita, mutta tämä luku antaa perusarvion yksikön ja siihen liittyvien oheislaitteiden painosta.Generaattori, pultit ja portin käyttölaitteet eivät sisälly toimitukseen, ja niiden oletetaan olevan samanlaisia komposiitti- ja teräsyksiköiden välillä.On myös syytä huomata, että FEA:ssa havaittujen jännityspitoisuuksien huomioon ottamiseksi vaadittava juoksijoiden uudelleensuunnittelu lisäisi yhdistelmäyksiköiden painoa, mutta määrän oletetaan olevan minimaalinen, noin 5 kg vahvistamaan kohtia jännityskeskittymillä.
Annetuilla painoilla 2 MW:n komposiittiturbiini ja sen kynä pystyisi nostamaan nopealla V-22 Ospreyllä, kun taas teräskone vaatisi hitaamman, vähemmän ohjattavan Chinook-kaksoisroottorihelikopterin.Myös 2 MW:n komposiittiturbiinia ja penstockia voitaisiin hinata F-250 4×4:llä, kun taas teräsyksikkö vaatisi suuremman kuorma-auton, jota olisi vaikea ohjata metsäteillä, jos asennus olisi kaukana.
Johtopäätökset
Turbiinien rakentaminen komposiittimateriaaleista on mahdollista ja painon pudotus on 50-70 % verrattuna perinteisiin teräskomponentteihin.Pienennetty paino voi mahdollistaa komposiittiturbiinien asentamisen syrjäisiin paikkoihin.Lisäksi näiden komposiittirakenteiden kokoaminen ei vaadi hitsauslaitteita.Komponentit vaativat myös vähemmän osia pultattavaksi yhteen, koska jokainen kappale voidaan tehdä yhdessä tai kahdessa osassa.Tässä tutkimuksessa mallinnetuilla pienillä tuotantosarjoilla muottien ja muiden työkalujen kustannukset hallitsevat komponenttikustannuksia.
Tässä esitetyt pienet erät osoittavat, mitä näiden materiaalien lisätutkimuksen aloittaminen maksaisi.Tämä tutkimus voi käsitellä kavitaatioeroosiota ja komponenttien UV-suojaa asennuksen jälkeen.Saattaa olla mahdollista käyttää elastomeeri- tai keraamisia pinnoitteita kavitaation vähentämiseksi tai sen varmistamiseksi, että turbiini toimii virtaus- ja painetilassa, joka estää kavitaatiota.On tärkeää testata ja ratkaista nämä ja muut ongelmat sen varmistamiseksi, että yksiköt voivat saavuttaa samanlaisen luotettavuuden kuin terästurbiinit, varsinkin jos ne asennetaan alueille, joilla huolto on harvinaista.
Jopa näissä pienissä erissä jotkin komposiittikomponentit voivat olla kustannustehokkaita, koska valmistukseen tarvitaan vähemmän työvoimaa.Esimerkiksi 2 MW:n Francis-yksikön rullakotelo maksaisi 80 000 dollaria hitsattaessa terästä verrattuna 25 000 dollariin komposiittien valmistukseen.Olettaen kuitenkin, että turbiinin kannattimet on suunniteltu onnistuneesti, komposiittikannattimien muovauskustannukset ovat enemmän kuin vastaavat teräskomponentit.2 MW:n jakoputki maksaisi noin 23 000 dollaria valmistaa teräksestä verrattuna 27 000 dollariin komposiitista.Kustannukset voivat vaihdella koneittain.Ja komposiittikomponenttien kustannukset laskisivat huomattavasti suuremmilla tuotantomäärillä, jos muotteja voitaisiin käyttää uudelleen.
Tutkijat ovat jo tutkineet turbiinin juoksuputkien rakentamista komposiittimateriaaleista.8 Tässä tutkimuksessa ei kuitenkaan käsitelty kavitaatioeroosiota ja rakentamisen toteutettavuutta.Seuraava askel komposiittiturbiinien osalta on suunnitella ja rakentaa mittakaavallinen malli, joka mahdollistaa todisteen valmistuksen toteutettavuudesta ja taloudellisuudesta.Tätä yksikköä voidaan sitten testata tehokkuuden ja soveltuvuuden määrittämiseksi sekä menetelmiä liiallisen kavitaatioeroosion estämiseksi.
Postitusaika: 15.2.2022
