Les matériaux composites font leur entrée dans la construction d'équipements pour l'industrie hydroélectrique.Une enquête sur la résistance des matériaux et d'autres critères révèle de nombreuses autres applications, en particulier pour les petites et micro-unités.
Cet article a été évalué et édité conformément aux examens effectués par deux ou plusieurs professionnels possédant une expertise pertinente.Ces pairs examinateurs évaluent les manuscrits en fonction de leur exactitude technique, de leur utilité et de leur importance globale au sein de l'industrie hydroélectrique.
La montée en puissance de nouveaux matériaux offre des opportunités intéressantes pour l'industrie hydroélectrique.Le bois - utilisé dans les roues hydrauliques et les conduites forcées d'origine - a été en partie supplanté par des composants en acier au début des années 1800.L'acier conserve sa résistance grâce à une charge de fatigue élevée et résiste à l'érosion et à la corrosion par cavitation.Ses propriétés sont bien connues et les procédés de fabrication des composants sont bien développés.Pour les grandes unités, l'acier restera probablement le matériau de choix.
Cependant, compte tenu de l'essor des turbines de petite taille (moins de 10 MW) à micro (moins de 100 kW), les composites peuvent être utilisés pour gagner du poids et réduire les coûts de fabrication et l'impact environnemental.Cela est particulièrement pertinent étant donné le besoin continu de croissance de l'approvisionnement en électricité.La capacité hydroélectrique mondiale installée, près de 800 000 MW selon une étude réalisée en 2009 par Norwegian Renewable Energy Partners, ne représente que 10 % de l'hydroélectricité économiquement réalisable et 6 % de l'hydroélectricité techniquement réalisable.Le potentiel d'amener une plus grande partie de l'hydroélectricité techniquement réalisable dans le domaine de la faisabilité économique augmente avec la capacité des composants composites à fournir des économies d'échelle.
Fabrication de composants composites
Pour fabriquer la vanne économiquement et avec une résistance élevée constante, la meilleure méthode est l'enroulement filamentaire.Un grand mandrin est enveloppé de câbles de fibres qui ont été passés dans un bain de résine.Les remorquages sont enveloppés dans des cercles et des motifs hélicoïdaux pour créer une résistance à la pression interne, à la flexion longitudinale et à la manipulation.La section des résultats ci-dessous montre le coût et le poids par pied pour les deux tailles de conduites forcées, sur la base d'un devis de fournisseurs locaux.Le devis a montré que l'épaisseur de conception était déterminée par les exigences d'installation et de manutention, plutôt que par la charge de pression relativement faible, et pour les deux, elle était de 2,28 cm.
Deux méthodes de fabrication ont été envisagées pour les portillons et les aubes de maintien ;drapage humide et infusion sous vide.La couche humide utilise un tissu sec, qui est imprégné en versant de la résine sur le tissu et en utilisant des rouleaux pour pousser la résine dans le tissu.Ce processus n'est pas aussi propre que l'infusion sous vide et ne produit pas toujours la structure la plus optimisée en termes de rapport fibre/résine, mais il prend moins de temps que le processus d'infusion sous vide.L'infusion sous vide dépose la fibre sèche dans les bonnes orientations, et la pile sèche est ensuite mise sous vide et des raccords supplémentaires sont fixés qui conduisent à une alimentation en résine, qui est aspirée dans la pièce lorsque le vide est appliqué.Le vide aide à maintenir la quantité de résine à un niveau optimal et réduit la libération de matières organiques volatiles.
Le boîtier de défilement utilisera une couche à la main en deux moitiés séparées sur un moule mâle pour assurer une surface intérieure lisse.Ces deux moitiés seront ensuite collées ensemble avec de la fibre ajoutée à l'extérieur au point de liaison pour assurer une résistance adéquate.La charge de pression dans le boîtier de la volute ne nécessite pas de composite avancé à haute résistance, donc une couche humide de tissu en fibre de verre avec une résine époxy sera suffisante.L'épaisseur du boîtier de la volute était basée sur le même paramètre de conception que la conduite forcée.L'unité de 250 kW est une machine à flux axial, il n'y a donc pas de boîtier de défilement.
Une roue de turbine combine une géométrie complexe avec des exigences de charge élevées.Des travaux récents ont démontré que des composants structurels à haute résistance peuvent être fabriqués à partir d'un SMC préimprégné haché avec une excellente résistance et rigidité.5 Le bras de suspension de la Lamborghini Gallardo a été conçu à l'aide de plusieurs couches d'un SMC préimprégné haché connu sous le nom de composite forgé, moulé par compression produire l'épaisseur requise.La même méthode peut être appliquée au Francis et aux roues d'hélice.La roue Francis ne peut pas être fabriquée d'un seul tenant, car la complexité du chevauchement des lames empêcherait l'extraction de la pièce du moule.Ainsi, les lames de roue, la couronne et la bande sont fabriquées séparément, puis collées ensemble et renforcées par des boulons à travers l'extérieur de la couronne et de la bande.
Bien que le tube de tirage soit plus facilement fabriqué à l'aide d'un enroulement filamentaire, ce procédé n'a pas été commercialisé à l'aide de fibres naturelles.Ainsi, le drapage à la main a été choisi, car il s'agit d'une méthode de fabrication standard, malgré les coûts de main-d'œuvre plus élevés.À l'aide d'un moule mâle similaire à un mandrin, le drapage peut être complété avec le moule horizontal puis tourné verticalement pour durcir, empêchant l'affaissement d'un côté.Le poids des pièces composites variera légèrement en fonction de la quantité de résine dans la pièce finie.Ces chiffres sont basés sur un poids de 50 % de fibres.
Les poids totaux de la turbine en acier et composite de 2 MW sont respectivement de 9 888 kg et 7 016 kg.Les turbines en acier et en composite de 250 kW pèsent respectivement 3 734 kg et 1 927 kg.Les totaux supposent 20 portillons pour chaque turbine et une longueur de conduite forcée égale à la tête de la turbine.Il est probable que la conduite forcée serait plus longue et nécessiterait des raccords, mais ce nombre donne une estimation de base du poids de l'unité et des périphériques associés.Le générateur, les boulons et le matériel d'actionnement de la porte ne sont pas inclus et sont supposés être similaires entre les unités composites et en acier.Il convient également de noter que la refonte du coureur nécessaire pour tenir compte des concentrations de contraintes observées dans la FEA ajouterait du poids aux unités composites, mais la quantité est supposée être minime, de l'ordre de 5 kg pour renforcer les points avec une concentration de contraintes.
Avec les poids donnés, la turbine composite de 2 MW et sa conduite forcée pourraient être soulevées par le rapide V-22 Osprey, tandis que la machine en acier nécessiterait un hélicoptère birotor Chinook plus lent et moins maniable.De plus, la turbine composite de 2 MW et la conduite forcée pourraient être remorquées par un F-250 4 × 4, tandis que l'unité en acier nécessiterait un camion plus gros qui serait difficile à manœuvrer sur les routes forestières si l'installation était éloignée.
conclusion
Il est possible de construire des turbines à partir de matériaux composites, et une réduction de poids de 50% à 70% a été constatée par rapport aux composants en acier conventionnels.Le poids réduit peut permettre d'installer des turbines composites dans des endroits éloignés.De plus, l'assemblage de ces structures composites ne nécessite pas de matériel de soudage.Les composants nécessitent également moins de pièces à boulonner ensemble, car chaque pièce peut être fabriquée en une ou deux sections.Dans les petites séries de production modélisées dans cette étude, le coût des moules et autres outillages domine le coût des composants.
Les petites séries indiquées ici montrent ce qu'il en coûterait pour entreprendre des recherches plus approfondies sur ces matériaux.Ces recherches peuvent porter sur l'érosion par cavitation et la protection UV des composants après installation.Il peut être possible d'utiliser des revêtements en élastomère ou en céramique pour réduire la cavitation ou garantir que la turbine fonctionne dans les régimes de débit et de hauteur qui empêchent la cavitation de se produire.Il sera important de tester et de résoudre ces problèmes et d'autres pour s'assurer que les unités peuvent atteindre une fiabilité similaire aux turbines en acier, en particulier si elles doivent être installées dans des zones où l'entretien sera peu fréquent.
Même à ces petites séries, certains composants composites peuvent être rentables en raison de la diminution de la main-d'œuvre requise pour la fabrication.Par exemple, un boîtier de défilement pour l'unité Francis de 2 MW coûterait 80 000 $ pour être soudé à partir d'acier, contre 25 000 $ pour la fabrication de composites.Cependant, en supposant une conception réussie des roues de turbine, le coût de moulage des roues composites est supérieur à celui des composants en acier équivalents.Le coureur de 2 MW coûterait environ 23 000 $ à fabriquer en acier, contre 27 000 $ en composite.Les coûts peuvent varier selon la machine.Et le coût des composants composites chuterait considérablement à des cycles de production plus élevés si les moules pouvaient être réutilisés.
Les chercheurs ont déjà étudié la construction de roues de turbine à partir de matériaux composites8. Cependant, cette étude n'a pas abordé l'érosion par cavitation et la faisabilité de la construction.La prochaine étape pour les turbines composites est de concevoir et de construire un modèle réduit qui permettra de prouver la faisabilité et l'économie de fabrication.Cette unité peut ensuite être testée pour déterminer son efficacité et son applicabilité, ainsi que des méthodes pour prévenir l'érosion par cavitation excessive.
Heure de publication : 15 février 2022
