फोस्टर स्मॉल हाइड्रो टर्बाइन के लिए समग्र सामग्री का उपयोग कैसे किया जा सकता है?

जलविद्युत ऊर्जा उद्योग के लिए उपकरणों के निर्माण में समग्र सामग्री पैठ बना रही है।भौतिक शक्ति और अन्य मानदंडों की जांच से कई और अनुप्रयोगों का पता चलता है, विशेष रूप से छोटी और सूक्ष्म इकाइयों के लिए।
प्रासंगिक विशेषज्ञता रखने वाले दो या दो से अधिक पेशेवरों द्वारा की गई समीक्षाओं के अनुसार इस लेख का मूल्यांकन और संपादन किया गया है।ये सहकर्मी समीक्षक पनबिजली उद्योग के भीतर तकनीकी सटीकता, उपयोगिता और समग्र महत्व के लिए पांडुलिपियों का न्याय करते हैं।
नई सामग्रियों का उदय जलविद्युत उद्योग के लिए रोमांचक अवसर प्रदान करता है।लकड़ी - मूल वाटरव्हील और पेनस्टॉक्स में उपयोग की जाती है - 1800 के दशक की शुरुआत में स्टील के घटकों द्वारा आंशिक रूप से आपूर्ति की गई थी।स्टील उच्च थकान लोडिंग के माध्यम से अपनी ताकत बरकरार रखता है और पोकेशन क्षरण और जंग का प्रतिरोध करता है।इसके गुणों को अच्छी तरह से समझा जाता है और घटक निर्माण की प्रक्रिया अच्छी तरह से विकसित होती है।बड़ी इकाइयों के लिए, स्टील पसंद की सामग्री बने रहने की संभावना है।
हालांकि, छोटे (10 मेगावाट से कम) के सूक्ष्म आकार (100 किलोवाट से नीचे) टर्बाइनों के उदय को देखते हुए, वजन बचाने और विनिर्माण लागत और पर्यावरणीय प्रभाव को कम करने के लिए कंपोजिट का उपयोग किया जा सकता है।बिजली आपूर्ति में वृद्धि की निरंतर आवश्यकता को देखते हुए यह विशेष रूप से प्रासंगिक है।2009 में नॉर्वेजियन रिन्यूएबल एनर्जी पार्टनर्स द्वारा किए गए एक अध्ययन के अनुसार, स्थापित विश्व पनबिजली क्षमता, लगभग 800,000 मेगावाट, आर्थिक रूप से व्यवहार्य का केवल 10% और तकनीकी रूप से व्यवहार्य जलविद्युत का 6% है।पैमाने की अर्थव्यवस्था प्रदान करने के लिए समग्र घटकों की क्षमता के साथ आर्थिक रूप से व्यवहार्य वृद्धि के दायरे में तकनीकी रूप से व्यवहार्य जलविद्युत लाने की क्षमता।

समग्र घटक निर्माण
पेनस्टॉक को आर्थिक रूप से और लगातार उच्च शक्ति के साथ बनाने के लिए, सबसे अच्छी विधि फिलामेंट वाइंडिंग है।एक बड़ा खराद का धुरा फाइबर के टो के साथ लपेटा जाता है जिसे राल स्नान के माध्यम से चलाया जाता है।आंतरिक दबाव, अनुदैर्ध्य झुकने और हैंडलिंग के लिए ताकत बनाने के लिए टो को घेरा और पेचदार पैटर्न में लपेटा जाता है।नीचे दिया गया परिणाम अनुभाग स्थानीय आपूर्तिकर्ताओं के उद्धरण के आधार पर दो पेनस्टॉक आकारों के लिए प्रति फुट लागत और वजन दिखाता है।उद्धरण से पता चला कि डिजाइन की मोटाई अपेक्षाकृत कम दबाव भार के बजाय स्थापना और हैंडलिंग आवश्यकताओं से प्रेरित थी, और दोनों के लिए यह 2.28 सेमी थी।
विकेट गेट और स्टे वेन्स के लिए दो निर्माण विधियों पर विचार किया गया;गीला लेप और वैक्यूम जलसेक।गीले लेप में सूखे कपड़े का उपयोग किया जाता है, जिसे कपड़े के ऊपर राल डालकर और कपड़े में राल को धकेलने के लिए रोलर्स का उपयोग करके लगाया जाता है।यह प्रक्रिया वैक्यूम इंस्यूजन की तरह साफ नहीं है और हमेशा फाइबर-टू-राल अनुपात के मामले में सबसे अनुकूलित संरचना का उत्पादन नहीं करती है, लेकिन इसमें वैक्यूम इंस्यूजन प्रक्रिया की तुलना में कम समय लगता है।वैक्यूम इन्फ्यूजन सूखे फाइबर को सही ओरिएंटेशन में रखता है, और फिर ड्राई स्टैक को वैक्यूम बैगेड किया जाता है और अतिरिक्त फिटिंग्स जुड़ी होती हैं जो एक राल आपूर्ति की ओर ले जाती हैं, जिसे वैक्यूम लगाने पर उस हिस्से में खींचा जाता है।वैक्यूम एक इष्टतम स्तर पर राल की मात्रा को बनाए रखने में मदद करता है और वाष्पशील कार्बनिक पदार्थों की रिहाई को कम करता है।
एक चिकनी आंतरिक सतह सुनिश्चित करने के लिए स्क्रॉल केस एक पुरुष मोल्ड पर दो अलग-अलग हिस्सों में एक हाथ की परत का उपयोग करेगा।फिर इन दोनों हिस्सों को पर्याप्त मजबूती सुनिश्चित करने के लिए बॉन्डिंग पॉइंट पर बाहर से जोड़े गए फाइबर के साथ जोड़ा जाएगा।स्क्रॉल केस में प्रेशर लोड के लिए उच्च शक्ति वाले उन्नत कंपोजिट की आवश्यकता नहीं होती है, इसलिए एक एपॉक्सी राल के साथ फाइबरग्लास कपड़े का गीला लेप पर्याप्त होगा।स्क्रॉल केस की मोटाई पेनस्टॉक के समान डिज़ाइन पैरामीटर पर आधारित थी।250-kW इकाई एक अक्षीय प्रवाह मशीन है, इसलिए कोई स्क्रॉल केस नहीं है।

एक टरबाइन धावक उच्च भार आवश्यकताओं के साथ एक जटिल ज्यामिति को जोड़ता है।हाल के काम ने प्रदर्शित किया है कि उच्च शक्ति वाले संरचनात्मक घटकों को कटा हुआ प्रीप्रेग एसएमसी से उत्कृष्ट ताकत और कठोरता के साथ निर्मित किया जा सकता है। 5 लेम्बोर्गिनी गैलार्डो की निलंबन शाखा को एक कटे हुए प्रीप्रेग एसएमसी की कई परतों का उपयोग करके डिजाइन किया गया था जिसे जाली मिश्रित, संपीड़न मोल्ड के रूप में जाना जाता है। आवश्यक मोटाई का उत्पादन करने के लिए।फ्रांसिस और प्रोपेलर धावकों के लिए भी यही विधि लागू की जा सकती है।फ्रांसिस धावक को एक इकाई के रूप में नहीं बनाया जा सकता है, क्योंकि ब्लेड ओवरलैप की जटिलता भाग को मोल्ड से निकालने से रोकती है।इस प्रकार, रनर ब्लेड, क्राउन और बैंड अलग-अलग निर्मित होते हैं और फिर एक साथ बंधे होते हैं और क्राउन और बैंड के बाहर बोल्ट के साथ प्रबलित होते हैं।
जबकि ड्राफ्ट ट्यूब को फिलामेंट वाइंडिंग का उपयोग करके सबसे आसानी से निर्मित किया जाता है, इस प्रक्रिया का प्राकृतिक फाइबर का उपयोग करके व्यावसायीकरण नहीं किया गया है।इस प्रकार, हाथ की लेप को चुना गया, क्योंकि उच्च श्रम लागत के बावजूद यह निर्माण का मानक तरीका है।एक खराद का धुरा के समान एक पुरुष मोल्ड का उपयोग करके, लेप को क्षैतिज रूप से मोल्ड के साथ पूरा किया जा सकता है और फिर एक तरफ शिथिलता को रोकने के लिए, इलाज के लिए लंबवत हो जाता है।तैयार हिस्से में राल की मात्रा के आधार पर मिश्रित भागों का वजन थोड़ा भिन्न होगा।ये संख्या 50% फाइबर वजन पर आधारित हैं।
स्टील और मिश्रित 2-मेगावाट टर्बाइन के लिए कुल वजन क्रमशः 9,888 किलोग्राम और 7,016 किलोग्राम है।250-kW स्टील और मिश्रित टर्बाइन क्रमशः 3,734 किग्रा और 1,927 किग्रा हैं।कुल योग प्रत्येक टरबाइन के लिए 20 विकेट गेट और टरबाइन के सिर के बराबर एक पेनस्टॉक लंबाई मानता है।यह संभावना है कि पेनस्टॉक लंबा होगा और फिटिंग की आवश्यकता होगी, लेकिन यह संख्या यूनिट और संबंधित बाह्य उपकरणों के वजन का एक मूल अनुमान देती है।जेनरेटर, बोल्ट और गेट एक्चुएटिंग हार्डवेयर शामिल नहीं हैं और इन्हें कंपोजिट और स्टील इकाइयों के बीच समान माना जाता है।यह भी ध्यान देने योग्य है कि एफईए में देखे गए तनाव सांद्रता के लिए रनर रीडिज़ाइन की आवश्यकता है, समग्र इकाइयों में वजन जोड़ देगा, लेकिन तनाव एकाग्रता के साथ अंक को मजबूत करने के लिए 5 किलो के आदेश पर राशि न्यूनतम मानी जाती है।
दिए गए वजन के साथ, 2-मेगावाट समग्र टरबाइन और इसके पेनस्टॉक को तेजी से वी -22 ऑस्प्रे द्वारा उठाया जा सकता है, जबकि स्टील मशीन को धीमी, कम चलने योग्य चिनूक ट्विन रोटर हेलीकॉप्टर की आवश्यकता होगी।इसके अलावा, 2-मेगावाट मिश्रित टर्बाइन और पेनस्टॉक को F-250 4×4 द्वारा टो किया जा सकता है, जबकि स्टील यूनिट को एक बड़े ट्रक की आवश्यकता होगी जो कि स्थापना के दूरस्थ होने पर वन सड़कों पर पैंतरेबाज़ी करना मुश्किल होगा।

निष्कर्ष
मिश्रित सामग्री से टर्बाइन बनाना संभव है, और पारंपरिक स्टील घटकों की तुलना में 50% से 70% तक वजन में कमी देखी गई।कम वजन कम्पोजिट टर्बाइनों को दूरस्थ स्थानों में स्थापित करने की अनुमति दे सकता है।इसके अलावा, इन मिश्रित संरचनाओं की असेंबली में वेल्डिंग उपकरण की आवश्यकता नहीं होती है।घटकों को एक साथ बोल्ट करने के लिए कम भागों की भी आवश्यकता होती है, क्योंकि प्रत्येक टुकड़ा एक या दो खंडों में बनाया जा सकता है।इस अध्ययन में मॉडलिंग किए गए छोटे उत्पादन में, मोल्ड और अन्य टूलींग की लागत घटक लागत पर हावी है।
यहां बताए गए छोटे-छोटे रन बताते हैं कि इन सामग्रियों पर और शोध शुरू करने में कितना खर्च आएगा।यह शोध स्थापना के बाद पोकेशन क्षरण और घटकों के यूवी संरक्षण को संबोधित कर सकता है।गुहिकायन को कम करने के लिए इलास्टोमेर या सिरेमिक कोटिंग्स का उपयोग करना संभव हो सकता है या यह सुनिश्चित कर सकता है कि टरबाइन प्रवाह और सिर के शासन में चलता है जो पोकेशन को होने से रोकता है।यह सुनिश्चित करने के लिए इन और अन्य मुद्दों का परीक्षण और समाधान करना महत्वपूर्ण होगा कि इकाइयां स्टील टर्बाइनों के समान विश्वसनीयता प्राप्त कर सकें, खासकर यदि उन्हें उन क्षेत्रों में स्थापित किया जाना है जहां रखरखाव दुर्लभ होगा।
इन छोटे रनों पर भी, निर्माण के लिए आवश्यक श्रम में कमी के कारण कुछ मिश्रित घटक लागत प्रभावी हो सकते हैं।उदाहरण के लिए, 2-मेगावाट फ़्रांसिस इकाई के लिए एक स्क्रॉल केस की लागत स्टील से वेल्डेड होने के लिए $ 80,000 की लागत होगी, जबकि समग्र निर्माण के लिए $ 25,000 की तुलना में।हालांकि, टर्बाइन रनर्स के सफल डिजाइन को मानते हुए, कंपोजिट रनर्स को ढालने की लागत समकक्ष स्टील घटकों की तुलना में अधिक है।2-मेगावाट धावक को स्टील से निर्माण के लिए लगभग 23,000 डॉलर खर्च होंगे, जबकि समग्र से $ 27,000 की तुलना में।लागत मशीन द्वारा भिन्न हो सकती है।और यदि सांचों का पुन: उपयोग किया जा सकता है तो मिश्रित घटकों की लागत उच्च उत्पादन रन पर काफी कम हो जाएगी।
शोधकर्ताओं ने पहले से ही मिश्रित सामग्री से टरबाइन धावकों के निर्माण की जांच की है। हालांकि, इस अध्ययन ने पोकेशन क्षरण और निर्माण की व्यवहार्यता को संबोधित नहीं किया।कंपोजिट टर्बाइनों के लिए अगला कदम एक स्केल मॉडल का डिजाइन और निर्माण करना है जो निर्माण की व्यवहार्यता और अर्थव्यवस्था के प्रमाण की अनुमति देगा।दक्षता और प्रयोज्यता निर्धारित करने के लिए इस इकाई का परीक्षण किया जा सकता है, साथ ही अतिरिक्त गुहिकायन क्षरण को रोकने के तरीकों का भी परीक्षण किया जा सकता है।