Kompozitni materijali probijaju se u izgradnju opreme za hidroelektranu.Istraživanje čvrstoće materijala i drugih kriterija otkriva mnogo više primjena, posebno za male i mikro jedinice.
Ovaj je članak ocijenjen i uređen u skladu s recenzijama koje su provela dva ili više stručnjaka koji imaju relevantnu stručnost.Ovi recenzenti ocjenjuju rukopise za tehničku točnost, korisnost i ukupnu važnost unutar hidroelektrane.
Porast novih materijala pruža uzbudljive mogućnosti za hidroelektranu.Drvo - korišteno u izvornim vodenim kotačima i cijevima - djelomično je zamijenjeno čeličnim komponentama početkom 1800-ih.Čelik zadržava svoju čvrstoću zahvaljujući velikom opterećenju zamorom i otporan je na eroziju i koroziju kavitacije.Njegova svojstva su dobro shvaćena, a procesi za proizvodnju komponenti su dobro razvijeni.Za velike jedinice, čelik će vjerojatno ostati materijal izbora.
Međutim, s obzirom na porast od malih (ispod 10 MW) do mikro (ispod 100 kW) turbina, kompoziti se mogu koristiti za uštedu težine i smanjenje troškova proizvodnje i utjecaja na okoliš.To je posebno važno s obzirom na stalnu potrebu za rastom opskrbe električnom energijom.Instalirani svjetski hidroenergetski kapacitet, gotovo 800.000 MW prema studiji Norwegian Renewable Energy Partners iz 2009., samo je 10% ekonomski izvedive i 6% tehnički izvedive hidroenergije.Potencijal da se više tehnički izvedivih hidroelektrana dovede u područje ekonomski izvedivih povećava se sa sposobnošću kompozitnih komponenti da osiguraju ekonomičnost razmjera.
Proizvodnja kompozitnih komponenti
Za ekonomičnu proizvodnju cjevovoda i dosljednu visoku čvrstoću, najbolja metoda je namotavanje niti.Veliki trn omotan je vlaknima koja su provučena kroz kupku od smole.Kule su omotane obručima i spiralnim uzorcima kako bi se stvorila snaga za unutarnji pritisak, uzdužno savijanje i rukovanje.Odjeljak s rezultatima u nastavku prikazuje cijenu i težinu po stopi za dvije veličine cijevi, na temelju ponude lokalnih dobavljača.Citat je pokazao da je debljina dizajna vođena zahtjevima ugradnje i rukovanja, a ne relativno niskim tlačnim opterećenjem, a za obje je iznosila 2,28 cm.
Razmatrane su dvije metode proizvodnje za prolazna vrata i lopatice;mokro polaganje i vakuumska infuzija.Mokro polaganje koristi suhu tkaninu koja se impregnira izlijevanjem smole preko tkanine i korištenjem valjaka za guranje smole u tkaninu.Ovaj proces nije tako čist kao vakuumska infuzija i ne proizvodi uvijek najoptimiraniju strukturu u smislu omjera vlakana i smole, ali traje manje vremena od procesa vakuumske infuzije.Vakuumska infuzija postavlja suha vlakna u ispravnu orijentaciju, a suhi snop se zatim vakuumira i pričvršćuju se dodatni spojevi koji vode do dovoda smole, koja se uvlači u dio kada se primjenjuje vakuum.Vakuum pomaže u održavanju količine smole na optimalnoj razini i smanjuje oslobađanje hlapljivih organskih tvari.
Futrola će koristiti ručno polaganje u dvije odvojene polovice na muškom kalupu kako bi se osigurala glatka unutarnja površina.Ove dvije polovice će se zatim spojiti zajedno s vlaknima koja su dodana izvana na mjestu spajanja kako bi se osigurala odgovarajuća čvrstoća.Tlačno opterećenje u kućištu za pomicanje ne zahtijeva napredni kompozit visoke čvrstoće, tako da će biti dovoljan mokri sloj tkanine od stakloplastike s epoksidnom smolom.Debljina kućišta scrolla temeljila se na istom konstrukcijskom parametru kao i cevovod.Jedinica od 250 kW je stroj s aksijalnim protokom, tako da nema kutije za pomicanje.
Turbinski pogon kombinira složenu geometriju s visokim zahtjevima opterećenja.Nedavni rad pokazao je da se strukturne komponente visoke čvrstoće mogu proizvesti od sjeckanog preprega SMC s izvrsnom čvrstoćom i krutošću.5 Ruka ovjesa Lamborghinija Gallarda dizajnirana je korištenjem više slojeva sjeckanog preprega SMC poznatog kao kovani kompozit, kompresijski oblikovani za proizvodnju potrebne debljine.Ista metoda može se primijeniti na Francis i propelerske trkače.Francis trkač ne može se izraditi kao jedna cjelina, jer bi složenost preklapanja oštrice spriječila da se dio izvuče iz kalupa.Tako se oštrice, krunica i traka proizvode odvojeno, a zatim se spajaju i ojačavaju vijcima kroz vanjsku stranu krunice i trake.
Iako se cijev za nacrt najlakše proizvodi pomoću namota filamenta, ovaj proces nije komercijaliziran korištenjem prirodnih vlakana.Stoga je odabrano ručno polaganje, jer je to standardni način izrade, unatoč većim troškovima rada.Korištenjem muškog kalupa sličnog trnu, polaganje se može završiti s kalupom vodoravno, a zatim okrenuti okomito kako bi se stvrdnuo, sprječavajući opuštanje s jedne strane.Težina kompozitnih dijelova malo će varirati ovisno o količini smole u gotovom dijelu.Ovi se brojevi temelje na 50% težine vlakana.
Ukupna težina za čeličnu i kompozitnu turbinu od 2 MW iznosi 9.888 kg, odnosno 7.016 kg.Čelična i kompozitna turbina od 250 kW imaju 3.734 kg, odnosno 1.927 kg.Zbroji pretpostavljaju 20 prolaznih vrata za svaku turbinu i duljinu cijevi jednaku glavi turbine.Vjerojatno je da bi cjevovod bio duži i zahtijevao armature, ali ovaj broj daje osnovnu procjenu težine jedinice i pripadajućih periferija.Generator, vijci i hardver za aktiviranje vrata nisu uključeni i pretpostavlja se da su slični između kompozitnih i čeličnih jedinica.Također je vrijedno napomenuti da bi redizajn vodilice potreban da bi se uzele u obzir koncentracije naprezanja vidljive u FEA-u dodala težinu kompozitnim jedinicama, ali se pretpostavlja da je količina minimalna, reda veličine 5 kg kako bi se ojačale točke s koncentracijom naprezanja.
Uz zadane težine, kompozitnu turbinu od 2 MW i njezin cevovod mogao bi podići brzi V-22 Osprey, dok bi čelični stroj zahtijevao sporiji, manje manevarski helikopter s dva rotora Chinook.Također, kompozitnu turbinu i cevovod od 2 MW mogao bi vući F-250 4×4, dok bi čelična jedinica zahtijevala veći kamion kojim bi bilo teško manevrirati na šumskim cestama da je instalacija udaljena.
Zaključci
Izvedivo je konstruirati turbine od kompozitnih materijala, a uočeno je smanjenje težine od 50% do 70% u usporedbi s konvencionalnim čeličnim komponentama.Smanjena težina može omogućiti ugradnju kompozitnih turbina na udaljenim mjestima.Osim toga, montaža ovih kompozitnih konstrukcija ne zahtijeva opremu za zavarivanje.Komponente također zahtijevaju manje dijelova za spajanje vijcima, jer se svaki dio može izraditi u jednom ili dva dijela.U malim serijama proizvodnje modeliranim u ovoj studiji, trošak kalupa i drugog alata dominira cijenom komponenti.
Ovdje naznačene male serije pokazuju koliko bi koštalo početak daljnjeg istraživanja ovih materijala.Ovo istraživanje može se baviti erozijom kavitacije i UV zaštitom komponenti nakon ugradnje.Možda je moguće koristiti elastomerne ili keramičke prevlake za smanjenje kavitacije ili osiguravanje da turbina radi u režimima protoka i glave koji sprječavaju pojavu kavitacije.Bit će važno testirati i riješiti ove i druge probleme kako bi se osiguralo da jedinice mogu postići sličnu pouzdanost kao čelične turbine, osobito ako se trebaju instalirati u područjima gdje će održavanje biti rijetko.
Čak i pri ovim malim serijama, neke kompozitne komponente mogu biti isplative zbog smanjenog rada potrebnog za proizvodnju.Na primjer, zavarivanje kućišta od čelika za 2-MW Francis jedinicu koštalo bi 80.000 dolara u usporedbi s 25.000 dolara za proizvodnju kompozita.Međutim, pod pretpostavkom uspješnog dizajna turbinskih vodilica, cijena oblikovanja kompozitnih vodilica je više od ekvivalentnih čeličnih komponenti.Runner od 2 MW koštao bi oko 23.000 dolara za proizvodnju od čelika, u usporedbi s 27.000 dolara od kompozita.Troškovi mogu varirati ovisno o stroju.A trošak kompozitnih komponenti znatno bi pao pri većim serijama proizvodnje kada bi se kalupi mogli ponovno koristiti.
Istraživači su već istraživali konstrukciju turbinskih klizača od kompozitnih materijala.8 Međutim, ova studija nije se bavila erozijom kavitacije i izvedivosti konstrukcije.Sljedeći korak za kompozitne turbine je projektiranje i izgradnja modela koji će omogućiti dokaz izvodljivosti i ekonomičnosti proizvodnje.Ova jedinica se zatim može testirati kako bi se utvrdila učinkovitost i primjenjivost, kao i metode za sprječavanje prekomjerne erozije kavitacije.
Vrijeme objave: 15. veljače 2022
