A kompozit anyagok előretörnek a vízenergia-ipar berendezéseinek építésében.Az anyagszilárdság és egyéb kritériumok vizsgálata sokkal több alkalmazást tár fel, különösen a kis- és mikroegységeknél.
Ezt a cikket két vagy több megfelelő szakértelemmel rendelkező szakember által végzett felülvizsgálatok alapján értékelték és szerkesztették.Ezek a szakértői lektorok a kéziratokat műszaki pontosságuk, hasznosságuk és a vízenergia-iparon belüli általános fontosságuk alapján ítélik meg.
Az új anyagok térnyerése izgalmas lehetőségeket kínál a vízenergia-ipar számára.Az 1800-as évek elején az eredeti vízkerekekben és tolltartókban használt fát részben acél alkatrészek helyettesítették.Az acél megőrzi erejét a nagy kifáradási terhelés révén, és ellenáll a kavitációs eróziónak és korróziónak.Tulajdonságai jól ismertek, az alkatrészgyártás folyamatai pedig jól kidolgozottak.Nagy egységeknél valószínűleg továbbra is az acél marad a választott anyag.
A kis (10 MW alatti) turbinák mikroméretűvé (100 kW alatti) terjedése miatt azonban a kompozitok tömegmegtakarításra, valamint a gyártási költségek és a környezetterhelés csökkentésére használhatók.Ez különösen fontos a villamosenergia-ellátás folyamatos növekedésének szükségessége miatt.A Norwegian Renewable Energy Partners 2009-es tanulmánya szerint a világ beépített vízenergia-kapacitása, amely közel 800 000 MW, a gazdaságilag megvalósítható és a műszakilag megvalósítható vízenergia mindössze 10%-a.Az a lehetőség, hogy a műszakilag megvalósítható vízművek nagyobb részét a gazdaságilag megvalósítható birodalmába vonják, növekszik, ha a kompozit alkatrészek képesek méretgazdaságosságot biztosítani.
Kompozit alkatrészek gyártása
A tolltartó gazdaságos és állandóan nagy szilárdságú gyártásához a legjobb módszer az izzószál tekercselése.Egy nagy tüskét gyantafürdőn átfuttatott szálkötegekkel burkolnak be.A kócok karikával és spirális mintákkal vannak becsomagolva, hogy szilárdságot teremtsenek a belső nyomáshoz, a hosszirányú hajlításhoz és a kezeléshez.Az alábbi eredmények szakasz a helyi beszállítóktól származó árajánlat alapján mutatja a két tolltartó méret költségét és lábonkénti súlyát.Az árajánlatból kiderült, hogy a tervezési vastagságot nem a viszonylag alacsony nyomásterhelés, hanem a beépítési és kezelési követelmények határozták meg, és mindkettőnél 2,28 cm volt.
Két gyártási módszert vettek figyelembe a személybejáró kapuk és a kitámasztó lapátok esetében;nedves fektetés és vákuum infúzió.A nedves felrakásnál száraz szövetet használnak, amelyet úgy impregnálnak, hogy gyantát öntenek a szövetre, és görgőkkel nyomják a gyantát a szövetbe.Ez az eljárás nem olyan tiszta, mint a vákuum-infúzió, és nem mindig hozza létre a legoptimálisabb szerkezetet a rost/gyanta arány szempontjából, de kevesebb időt vesz igénybe, mint a vákuum-infúziós eljárás.A vákuumos infúzió a száraz rostokat a megfelelő irányban rakja le, majd a száraz köteget vákuumzacskóba helyezik, és további szerelvényeket rögzítenek, amelyek a gyantaellátáshoz vezetnek, amely a vákuum alkalmazásakor beszívódik az alkatrészbe.A vákuum segít optimális szinten tartani a gyanta mennyiségét, és csökkenti az illékony szerves anyagok felszabadulását.
A tekercses tok kézi elrendezést használ, két különálló félben egy férfi formán, hogy biztosítsa a sima belső felületet.Ezt a két felét a megfelelő szilárdság biztosítása érdekében a kötési ponton kívülről hozzá kell ragasztani.A tekercses tok nyomásterhelése nem igényel nagy szilárdságú, fejlett kompozitot, ezért elegendő az üvegszálas szövet epoxigyantával történő nedves felrakása.A tekercs tok vastagsága ugyanazon a tervezési paraméteren alapult, mint a tolltartóé.A 250 kW-os egység axiális áramlású gép, így nincs tekercses tok.
A turbinafutó egyesíti a bonyolult geometriát a magas terhelési követelményekkel.A közelmúltban végzett munkák bebizonyították, hogy aprított prepreg SMC-ből nagy szilárdságú szerkezeti elemek állíthatók elő, kiváló szilárdsággal és merevséggel.5 A Lamborghini Gallardo felfüggesztő karját egy kovácsolt kompozitként ismert, préselt kompozitként ismert, többrétegű aprított prepreg SMC felhasználásával tervezték. a szükséges vastagság elkészítéséhez.Ugyanez a módszer alkalmazható a Francis és a propeller futókra is.A Francis-futó nem készíthető egy egységként, mivel a penge átfedésének bonyolultsága megakadályozná az alkatrész kiemelését a formából.Így a futólapátokat, a koronát és a szalagot külön gyártják, majd összeragasztják és csavarokkal erősítik meg a koronán és a szalagon keresztül.
Míg a huzatcsövet a legkönnyebben száltekerccsel lehet előállítani, ez az eljárás nem került kereskedelmi forgalomba természetes szálak felhasználásával.Így a kézi fektetésre esett a választás, mivel ez a magasabb bérköltség ellenére standard gyártási mód.A tüskéhez hasonló fröccsöntőforma használatával a felrakás befejezhető úgy, hogy a forma vízszintes, majd függőlegesen elfordítható a kikeményedéshez, megelőzve az egyik oldal megereszkedését.A kompozit részek súlya kissé változhat a kész részben lévő gyanta mennyiségétől függően.Ezek a számok a rost tömegének 50%-án alapulnak.
Az acél és a kompozit 2 MW-os turbina össztömege 9888 kg, illetve 7016 kg.A 250 kW-os acél és kompozit turbinák 3734 kg, illetve 1927 kg.Az összesen 20 személybejáró kaput feltételez minden turbinához, és a tolltartó hossza megegyezik a turbina fejével.Valószínű, hogy a tolltartó hosszabb lenne és szerelvényeket igényelne, de ez a szám alapvető becslést ad az egység és a kapcsolódó perifériák tömegére vonatkozóan.A generátort, a csavarokat és a kapuműködtető vasalatokat nem tartalmazza, és feltételezhetően hasonlóak a kompozit és acél egységek között.Azt is érdemes megjegyezni, hogy az FEA-ban látható feszültségkoncentrációk figyelembevételéhez szükséges futómű-újratervezés növelné az összetett egységek súlyát, de a mennyiséget minimálisnak, 5 kg-os nagyságrendűnek feltételezzük a feszültségkoncentrációval rendelkező pontok megerősítéséhez.
Az adott súlyok mellett a 2 MW-os kompozit turbinát és annak tolltartóját a gyors V-22 Osprey tudná megemelni, míg az acélgéphez egy lassabb, kevésbé manőverezhető Chinook ikerrotoros helikopter kellene.Ezenkívül a 2 MW-os kompozit turbinát és a tolltartót egy F-250 4 × 4 vontathatja, míg az acélegységhez nagyobb teherautó kellene, amelyet nehéz lenne erdei utakon manőverezni, ha a telepítés távoli lenne.
Következtetések
Kompozit anyagokból turbinákat lehet építeni, és 50-70%-os tömegcsökkenést tapasztaltunk a hagyományos acél alkatrészekhez képest.A csökkentett tömeg lehetővé teszi kompozit turbinák távoli helyekre történő telepítését.Ezenkívül ezeknek a kompozit szerkezeteknek az összeszereléséhez nincs szükség hegesztőberendezésre.Az alkatrészekhez kevesebb alkatrészt kell összecsavarozni, mivel minden darab egy vagy két szakaszban is elkészíthető.A jelen tanulmányban modellezett kis gyártási sorozatoknál az öntőformák és egyéb szerszámok költsége dominál az alkatrészek költségén.
Az itt jelzett kis sorozatok megmutatják, mennyibe kerülne ezen anyagok további kutatásának megkezdése.Ez a kutatás foglalkozik a kavitációs erózióval és az alkatrészek beszerelés utáni UV-védelmével.Lehetséges lehet elasztomer vagy kerámia bevonatok használata a kavitáció csökkentésére vagy annak biztosítására, hogy a turbina olyan áramlási és emelési üzemmódban működjön, amely megakadályozza a kavitáció előfordulását.Fontos lesz ezeket és más problémákat tesztelni és megoldani annak biztosítása érdekében, hogy az egységek az acélturbinákhoz hasonló megbízhatóságot érjenek el, különösen, ha olyan területeken telepítik őket, ahol ritkán kell karbantartást végezni.
Még ezeknél a kis szériáknál is költséghatékonyak lehetnek egyes kompozit alkatrészek a gyártáshoz szükséges munkaerő csökkenése miatt.Például a 2 MW-os Francis egység tekercses tokjának acélból történő hegesztése 80 000 dollárba kerülne, míg a kompozit gyártás 25 000 dollárba kerül.Feltételezve azonban, hogy a turbina futóműveit sikeresen tervezik, a kompozit futóművek öntési költsége meghaladja az egyenértékű acél alkatrészeket.A 2 MW-os futómű acélból történő gyártása körülbelül 23 000 dollárba kerülne, míg a kompozitból 27 000 dollárba kerülne.A költségek gépenként változhatnak.A kompozit alkatrészek költsége pedig jelentősen csökkenne nagyobb gyártási sorozatok esetén, ha a formákat újra fel lehetne használni.
A kutatók már vizsgálták a turbina futóművek kompozit anyagokból történő építését.8 Ez a tanulmány azonban nem foglalkozott a kavitációs erózióval és az építés megvalósíthatóságával.A kompozit turbinák következő lépése egy olyan méretarányos modell megtervezése és elkészítése, amely lehetővé teszi a gyártás megvalósíthatóságának és gazdaságosságának bizonyítását.Ezt az egységet ezután tesztelni lehet a hatékonyság és az alkalmazhatóság, valamint a túlzott kavitációs erózió megelőzésére szolgáló módszerek meghatározására.
Feladás időpontja: 2022.02.15
