Կոմպոզիտային նյութերը ներխուժում են հիդրոէլեկտրակայանների արդյունաբերության սարքավորումների կառուցման գործում:Նյութերի ամրության և այլ չափանիշների ուսումնասիրությունը բացահայտում է շատ ավելի շատ կիրառություններ, հատկապես փոքր և միկրո միավորների համար:
Այս հոդվածը գնահատվել և խմբագրվել է համապատասխան փորձաքննություն ունեցող երկու կամ ավելի մասնագետների կողմից իրականացված ակնարկների համաձայն:Այս գրախոսները գնահատում են ձեռագրերը տեխնիկական ճշգրտության, օգտակարության և հիդրոէլեկտրական արդյունաբերության մեջ ընդհանուր նշանակության համար:
Նոր նյութերի աճը հիդրոէլեկտրական արդյունաբերության համար հետաքրքիր հնարավորություններ է տալիս:1800-ականների սկզբին փայտը, որն օգտագործվում էր սկզբնական ջրային անիվների և գրիչների մեջ, մասամբ փոխարինվեց պողպատե բաղադրիչներով:Պողպատը պահպանում է իր ամրությունը բարձր հոգնածության պատճառով և դիմադրում է կավիտացիոն էրոզիային և կոռոզիային:Դրա հատկությունները լավ են հասկանում, և բաղադրիչների արտադրության գործընթացները լավ զարգացած են:Խոշոր միավորների համար պողպատը, հավանաբար, կմնա ընտրության նյութ:
Այնուամենայնիվ, հաշվի առնելով փոքր (10 ՄՎտ-ից ցածր) մինչև միկրո (100 կՎտ-ից ցածր) տուրբինների աճը, կոմպոզիտները կարող են օգտագործվել քաշը խնայելու և արտադրության արժեքը և շրջակա միջավայրի վրա ազդեցությունը նվազեցնելու համար:Սա հատկապես արդիական է՝ հաշվի առնելով էլեկտրաէներգիայի մատակարարման աճի շարունակական անհրաժեշտությունը:Համաշխարհային տեղադրված հիդրո հզորությունը՝ մոտ 800,000 ՄՎտ, համաձայն 2009 թվականին նորվեգական վերականգնվող էներգիայի գործընկերների ուսումնասիրության, կազմում է տնտեսապես հնարավոր հիդրոէներգիայի միայն 10%-ը և տեխնիկապես հնարավոր հիդրոէներգիայի 6%-ը:Տեխնիկապես իրագործելի հիդրոէլեկտրակայաններից ավելի շատ տնտեսապես իրագործելիի տիրույթ բերելու ներուժը մեծանում է մասշտաբի տնտեսություն ապահովելու կոմպոզիտային բաղադրիչների ունակությամբ:
Կոմպոզիտային բաղադրիչների արտադրություն
Պենստոկը տնտեսապես և կայուն բարձր ամրությամբ արտադրելու համար լավագույն մեթոդը թելերի ոլորումն է:Մեծ մանդրելը փաթաթված է մանրաթելերի քարերով, որոնք անցել են խեժի լոգանքի միջով:Քարշակները փաթաթված են օղակով և պտուտակաձև նախշերով՝ ներքին ճնշման, երկայնական ճկման և բեռնաթափման համար ամրություն ստեղծելու համար:Ստորև բերված արդյունքների բաժինը ցույց է տալիս 1 ոտնաչափի արժեքը և քաշը երկու չափսերի համար՝ հիմնված տեղական մատակարարների գնանշումների վրա:Մեջբերումը ցույց տվեց, որ դիզայնի հաստությունը պայմանավորված էր տեղադրման և բեռնաթափման պահանջներով, այլ ոչ թե համեմատաբար ցածր ճնշման բեռով, և երկուսի համար էլ այն 2,28 սմ էր:
Դարպասների և մնացորդների համար դիտարկվել են արտադրության երկու մեթոդ.թաց շերտավորում և վակուումային ինֆուզիոն:Թաց շերտավորումն օգտագործում է չոր գործվածք, որը ներծծվում է գործվածքի վրա խեժ լցնելով և գլանափաթեթներով խեժը գործվածքի մեջ մղելու միջոցով:Այս գործընթացը այնքան մաքուր չէ, որքան վակուումային ինֆուզիոնը և միշտ չէ, որ տալիս է ամենաօպտիմալացված կառուցվածքը մանրաթել-խեժ հարաբերակցության առումով, բայց դա ավելի քիչ ժամանակ է պահանջում, քան վակուումային ինֆուզիոն գործընթացը:Վակուումային ինֆուզիոն չոր մանրաթելն է դնում ճիշտ կողմնորոշումներով, և չոր կույտը այնուհետև վակուումային պարկերում են և կցվում են լրացուցիչ կցամասեր, որոնք հանգեցնում են խեժի մատակարարմանը, որը քաշվում է այն մասի մեջ, երբ վակուումը կիրառվում է:Վակուումը օգնում է պահպանել խեժի քանակությունը օպտիմալ մակարդակի վրա և նվազեցնում է ցնդող օրգանական նյութերի արտազատումը:
Ոլորման պատյանը կօգտագործի ձեռքի դասավորություն երկու առանձին կիսով չափ արական կաղապարի վրա՝ ներքին հարթ մակերես ապահովելու համար:Այս երկու կեսերն այնուհետև կմիացվեն միացման կետում դրսից ավելացված մանրաթելով, որպեսզի ապահովեն համապատասխան ամրությունը:Ճնշման ծանրաբեռնվածությունը ոլորման պատյանում չի պահանջում բարձր ամրության առաջադեմ կոմպոզիտ, ուստի բավարար կլինի ապակեպլաստե գործվածքի թաց տեղադրումը էպոքսիդային խեժով:Ոլորման պատյանների հաստությունը հիմնված էր նույն դիզայնի պարամետրի վրա, ինչ գրիչ:250 կՎտ հզորությամբ միավորը առանցքային հոսքի մեքենա է, ուստի ոլորման պատյան չկա:
Տուրբինային վազորդը համատեղում է բարդ երկրաչափությունը բարձր բեռի պահանջների հետ:Վերջին աշխատանքը ցույց է տվել, որ բարձր ամրության կառուցվածքային բաղադրիչները կարող են արտադրվել թակած prepreg SMC-ից՝ գերազանց ուժով և կոշտությամբ:5 Lamborghini Gallardo-ի կախովի թեւը նախագծվել է օգտագործելով թակած prepreg SMC-ի մի քանի շերտեր, որը հայտնի է որպես կեղծված կոմպոզիտային, սեղմումով ձևավորված: անհրաժեշտ հաստությունը արտադրելու համար:Նույն մեթոդը կարող է կիրառվել Ֆրենսիսի և պտուտակավոր վազորդների նկատմամբ:Francis runner-ը չի կարող պատրաստվել որպես մեկ միավոր, քանի որ սայրի համընկնման բարդությունը թույլ չի տա, որ մասը հանվի կաղապարից:Այսպիսով, վազող շեղբերները, պսակը և ժապավենը արտադրվում են առանձին, այնուհետև միացվում են միմյանց և ամրացվում են պտուտակներով թագի և ժապավենի արտաքին մասով:
Թեև քաշող խողովակն ամենահեշտ արտադրվում է թելիկ ոլորման միջոցով, այս գործընթացը չի առևտրայնացվել՝ օգտագործելով բնական մանրաթելեր:Այսպիսով, ընտրվեց ձեռքի դասավորությունը, քանի որ սա արտադրության ստանդարտ մեթոդ է, չնայած աշխատուժի բարձր ծախսերին:Օգտագործելով մանդրելին նման արական կաղապար՝ շարվածքը կարող է ավարտվել կաղապարով հորիզոնական, այնուհետև ուղղահայաց շրջվել՝ բուժելու համար՝ կանխելով մի կողմից թուլանալը:Կոմպոզիտային մասերի քաշը փոքր-ինչ կտարբերվի՝ կախված պատրաստի մասի խեժի քանակից:Այս թվերը հիմնված են մանրաթելերի 50% քաշի վրա:
Պողպատի և կոմպոզիտային 2-ՄՎտ հզորությամբ տուրբինի ընդհանուր քաշը համապատասխանաբար կազմում է 9888 կգ և 7016 կգ:250 կՎտ հզորությամբ պողպատե և կոմպոզիտային տուրբինները համապատասխանաբար 3734 կգ և 1927 կգ են:Գումարները ենթադրում են 20 վիկետ դարպասներ յուրաքանչյուր տուրբինի համար և պտուտակի երկարությունը, որը հավասար է տուրբինի գլխին:Հավանական է, որ գրպանն ավելի երկար լինի և կպահանջի կցամասեր, սակայն այս թիվը տալիս է միավորի և հարակից ծայրամասային սարքերի քաշի հիմնական գնահատականը:Գեներատորը, պտուտակները և դարպասի շարժման սարքավորումը ներառված չեն և ենթադրվում է, որ նման են կոմպոզիտային և պողպատե միավորների միջև:Հարկ է նաև նշել, որ վազորդի վերանախագծումը, որը պահանջվում է հաշվի առնել FEA-ում երևացող սթրեսի կոնցենտրացիաները, ավելացնում է կշիռը կոմպոզիտային միավորներին, սակայն ենթադրվում է, որ գումարը նվազագույն է՝ 5 կգ-ի սահմաններում՝ սթրեսի կոնցենտրացմամբ կետերը ուժեղացնելու համար:
Տրված կշիռներով 2-ՄՎտ հզորությամբ կոմպոզիտային տուրբինն ու դրա պաշարը կարող են բարձրանալ արագ V-22 Osprey-ի միջոցով, մինչդեռ պողպատե մեքենայի համար պահանջվում է ավելի դանդաղ, ավելի քիչ մանևրելի Chinook երկվորյակ ռոտոր ուղղաթիռ:Բացի այդ, 2-ՄՎտ հզորությամբ կոմպոզիտային տուրբինն ու պենստոկը կարող են քարշակվել F-250 4×4-ով, մինչդեռ պողպատե ագրեգատը կպահանջի ավելի մեծ բեռնատար, որը դժվար կլիներ մանևրել անտառային ճանապարհներին, եթե տեղադրումը հեռավոր լիներ:
Եզրակացություններ
Իրագործելի է կոմպոզիտային նյութերից տուրբիններ կառուցել, և սովորական պողպատե բաղադրիչների համեմատ նկատվել է քաշի 50%-ից մինչև 70% նվազում:Նվազեցված քաշը կարող է թույլ տալ կոմպոզիտային տուրբիններ տեղադրել հեռավոր վայրերում:Բացի այդ, այս կոմպոզիտային կառույցների հավաքումը չի պահանջում եռակցման սարքավորումներ:Բաղադրիչները նաև պահանջում են ավելի քիչ մասեր, որոնք պետք է միացվեն պտուտակներով, քանի որ յուրաքանչյուր կտոր կարող է պատրաստվել մեկ կամ երկու հատվածով:Այս ուսումնասիրության մեջ մոդելավորված փոքր արտադրությունների դեպքում կաղապարների և այլ գործիքների արժեքը գերակշռում է բաղադրիչի արժեքի վրա:
Այստեղ նշված փոքր փորձարկումները ցույց են տալիս, թե ինչ կարժենա այս նյութերի հետագա հետազոտություն սկսելը:Այս հետազոտությունը կարող է անդրադառնալ կավիտացիոն էրոզիայի և բաղադրիչների ուլտրամանուշակագույն ճառագայթման պաշտպանությանը տեղադրումից հետո:Հնարավոր է, որ հնարավոր լինի օգտագործել էլաստոմեր կամ կերամիկական ծածկույթներ՝ կավիտացիան նվազեցնելու համար կամ ապահովելու, որ տուրբինը աշխատում է հոսքի և գլխի ռեժիմներում, որոնք կանխում են կավիտացիայի առաջացումը:Կարևոր կլինի ստուգել և լուծել այս և այլ խնդիրները՝ համոզվելու համար, որ ագրեգատները կարող են հասնել պողպատե տուրբինների նման հուսալիության, հատկապես, եթե դրանք տեղադրվեն այն տարածքներում, որտեղ սպասարկումը հազվադեպ է լինելու:
Նույնիսկ այս փոքր գործարկումների դեպքում որոշ կոմպոզիտային բաղադրիչներ կարող են լինել ծախսարդյունավետ՝ արտադրության համար պահանջվող աշխատուժի նվազման պատճառով:Օրինակ՝ 2-ՄՎտ հզորությամբ Ֆրենսիսի ագրեգատի ոլորման տուփը պողպատից զոդելու համար կարժենա $80,000, համեմատած $25,000 կոմպոզիտային արտադրության համար:Այնուամենայնիվ, ենթադրելով տուրբինային վազորդների հաջող նախագծում, կոմպոզիտային վազորդների կաղապարման արժեքը ավելին է, քան համարժեք պողպատե բաղադրիչները:2 ՄՎտ հզորությամբ վազող սարքը պողպատից արտադրելու համար կարժենա մոտ 23,000 դոլար՝ կոմպոզիտից 27,000 դոլարի դիմաց:Ծախսերը կարող են տարբեր լինել ըստ մեքենայի:Իսկ կոմպոզիտային բաղադրիչների արժեքը զգալիորեն կնվազի ավելի բարձր արտադրության ժամանակ, եթե կաղապարները նորից օգտագործվեին:
Հետազոտողներն արդեն ուսումնասիրել են կոմպոզիտային նյութերից տուրբինային վազորդների կառուցումը:8 Այնուամենայնիվ, այս ուսումնասիրությունը չի անդրադարձել կավիտացիոն էրոզիային և շինարարության իրագործելիությանը:Կոմպոզիտային տուրբինների հաջորդ քայլը նախագծելն ու կառուցելն է մասշտաբային մոդել, որը թույլ կտա ապացուցել իրագործելիությունը և արտադրության տնտեսությունը:Այնուհետև այս միավորը կարող է փորձարկվել՝ որոշելու արդյունավետությունը և կիրառելիությունը, ինչպես նաև ավելորդ կավիտացիոն էրոզիայի կանխարգելման մեթոդները:
Հրապարակման ժամանակը՝ Փետրվար-15-2022
