I materiali compositi stanno facendo breccia nella costruzione di attrezzature per l'industria idroelettrica.Un'indagine sulla resistenza del materiale e altri criteri rivela molte più applicazioni, in particolare per unità piccole e micro.
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L'ascesa di nuovi materiali offre interessanti opportunità per l'industria idroelettrica.Il legno, utilizzato nelle ruote idrauliche e nelle condotte forzate originali, fu soppiantato in parte da componenti in acciaio all'inizio del 1800.L'acciaio mantiene la sua forza grazie all'elevato carico di fatica e resiste all'erosione e alla corrosione da cavitazione.Le sue proprietà sono ben note ei processi per la produzione dei componenti sono ben sviluppati.Per le unità di grandi dimensioni, l'acciaio rimarrà probabilmente il materiale preferito.
Tuttavia, dato l'aumento delle turbine da piccole (sotto i 10 MW) a quelle micro (sotto i 100 kW), i compositi possono essere utilizzati per risparmiare peso e ridurre i costi di produzione e l'impatto ambientale.Ciò è particolarmente rilevante data la continua necessità di crescita della fornitura di energia elettrica.La capacità idroelettrica mondiale installata, quasi 800.000 MW secondo uno studio del 2009 di Norwegian Renewable Energy Partners, è solo il 10% dell'energia idroelettrica economicamente fattibile e il 6% dell'energia idroelettrica tecnicamente fattibile.Il potenziale per portare più dell'idroelettrico tecnicamente fattibile nel regno dell'economicamente fattibile aumenta con la capacità dei componenti compositi di fornire economia di scala.
Produzione di componenti compositi
Per fabbricare la condotta forzata in modo economico e con una resistenza elevata e costante, il metodo migliore è l'avvolgimento del filamento.Un grande mandrino è avvolto con fili di fibra che sono stati fatti passare attraverso un bagno di resina.I rimorchi sono avvolti in cerchi ed elicoidali per creare forza per la pressione interna, la flessione longitudinale e la movimentazione.La sezione dei risultati di seguito mostra il costo e il peso per piede per le due dimensioni della condotta forzata, sulla base di un preventivo di fornitori locali.La citazione mostrava che lo spessore del progetto era determinato dai requisiti di installazione e movimentazione, piuttosto che dal carico di pressione relativamente basso, e per entrambi era di 2,28 cm.
Sono stati presi in considerazione due metodi di fabbricazione per i cancelletti e le alette di sostegno;stratificazione a umido e infusione sottovuoto.La posa a umido utilizza un tessuto asciutto, che viene impregnato versando resina sul tessuto e utilizzando rulli per spingere la resina nel tessuto.Questo processo non è pulito come l'infusione sottovuoto e non produce sempre la struttura più ottimizzata in termini di rapporto fibra-resina, ma richiede meno tempo rispetto al processo di infusione sottovuoto.L'infusione sottovuoto deposita la fibra secca negli orientamenti corretti, quindi la pila secca viene quindi imbustata sottovuoto e vengono collegati raccordi aggiuntivi che portano a un'alimentazione di resina, che viene aspirata nella parte quando viene applicato il vuoto.Il vuoto aiuta a mantenere la quantità di resina a un livello ottimale e riduce il rilascio di sostanze organiche volatili.
La custodia del rotolo utilizzerà una disposizione a mano in due metà separate su uno stampo maschio per garantire una superficie interna liscia.Queste due metà verranno quindi unite insieme con la fibra aggiunta all'esterno nel punto di incollaggio per garantire una resistenza adeguata.Il carico di pressione nella custodia a spirale non richiede un composito avanzato ad alta resistenza, quindi sarà sufficiente una stratificazione bagnata di tessuto in fibra di vetro con una resina epossidica.Lo spessore della cassa a chiocciola era basato sullo stesso parametro di progettazione della condotta forzata.L'unità da 250 kW è una macchina a flusso assiale, quindi non è presente una custodia a scorrimento.
Una girante di turbina combina una geometria complessa con requisiti di carico elevati.Un lavoro recente ha dimostrato che i componenti strutturali ad alta resistenza possono essere prodotti da un preimpregnato SMC tritato con eccellente resistenza e rigidità.5 Il braccio della sospensione della Lamborghini Gallardo è stato progettato utilizzando più strati di un preimpregnato SMC tritato noto come composito forgiato, stampato a compressione per produrre lo spessore richiesto.Lo stesso metodo può essere applicato al Francis e ai corridori dell'elica.La guida Francis non può essere realizzata come un'unità, in quanto la complessità della sovrapposizione delle lame impedirebbe l'estrazione del pezzo dallo stampo.Pertanto, le lame della guida, la corona e la fascia vengono prodotte separatamente e quindi unite e rinforzate con bulloni attraverso l'esterno della corona e della fascia.
Sebbene il tubo di traino sia più facilmente fabbricabile utilizzando l'avvolgimento del filamento, questo processo non è stato commercializzato utilizzando fibre naturali.Pertanto, è stata scelta la posa a mano, poiché questo è un metodo di produzione standard, nonostante i costi di manodopera più elevati.Utilizzando uno stampo maschio simile a un mandrino, la laminazione può essere completata con lo stampo orizzontale e quindi ruotato in verticale per indurire, evitando cedimenti su un lato.Il peso delle parti composite varierà leggermente a seconda della quantità di resina nella parte finita.Questi numeri si basano sul 50% del peso della fibra.
I pesi totali per la turbina in acciaio e composita da 2 MW sono rispettivamente di 9.888 kg e 7.016 kg.Le turbine in acciaio e composite da 250 kW pesano rispettivamente 3.734 kg e 1.927 kg.I totali presuppongono 20 wicket gate per ciascuna turbina e una lunghezza della condotta forzata pari alla testa della turbina.È probabile che la condotta forzata sia più lunga e richieda raccordi, ma questo numero fornisce una stima di base del peso dell'unità e delle relative periferiche.Il generatore, i bulloni e l'hardware di azionamento del cancello non sono inclusi e si presume siano simili tra le unità composite e in acciaio.Vale anche la pena notare che la riprogettazione del corridore richiesta per tenere conto delle concentrazioni di stress osservate nella FEA aggiungerebbe peso alle unità composite, ma si presume che l'importo sia minimo, dell'ordine di 5 kg per rafforzare i punti con concentrazione di stress
Con i pesi indicati, la turbina composita da 2 MW e la sua condotta forzata potrebbero essere sollevate dal veloce Osprey V-22, mentre la macchina d'acciaio richiederebbe un elicottero Chinook a doppio rotore più lento e meno manovrabile.Inoltre, la turbina composita da 2 MW e la condotta forzata potrebbero essere trainate da un F-250 4 × 4, mentre l'unità in acciaio richiederebbe un camion più grande che sarebbe difficile da manovrare su strade forestali se l'installazione fosse remota.
Conclusioni
È possibile costruire turbine con materiali compositi ed è stata osservata una riduzione del peso dal 50% al 70% rispetto ai componenti in acciaio convenzionali.Il peso ridotto può consentire l'installazione di turbine composite in località remote.Inoltre, l'assemblaggio di queste strutture composite non richiede apparecchiature di saldatura.I componenti richiedono anche un minor numero di parti da imbullonare insieme, poiché ogni pezzo può essere realizzato in una o due sezioni.Nelle piccole serie di produzione modellate in questo studio, il costo degli stampi e di altri strumenti domina il costo dei componenti.
Le piccole tirature qui indicate mostrano quanto costerebbe iniziare ulteriori ricerche su questi materiali.Questa ricerca può affrontare l'erosione da cavitazione e la protezione dai raggi UV dei componenti dopo l'installazione.Potrebbe essere possibile utilizzare rivestimenti in elastomero o ceramica per ridurre la cavitazione o garantire che la turbina funzioni nei regimi di flusso e prevalenza che impediscono il verificarsi della cavitazione.Sarà importante testare e risolvere questi e altri problemi per garantire che le unità possano raggiungere un'affidabilità simile alle turbine in acciaio, soprattutto se devono essere installate in aree in cui la manutenzione sarà rara.
Anche in queste piccole tirature, alcuni componenti compositi possono essere convenienti a causa della riduzione della manodopera richiesta per la produzione.Ad esempio, una custodia a pergamena per l'unità Francis da 2 MW costerebbe $ 80.000 per essere saldata dall'acciaio rispetto a $ 25.000 per la produzione di compositi.Tuttavia, presupponendo una progettazione di successo delle guide della turbina, il costo per lo stampaggio delle guide composite è superiore ai componenti in acciaio equivalenti.Il corridore da 2 MW costerebbe circa $ 23.000 per la produzione in acciaio, rispetto ai $ 27.000 del composito.I costi possono variare a seconda della macchina.E il costo dei componenti compositi diminuirebbe considerevolmente con cicli di produzione più elevati se gli stampi potessero essere riutilizzati.
I ricercatori hanno già studiato la costruzione di giranti di turbine in materiali compositi.8 Tuttavia, questo studio non ha affrontato l'erosione da cavitazione e la fattibilità della costruzione.Il passo successivo per le turbine composite è progettare e costruire un modello in scala che consentirà la prova di fattibilità ed economia di produzione.Questa unità può quindi essere testata per determinare l'efficienza e l'applicabilità, nonché i metodi per prevenire l'erosione da cavitazione eccessiva.
Tempo di pubblicazione: 15-feb-2022
