複合材料は、水力発電業界向けの機器の建設に浸透しています。材料強度やその他の基準を調査すると、特に小型およびマイクロユニットの場合、さらに多くの用途が明らかになります。
この記事は、関連する専門知識を持つ2人以上の専門家によるレビューに従って評価および編集されています。これらの査読者は、水力発電業界における技術的な正確性、有用性、および全体的な重要性について原稿を判断します。
新素材の台頭は、水力発電業界に刺激的な機会を提供します。元の水車や水圧管で使用されていた木材は、1800年代初頭に一部が鋼製の部品に取って代わられました。鋼は、高い疲労荷重によってその強度を維持し、キャビテーションの侵食と腐食に耐えます。その特性はよく理解されており、コンポーネント製造のプロセスは十分に開発されています。大型ユニットの場合、鋼が選択される材料であり続ける可能性があります。
ただし、小型（10 MW未満）からマイクロサイズ（100 kW未満）のタービンの台頭を考えると、複合材料を使用して重量を節約し、製造コストと環境への影響を減らすことができます。これは、電力供給の成長に対する継続的な必要性を考えると、特に重要です。ノルウェーの再生可能エネルギーパートナーによる2009年の調査によると、設置された世界の水力発電容量は約800,000 MWであり、経済的に実現可能な水力発電の10％、技術的に実現可能な水力発電の6％にすぎません。より多くの技術的に実現可能な水力発電を経済的に実現可能な領域に持ち込む可能性は、規模の経済を提供する複合コンポーネントの能力とともに増加します。
複合部品の製造
ペンストックを経済的かつ一貫した高強度で製造するには、フィラメントワインディングが最適な方法です。大きなマンドレルは、樹脂浴を通過した繊維のトウで包まれています。トウはフープとらせん状のパターンで包まれており、内圧、縦方向の曲げ、取り扱いに強い強度を生み出しています。以下の結果セクションは、地元のサプライヤーからの見積もりに基づいた、2つの水圧管サイズの1フィートあたりのコストと重量を示しています。見積もりによると、設計の厚さは、比較的低い圧力負荷ではなく、設置と取り扱いの要件によって決定され、どちらも2.28cmでした。
ウィケットゲートとステーベーンには2つの製造方法が検討されました。ウェットレイアップと真空注入。ウェットレイアップは、乾いた布を使用します。乾いた布には、樹脂を布に注ぎ、ローラーを使用して樹脂を布に押し込みます。このプロセスは、真空注入ほどクリーンではなく、繊維と樹脂の比率に関して常に最適化された構造を生成するとは限りませんが、真空注入プロセスよりも時間がかかりません。真空注入により、乾燥した繊維が正しい方向に配置され、乾燥したスタックが真空バッグに入れられ、追加のフィッティングが取り付けられて樹脂が供給され、真空が適用されると部品に引き込まれます。真空は、樹脂の量を最適なレベルに維持し、揮発性有機化合物の放出を減らすのに役立ちます。
スクロールケースは、滑らかな内面を確保するために、オス型の2つの別々の半分にハンドレイアップを使用します。次に、これらの2つの半分は、適切な強度を確保するために、結合ポイントで外側に追加されたファイバーで結合されます。スクロールケースの圧力負荷は、高強度の高度な複合材料を必要としないため、エポキシ樹脂を使用したグラスファイバーファブリックのウェットレイアップで十分です。スクロールケースの厚さは、水圧管と同じ設計パラメータに基づいています。250kWユニットは軸流機であるため、スクロールケースはありません。
タービンランナーは、複雑な形状と高い負荷要件を組み合わせています。最近の研究により、高強度の構造部品は、優れた強度と剛性を備えたチョップドプリプレグSMCから製造できることが実証されています5。ランボルギーニガヤルドのサスペンションアームは、鍛造複合材、圧縮成形として知られるチョップドプリプレグSMCの複数の層を使用して設計されました必要な厚さを生成します。同じ方法をフランシスとプロペラのランナーに適用することができます。フランシス水車は、ブレードの重なりが複雑なため、成形品を金型から引き抜くことができないため、1つのユニットとして作成することはできません。したがって、ランナーブレード、クラウン、およびバンドは別々に製造され、次に一緒に結合され、クラウンおよびバンドの外側を介してボルトで補強されます。
ドラフトチューブはフィラメントワインディングを使用して最も簡単に製造できますが、このプロセスは天然繊維を使用して商品化されていません。したがって、人件費が高いにもかかわらず、これが標準的な製造方法であるため、ハンドレイアップが選択されました。マンドレルに似たオス型を使用して、型を水平にしてレイアップを完了し、次に垂直に回転させて硬化させることができ、片側のたるみを防ぎます。複合部品の重量は、完成部品の樹脂の量によってわずかに異なります。これらの数値は、50％の繊維重量に基づいています。
鋼製と複合材の2MWタービンの総重量は、それぞれ9,888kgと7,016kgです。250kWの鋼製タービンと複合タービンはそれぞれ3,734kgと1,927kgです。合計は、タービンごとに20のウィケットゲートと、タービンのヘッドに等しい水圧管の長さを想定しています。水圧管が長くなり、フィッティングが必要になる可能性がありますが、この数値は、ユニットおよび関連する周辺機器の重量の基本的な見積もりを示します。発電機、ボルト、ゲート作動ハードウェアは含まれておらず、複合ユニットとスチールユニットの間で類似していると想定されています。また、FEAで見られる応力集中を考慮するために必要なランナーの再設計により、複合ユニットに重量が追加されることにも注意してください。ただし、応力集中でポイントを強化するために、その量は5kg程度と最小限に抑えられます。
与えられた重量で、2 MWの複合タービンとその水圧管は、高速のV-22オスプレイによって持ち上げることができましたが、鉄鋼機械は、より遅く、機動性の低いチヌークツインローターヘリコプターを必要とします。また、2MWの複合タービンと水圧管はF-2504×4で牽引できますが、スチールユニットには大型のトラックが必要であり、設置場所が離れていると林道での操縦が困難になります。
結論
複合材料からタービンを構築することが可能であり、従来の鋼製部品と比較して50％から70％の軽量化が見られました。軽量化により、複合タービンを遠隔地に設置することができます。さらに、これらの複合構造の組み立てには、溶接装置は必要ありません。また、各部品は1つまたは2つのセクションで作成できるため、コンポーネントをボルトで固定するために必要な部品も少なくて済みます。この調査でモデル化された小規模な生産工程では、金型やその他の工具のコストがコンポーネントのコストを支配します。
ここに示されている小さな実行は、これらの材料のさらなる研究を開始するのにかかる費用を示しています。この研究は、設置後のコンポーネントのキャビテーション侵食とUV保護に取り組むことができます。エラストマーまたはセラミックコーティングを使用して、キャビテーションを低減するか、キャビテーションの発生を防ぐフローおよびヘッドレジームでタービンを確実に稼働させることができる場合があります。ユニットが鋼製タービンと同様の信頼性を達成できることを確認するために、これらの問題やその他の問題をテストして解決することが重要です。特に、メンテナンスが頻繁に行われない場所に設置する場合は重要です。
これらの小規模な実行でも、製造に必要な労力が削減されるため、一部の複合コンポーネントは費用効果が高くなる可能性があります。たとえば、2 MWのフランシスユニットのスクロールケースは、複合材製造の25,000ドルと比較して、鋼から溶接するのに80,000ドルの費用がかかります。ただし、タービンランナーの設計が成功したと仮定すると、複合ランナーを成形するためのコストは、同等の鋼製コンポーネントよりも高くなります。2 MWのランナーは、複合材からの27,000ドルと比較して、鋼からの製造には約23,000ドルの費用がかかります。費用は機械によって異なる場合があります。また、金型を再利用できれば、生産量が増えると複合部品のコストは大幅に下がります。
研究者はすでに複合材料からのタービンランナーの建設を調査しました8。しかし、この研究はキャビテーション侵食と建設の実現可能性に対処していませんでした。複合タービンの次のステップは、製造の実現可能性と経済性の証明を可能にするスケールモデルを設計および構築することです。次に、このユニットをテストして、効率と適用性、および過剰なキャビテーション侵食を防止する方法を決定できます。
投稿時間：2022年2月15日
