Forster 소형 수력 터빈에 복합 재료를 사용하는 방법

복합 재료는 수력 발전 산업을 위한 장비 건설에 진출하고 있습니다.재료 강도 및 기타 기준에 대한 조사는 특히 소형 및 초소형 장치에 더 많은 응용 분야를 보여줍니다.
이 글은 관련 전문 지식을 갖춘 2명 이상의 전문가가 진행한 리뷰에 따라 평가 및 편집되었습니다.이 피어 리뷰어는 수력 발전 산업 내에서 기술적 정확성, 유용성 및 전반적인 중요성에 대해 원고를 판단합니다.
새로운 재료의 등장은 수력 발전 산업에 흥미로운 기회를 제공합니다.원래 물레방아와 펜스톡에 사용된 목재는 1800년대 초에 부분적으로 강철 부품으로 대체되었습니다.강철은 높은 피로 하중을 통해 강도를 유지하고 캐비테이션 침식 및 부식에 저항합니다.그 특성이 잘 알려져 있고 부품 제조 공정이 잘 발달되어 있습니다.대형 유닛의 경우 강철이 계속해서 선택되는 재료일 것입니다.
그러나 소형(10MW 미만)에서 초소형(100kW 미만) 터빈의 등장으로 인해 복합 재료를 사용하여 무게를 줄이고 제조 비용과 환경 영향을 줄일 수 있습니다.이것은 전력 공급의 지속적인 증가에 대한 요구를 고려할 때 특히 관련이 있습니다.Norwegian Renewable Energy Partners의 2009년 연구에 따르면 설치된 세계 수력 발전 용량은 거의 800,000MW로 경제적으로 실현 가능한 수력 발전의 10%, 기술적으로 실현 가능한 수력 발전의 6%에 불과합니다.규모의 경제를 제공하는 복합 구성 요소의 능력으로 경제적으로 실현 가능한 증가 영역으로 기술적으로 실현 가능한 수력을 더 많이 가져올 수 있는 가능성.

복합 부품 제조
Penstock을 경제적으로 그리고 일관된 고강도로 제조하려면 가장 좋은 방법은 필라멘트 와인딩입니다.큰 맨드릴은 수지 욕조를 통과한 섬유 토우로 싸여 있습니다.토우는 내부 압력, 세로 굽힘 및 핸들링에 대한 강도를 생성하기 위해 후프 및 나선형 패턴으로 싸여 있습니다.아래 결과 섹션은 현지 공급업체의 견적을 기반으로 두 가지 펜스탁 크기에 대한 피트당 비용과 무게를 보여줍니다.견적서에 따르면 설계 두께는 상대적으로 낮은 압력 하중보다는 설치 및 취급 요구 사항에 따라 결정되었으며 두 경우 모두 2.28cm였습니다.
개찰구와 스테이 베인에 대해 두 가지 제조 방법이 고려되었습니다.습식 레이업 및 진공 주입.습식 레이업은 건식 직물을 사용하는데, 이 직물은 직물 위에 수지를 붓고 롤러를 사용하여 수지를 직물 안으로 밀어 넣어 함침됩니다.이 공정은 진공 주입만큼 깨끗하지 않고 섬유 대 수지 비율 측면에서 항상 가장 최적화된 구조를 생성하는 것은 아니지만 진공 주입 공정보다 시간이 덜 걸립니다.진공 주입은 건조 섬유를 올바른 방향으로 쌓고, 건조 스택은 진공 백에 포장되고 진공이 적용될 때 부품으로 유입되는 수지 공급으로 이어지는 추가 피팅이 부착됩니다.진공은 수지의 양을 최적 수준으로 유지하고 휘발성 유기물의 방출을 줄이는 데 도움이 됩니다.
스크롤 케이스는 부드러운 내부 표면을 보장하기 위해 수 몰드에서 두 개의 별도 반으로 손 레이업을 사용합니다.이 두 개의 반쪽은 적절한 강도를 보장하기 위해 접합 지점에서 외부에 추가된 섬유로 함께 접합됩니다.스크롤 케이스의 압력 하중은 고강도 고급 합성물을 필요로 하지 않으므로 에폭시 수지를 사용한 유리 섬유 직물의 습식 레이업으로 충분합니다.스크롤 케이스의 두께는 펜스탁과 동일한 설계 매개변수를 기반으로 했습니다.250kW 단위는 축류 기계이므로 스크롤 케이스가 없습니다.

터빈 러너는 복잡한 형상과 높은 부하 요구 사항을 결합합니다.최근 연구에 따르면 고강도 구조 부품은 강도와 ​​강성이 뛰어난 쵸핑 프리프레그 SMC로 제조할 수 있음이 입증되었습니다.5 Lamborghini Gallardo의 서스펜션 암은 압축 성형된 단조 복합재로 알려진 쵸핑 프리프레그 SMC의 다중 레이어를 사용하여 설계되었습니다. 필요한 두께를 생산합니다.Francis 및 프로펠러 러너에도 동일한 방법을 적용할 수 있습니다.프랜시스 러너는 블레이드 겹침의 복잡성으로 인해 부품이 금형에서 추출되지 않기 때문에 하나의 단위로 만들 수 없습니다.따라서 러너블레이드, 크라운, 밴드를 별도로 제작하여 크라운과 밴드의 외부를 통해 볼트로 보강하여 함께 접착합니다.
드래프트 튜브는 필라멘트 와인딩을 사용하여 가장 쉽게 제조되지만 이 공정은 천연 섬유를 사용하여 상용화되지 않았습니다.따라서 높은 인건비에도 불구하고 이것이 표준 제조 방법이기 때문에 핸드 레이업이 선택되었습니다.맨드릴과 유사한 수형을 사용하여 수평으로 몰드를 적층한 후 수직으로 돌려 경화시켜 한쪽의 처짐을 방지할 수 있습니다.복합 부품의 무게는 완성된 부품의 수지 양에 따라 약간 다릅니다.이 수치는 50% 섬유 중량을 기준으로 합니다.
강철 및 복합 2MW 터빈의 총 중량은 각각 9,888kg 및 7,016kg입니다.250kW 강철 및 복합 터빈은 각각 3,734kg 및 1,927kg입니다.합계는 각 터빈에 대해 20개의 개찰구 게이트와 터빈 헤드와 동일한 펜스톡 길이를 가정합니다.펜스톡이 더 길고 부속품이 필요할 가능성이 높지만 이 수치는 장치 및 관련 주변 장치의 무게에 대한 기본 추정치를 제공합니다.발전기, 볼트 및 게이트 작동 하드웨어는 포함되지 않으며 복합재 및 강철 유닛 간에 유사한 것으로 가정됩니다.FEA에서 볼 수 있는 응력 집중을 설명하는 데 필요한 러너 재설계는 복합 재료에 무게를 추가하지만 양은 응력 집중으로 점을 강화하기 위해 5kg 정도의 최소로 가정됩니다.
주어진 중량으로 2MW 복합 터빈과 그 펜스톡은 빠른 V-22 Osprey로 들어 올릴 수 있는 반면 철강 기계는 느리고 기동성이 떨어지는 Chinook 트윈 로터 헬리콥터가 필요합니다.또한 2MW 복합 터빈과 펜스톡은 F-250 4×4로 견인될 수 있는 반면, 강철 유닛은 설치가 멀리 떨어져 있는 경우 산림 도로에서 기동하기 어려운 더 큰 트럭이 필요합니다.

결론
복합 재료로 터빈을 구성하는 것이 가능하며 기존 강철 부품에 비해 중량이 50~70% 감소했습니다.감소된 무게로 인해 복합 터빈을 원격 위치에 설치할 수 있습니다.또한 이러한 복합 구조의 조립에는 용접 장비가 필요하지 않습니다.구성 요소는 또한 각 부품을 하나 또는 두 개의 섹션으로 만들 수 있으므로 함께 볼트로 연결해야 하는 부품 수가 더 적습니다.이 연구에서 모델링한 소규모 생산 실행에서 금형 및 기타 도구 비용이 구성 요소 비용을 지배합니다.
여기에 표시된 소규모 실행은 이러한 재료에 대한 추가 연구를 시작하는 데 드는 비용을 보여줍니다.이 연구는 설치 후 구성 요소의 캐비테이션 침식 및 UV 보호를 해결할 수 있습니다.캐비테이션을 감소시키거나 캐비테이션이 발생하는 것을 방지하는 흐름 및 헤드 영역에서 터빈이 작동하도록 하기 위해 엘라스토머 또는 세라믹 코팅을 사용하는 것이 가능할 수 있습니다.특히 유지 보수가 자주 수행되지 않는 지역에 설치해야 하는 경우 장치가 강철 터빈과 유사한 신뢰성을 달성할 수 있도록 이러한 문제 및 기타 문제를 테스트하고 해결하는 것이 중요합니다.
이러한 소규모 실행에서도 일부 복합 부품은 제조에 필요한 노동력 감소로 인해 비용 효율적일 수 있습니다.예를 들어, 2MW Francis 장치의 스크롤 케이스는 강철로 용접하는 데 80,000달러가 들지만 합성물 제조에는 25,000달러가 듭니다.그러나 터빈 러너의 성공적인 설계를 가정하면 복합 러너 성형 비용은 동등한 강철 부품보다 많습니다.2MW 러너는 강철로 제조하는 데 약 $23,000의 비용이 들지만 합성물로는 $27,000입니다.비용은 기계에 따라 다를 수 있습니다.그리고 주형을 재사용할 수 있다면 복합 부품의 비용은 더 높은 생산 가동률에서 상당히 떨어질 것입니다.
연구원들은 이미 복합 재료로 터빈 러너의 구성을 조사했습니다.8 그러나 이 연구에서는 캐비테이션 침식 및 건설 가능성을 다루지 않았습니다.복합 터빈의 다음 단계는 타당성과 제조 경제성을 입증할 수 있는 축소 모델을 설계하고 구축하는 것입니다.그런 다음 이 장치를 테스트하여 효율성과 적용 가능성과 과도한 캐비테이션 침식을 방지하는 방법을 결정할 수 있습니다.