Kompozītmateriāli gūst panākumus hidroelektrostaciju iekārtu būvniecībā.Materiāla izturības un citu kritēriju izpēte atklāj daudz vairāk pielietojumu, jo īpaši mazām un mikro vienībām.
Šis raksts ir novērtēts un rediģēts saskaņā ar pārskatiem, ko veikuši divi vai vairāki profesionāļi, kuriem ir atbilstoša pieredze.Šie salīdzinošie recenzenti vērtē manuskriptu tehnisko precizitāti, lietderību un vispārējo nozīmi hidroelektrostaciju nozarē.
Jaunu materiālu pieaugums sniedz aizraujošas iespējas hidroelektrostaciju nozarei.Koksne, ko izmantoja oriģinālajos ūdensratos un pildspalvās, 1800. gadu sākumā daļēji tika aizstāta ar tērauda detaļām.Tērauds saglabā savu izturību, pateicoties lielai noguruma slodzei, un ir izturīgs pret kavitācijas eroziju un koroziju.Tās īpašības ir labi saprotamas, un komponentu ražošanas procesi ir labi attīstīti.Lielām vienībām tērauds, iespējams, joprojām būs izvēlētais materiāls.
Tomēr, ņemot vērā mazu (zem 10 MW) līdz mikroizmēra (zem 100 kW) turbīnu pieaugumu, kompozītmateriālus var izmantot, lai samazinātu svaru un samazinātu ražošanas izmaksas un ietekmi uz vidi.Tas ir īpaši svarīgi, ņemot vērā nepārtraukto vajadzību pēc elektroenerģijas piegādes pieauguma.Pasaulē uzstādītā hidroenerģija, gandrīz 800 000 MW saskaņā ar Norvēģijas atjaunojamās enerģijas partneru 2009. gada pētījumu, ir tikai 10% no ekonomiski iespējamās un 6% no tehniski iespējamās hidroenerģijas.Potenciāls vairāk tehniski īstenojamu hidroenerģijas iekārtu ieviest ekonomiski īstenojamu jomā palielinās līdz ar kompozītmateriālu komponentu spēju nodrošināt apjomradītus ietaupījumus.
Kompozītmateriālu detaļu ražošana
Lai izgatavotu pildspalvu ekonomiski un ar nemainīgi augstu izturību, labākā metode ir kvēldiega tinums.Liela serde ir ietīta ar šķiedras grīslām, kas izlaistas cauri sveķu vannai.Tauvas ir ietītas loku un spirālveida rakstos, lai radītu izturību iekšējam spiedienam, garenvirziena liecei un pārvietošanai.Tālāk esošajā rezultātu sadaļā ir parādītas izmaksas un svars uz vienu pēdu diviem pildspalvu izmēriem, pamatojoties uz vietējo piegādātāju piedāvājumu.Citāts parādīja, ka projekta biezumu noteica uzstādīšanas un apstrādes prasības, nevis salīdzinoši zemā spiediena slodze, un abiem tas bija 2,28 cm.
Vārtu vārtiem un balsta lāpstiņām tika apsvērtas divas ražošanas metodes;mitrā uzklāšana un vakuuma infūzija.Slapjā klājumā tiek izmantots sauss audums, kas tiek piesūcināts, pārlejot audumu ar sveķiem un izmantojot rullīšus, lai iespiestu sveķus audumā.Šis process nav tik tīrs kā vakuuma infūzija un ne vienmēr rada optimālāko struktūru šķiedru un sveķu attiecības ziņā, taču tas aizņem mazāk laika nekā vakuuma infūzijas process.Vakuuma infūzija novieto sauso šķiedru pareizajā virzienā, un pēc tam sausā kaudze tiek iepakota vakuuma maisiņā un tiek pievienoti papildu piederumi, kas nodrošina sveķu padevi, kas tiek ievilkta daļā, kad tiek izmantots vakuums.Vakuums palīdz uzturēt sveķu daudzumu optimālā līmenī un samazina gaistošo organisko vielu izdalīšanos.
Ritināšanas futrālī tiks izmantots roku izkārtojums divās atsevišķās daļās uz vīriešu veidnes, lai nodrošinātu gludu iekšējo virsmu.Pēc tam šīs abas puses tiks savienotas kopā ar šķiedru, kas pievienota ārpusei savienojuma vietā, lai nodrošinātu atbilstošu stiprību.Spiediena slodzei ritināšanas korpusā nav nepieciešams augstas stiprības uzlabotais kompozītmateriāls, tāpēc pietiks ar mitru stikla šķiedras auduma izkārtojumu ar epoksīda sveķiem.Ritināšanas korpusa biezums tika balstīts uz to pašu konstrukcijas parametru kā pildspalvas.250 kW iekārta ir aksiālas plūsmas iekārta, tāpēc tai nav ritināšanas korpusa.
Turbīnas skrējējs apvieno sarežģītu ģeometriju ar augstām slodzes prasībām.Nesenais darbs ir parādījis, ka augstas stiprības konstrukcijas komponentus var izgatavot no sasmalcināta prepreg SMC ar izcilu izturību un stingrību.5 Lamborghini Gallardo piekares svira tika izstrādāta, izmantojot vairākus slāņus sasmalcināta prepreg SMC, kas pazīstams kā kalts kompozīts, presformēts. lai iegūtu vajadzīgo biezumu.To pašu metodi var attiecināt uz Francis un propelleru skrējējiem.Francis skrējēju nevar izgatavot kā vienu vienību, jo asmeņu pārklāšanās sarežģītība neļautu daļu izņemt no veidnes.Tādējādi sliedes asmeņi, vainags un lente tiek ražoti atsevišķi un pēc tam savienoti kopā un pastiprināti ar skrūvēm caur vainaga un lentes ārpusi.
Lai gan vilkmes cauruli visvieglāk var izgatavot, izmantojot kvēldiega tinumu, šis process nav komerciāls, izmantojot dabiskās šķiedras.Tādējādi tika izvēlēts roku klājums, jo šī ir standarta ražošanas metode, neskatoties uz augstākajām darbaspēka izmaksām.Izmantojot serdei līdzīgu veidni, izkārtojumu var pabeigt ar veidni horizontāli un pēc tam pagriezt vertikāli, lai sacietētu, novēršot nokarāšanos vienā pusē.Salikto detaļu svars nedaudz mainīsies atkarībā no sveķu daudzuma gatavajā daļā.Šie skaitļi ir balstīti uz 50% šķiedras svara.
Tērauda un kompozītmateriālu 2 MW turbīnas kopējais svars ir attiecīgi 9888 kg un 7016 kg.250 kW tērauda un kompozītmateriālu turbīnas ir attiecīgi 3734 kg un 1927 kg.Kopējās summās tiek pieņemts, ka katrai turbīnai ir 20 vārtiņi un stieņa garums, kas vienāds ar turbīnas galvu.Visticamāk, ka pildspalva būtu garāka un tai būs nepieciešami piederumi, taču šis skaitlis sniedz pamata aprēķinu par ierīces un saistīto perifērijas ierīču svaru.Ģenerators, skrūves un vārtu iedarbināšanas aparatūra nav iekļauta, un tiek pieņemts, ka tās ir līdzīgas kompozītmateriāla un tērauda blokiem.Ir arī vērts atzīmēt, ka skrējēja pārprojektēšana, kas nepieciešama, lai ņemtu vērā sprieguma koncentrāciju, kas redzama FEA, palielinātu salikto vienību svaru, taču tiek pieņemts, ka daudzums ir minimāls, apmēram 5 kg, lai nostiprinātu punktus ar sprieguma koncentrāciju.
Ar dotajiem svariem 2MW kompozītmateriālu turbīnu un tās spārnu varētu pacelt ātrais V-22 Osprey, savukārt tērauda mašīnai būtu nepieciešams lēnāks, mazāk manevrējams Chinook dubultrotoru helikopters.Turklāt 2 MW salikto turbīnu un pildspalvu varētu vilkt ar F-250 4 × 4, savukārt tērauda blokam būtu nepieciešama lielāka kravas automašīna, ar kuru būtu grūti manevrēt pa meža ceļiem, ja iekārta būtu attālināta.
Secinājumi
Ir iespējams būvēt turbīnas no kompozītmateriāliem, un salīdzinājumā ar parastajiem tērauda komponentiem tika novērots svara samazinājums par 50% līdz 70%.Samazinātais svars ļauj uzstādīt kompozītmateriālu turbīnas attālās vietās.Turklāt šo kompozītmateriālu konstrukciju montāžai nav nepieciešamas metināšanas iekārtas.Sastāvdaļas arī prasa mazāk detaļu, kas jāsaskrūvē kopā, jo katru gabalu var izgatavot vienā vai divās daļās.Šajā pētījumā modelētajās mazajās ražošanas sērijās veidņu un citu instrumentu izmaksas dominē komponentu izmaksās.
Šeit norādītie mazie tirāži parāda, cik izmaksātu šo materiālu turpmākas izpētes uzsākšana.Šis pētījums var novērst kavitācijas eroziju un komponentu aizsardzību pret UV starojumu pēc uzstādīšanas.Var būt iespējams izmantot elastomēra vai keramikas pārklājumus, lai samazinātu kavitāciju vai nodrošinātu, ka turbīna darbojas plūsmas un spiediena režīmā, kas novērš kavitācijas rašanos.Būs svarīgi pārbaudīt un atrisināt šīs un citas problēmas, lai nodrošinātu, ka vienības var sasniegt līdzīgu uzticamību kā tērauda turbīnām, jo īpaši, ja tās tiks uzstādītas vietās, kur apkope būs reta.
Pat šajās mazajās sērijās daži saliktie komponenti var būt rentabli, jo ražošanai nepieciešams mazāks darbaspēks.Piemēram, 2 MW Francis bloka ritināmā korpusa metināšana no tērauda maksātu 80 000 USD, salīdzinot ar 25 000 USD kompozītmateriālu ražošanai.Tomēr, pieņemot veiksmīgu turbīnu sliežu konstrukciju, kompozītmateriālu sliežu formēšanas izmaksas ir lielākas nekā līdzvērtīgas tērauda detaļas.2 MW sliedes ražošana no tērauda izmaksātu aptuveni 23 000 USD, salīdzinot ar 27 000 USD no kompozītmateriāla.Izmaksas var atšķirties atkarībā no mašīnas.Ja veidnes varētu izmantot atkārtoti, kompozītmateriālu komponentu izmaksas ievērojami samazinātos, ja ražošanas apjoms ir lielāks.
Pētnieki jau ir pētījuši turbīnu sliežu konstrukciju no kompozītmateriāliem.8 Tomēr šajā pētījumā netika apskatīta kavitācijas erozija un būvniecības iespējamība.Nākamais solis kompozītmateriālu turbīnām ir tāda mēroga modeļa projektēšana un izgatavošana, kas ļaus pierādīt ražošanas iespējamību un ekonomiju.Pēc tam šo ierīci var pārbaudīt, lai noteiktu efektivitāti un pielietojamību, kā arī metodes pārmērīgas kavitācijas erozijas novēršanai.
Izlikšanas laiks: 15. februāris 2022
