Композитните материјали прават упад во изградбата на опрема за хидроенергетската индустрија.Истражувањето за јачината на материјалот и другите критериуми открива многу повеќе апликации, особено за мали и микро единици.
Оваа статија е оценета и уредена во согласност со прегледите спроведени од двајца или повеќе професионалци кои имаат релевантна експертиза.Овие рецензенти ги оценуваат ракописите за техничка точност, корисност и севкупно значење во хидроелектричната индустрија.
Подемот на нови материјали дава возбудливи можности за хидроелектричната индустрија.Дрвото - користено во оригиналните водни тркала и жици - беше делумно заменето со челични компоненти во раните 1800-ти.Челикот ја задржува својата сила преку оптоварување со голем замор и се спротивставува на кавитационата ерозија и корозија.Неговите својства се добро разбрани и процесите за производство на компоненти се добро развиени.За големите единици, челикот најверојатно ќе остане материјал на избор.
Сепак, со оглед на порастот на мали (под 10 MW) до микро-големини (под 100 kW) турбини, композитите може да се користат за да се заштеди тежина и да се намалат трошоците за производство и влијанието врз животната средина.Ова е особено важно со оглед на континуираната потреба за раст во снабдувањето со електрична енергија.Инсталираниот светски хидрокапацитет, скоро 800.000 MW според студијата од 2009 година од Норвешките партнери за обновлива енергија, е само 10% од економски изводливата и 6% од технички изводливата хидроенергија.Потенцијалот да се донесе повеќе од технички изводливите хидроцентрали во областа на економски изводливите се зголемува со способноста на композитните компоненти да обезбедат економичност на обемот.
Производство на композитни компоненти
За економично и конзистентна висока јачина да се изработи жицата, најдобриот метод е намотување со влакно.Голема мандрела е обвиткана со шипки од влакна што се прошетале низ бања со смола.Вртелите се обвиткани во обрачи и спирални обрасци за да се создаде сила за внатрешен притисок, надолжно свиткување и ракување.Делот за резултати подолу ги прикажува трошокот и тежината по нога за двете големини на стакла, врз основа на понуда од локални добавувачи.Цитатот покажа дека дебелината на дизајнот е водена од барањата за инсталација и ракување, наместо од релативно нискиот притисок, и за двете беше 2,28 см.
Беа земени предвид два производни методи за портите за приклучоци и лопатките;влажно поставување и вакуумска инфузија.Во влажното поставување се користи сува ткаенина, која е импрегнирана со истурање смола врз ткаенината и користење на ролери за туркање на смолата во ткаенината.Овој процес не е толку чист како вакуумската инфузија и не секогаш ја произведува најоптимизираната структура во однос на односот влакна-смола, но потребно е помалку време од процесот на вакуумска инфузија.Вакуумската инфузија ги поставува сувите влакна во правилни ориентации, а сувиот оџак потоа се вакумира и се прикачуваат дополнителни фитинзи кои водат до довод на смола, која се вовлекува во делот кога се нанесува вакуумот.Вакуумот помага да се одржи количината на смола на оптимално ниво и го намалува ослободувањето на испарливи органски материи.
Куќиштето за лизгање ќе користи рачно поставување во две одделни половини на машки калап за да обезбеди мазна внатрешна површина.Овие две половини потоа ќе се спојат заедно со влакна додадени однадвор на точката на сврзување за да се обезбеди соодветна цврстина.Оптоварувањето со притисок во кутијата за свиток не бара напреден композит со висока цврстина, така што ќе биде доволно влажно поставување на ткаенина од фиберглас со епоксидна смола.Дебелината на кутијата за свиток се засноваше на истиот параметар на дизајнот како и перницата.Единицата со моќност од 250 kW е машина со аксијален проток, така што нема куќиште за лизгање.
Тркачот на турбини комбинира сложена геометрија со високи барања за оптоварување.Неодамнешната работа покажа дека структурните компоненти со висока цврстина може да се произведуваат од сечкана препрегум SMC со одлична цврстина и цврстина.5 Раката на суспензијата на Lamborghini Gallardo е дизајнирана со користење на повеќе слоеви на сечкана препрегна SMC позната како фалсификуван композит, обликуван на компресија за да се добие потребната дебелина.Истиот метод може да се примени и за тркачите на Френсис и на пропелерот.Френсис тркачот не може да се направи како една единица, бидејќи сложеноста на преклопувањето на сечилото би го спречила извлекувањето на делот од калапот.Така, сечилата, круната и лентата се произведуваат одделно, а потоа се врзуваат заедно и се зајакнуваат со завртки преку надворешната страна на круната и лентата.
Додека влечната цевка најлесно се произведува со намотување на влакно, овој процес не е комерцијализиран со користење на природни влакна.Така, беше избрано поставување на рака, бидејќи ова е стандарден метод на производство, и покрај повисоките трошоци за работна сила.Користејќи машка мувла слична на мандрела, поставувањето може да се заврши со калапот хоризонтално, а потоа да се сврти вертикално за да се излечи, спречувајќи опуштеност од едната страна.Тежината на композитните делови ќе се разликува малку во зависност од количината на смола во готовиот дел.Овие бројки се засноваат на 50% тежина на влакна.
Вкупните тежини за челичната и композитната турбина од 2 MW се 9.888 kg и 7.016 kg, соодветно.Челичните и композитните турбини од 250 kW се 3.734 kg и 1.927 kg, соодветно.Вкупните збирки претпоставуваат 20 порти за секоја турбина и должина на прачка еднаква на главата на турбината.Веројатно е дека приклучокот ќе биде подолг и ќе бара фитинзи, но оваа бројка дава основна проценка на тежината на единицата и поврзаните периферни уреди.Генераторот, завртките и хардверот за активирање на портата не се вклучени и се претпоставува дека се слични помеѓу композитните и челичните единици.Исто така, вреди да се напомене дека редизајнот на тркачот кој е потребен за да се земат предвид концентрациите на стрес што се гледаат во FEA ќе додаде тежина на композитните единици, но количината се претпоставува дека е минимална, од редот од 5 kg за зајакнување на точките со концентрација на стрес
Со дадените тежини, композитната турбина со моќност од 2 MW и нејзиниот лост може да се подигнат со брзиот V-22 Osprey, додека за челичната машина би бил потребен побавен, помалку маневрирачки хеликоптер со двоен ротор Chinook.Исто така, композитната турбина со моќност од 2 MW може да се влече со F-250 4×4, додека за челичната единица би бил потребен поголем камион со кој би бил тешко да се маневрира на шумските патишта доколку инсталацијата е оддалечена.
Заклучоци
Изводливо е да се конструираат турбини од композитни материјали, а забележано е намалување на тежината од 50% до 70% во споредба со конвенционалните челични компоненти.Намалената тежина може да дозволи композитни турбини да се инсталираат на оддалечени локации.Покрај тоа, склопувањето на овие композитни структури не бара опрема за заварување.Компонентите, исто така, бараат помалку делови да се заврткаат заедно, бидејќи секое парче може да се направи во еден или два дела.Во малите производни серии моделирани во оваа студија, цената на калапи и други алатки доминираат во цената на компонентите.
Малите прегледи наведени овде покажуваат колку би чинело да се започне понатамошно истражување на овие материјали.Ова истражување може да се справи со кавитационата ерозија и заштитата од УВ на компонентите по инсталацијата.Можеби е можно да се користат еластомерни или керамички облоги за да се намали кавитацијата или да се осигура дека турбината работи во режимите на проток и главата што спречува појава на кавитација.Ќе биде важно да се тестираат и решат овие и други прашања за да се осигури дека единиците можат да постигнат слична доверливост како челичните турбини, особено ако тие треба да се инсталираат во области каде што одржувањето ќе биде ретко.
Дури и при овие мали работи, некои композитни компоненти може да бидат исплатливи поради намалената работна сила потребна за производство.На пример, кутија за свиток за единицата Francis од 2 MW би чинела 80.000 долари за заварување од челик во споредба со 25.000 долари за композитно производство.Сепак, под претпоставка за успешен дизајн на турбински тркала, трошокот за обликување на композитните тркала е повеќе од еквивалентни челични компоненти.Тркачот од 2 MW би чинел околу 23.000 долари за производство од челик, во споредба со 27.000 долари од композит.Трошоците може да варираат во зависност од машината.И цената за композитните компоненти значително ќе се намали на повисоките производни циклуси, доколку калапи може повторно да се употребат.
Истражувачите веќе ја истражувале изградбата на турбински тркала од композитни материјали.8 Сепак, оваа студија не се занимава со кавитационата ерозија и изводливоста на изградбата.Следниот чекор за композитните турбини е дизајнирање и изградба на модел во обем кој ќе овозможи доказ за изводливост и економичност на производството.Оваа единица потоа може да се тестира за да се одреди ефикасноста и применливоста, како и методите за спречување на прекумерна кавитациона ерозија.
Време на објавување: 15-февруари 2022 година
