Composietmaterialen doen hun intrede in de bouw van apparatuur voor de waterkrachtindustrie.Een onderzoek naar materiaalsterkte en andere criteria brengt veel meer toepassingen aan het licht, met name voor kleine en micro-eenheden.
Dit artikel is geëvalueerd en bewerkt in overeenstemming met beoordelingen uitgevoerd door twee of meer professionals met relevante expertise.Deze peer reviewers beoordelen manuscripten op technische nauwkeurigheid, bruikbaarheid en algemeen belang binnen de waterkrachtindustrie.
De opkomst van nieuwe materialen biedt opwindende kansen voor de waterkrachtindustrie.Hout - gebruikt in de originele waterraderen en afsluiters - werd begin 19e eeuw gedeeltelijk verdrongen door stalen onderdelen.Staal behoudt zijn sterkte door hoge vermoeiingsbelasting en is bestand tegen cavitatie-erosie en corrosie.De eigenschappen zijn goed begrepen en de processen voor de fabricage van componenten zijn goed ontwikkeld.Voor grote eenheden blijft staal waarschijnlijk het materiaal bij uitstek.
Gezien de opkomst van kleine (minder dan 10 MW) tot micro-gedimensioneerde (minder dan 100 kW) turbines, kunnen composieten echter worden gebruikt om gewicht te besparen en de productiekosten en de impact op het milieu te verminderen.Dit is vooral relevant gezien de aanhoudende behoefte aan groei van de elektriciteitsvoorziening.De geïnstalleerde wereldwaterkrachtcapaciteit, bijna 800.000 MW volgens een studie uit 2009 van Norwegian Renewable Energy Partners, is slechts 10% van de economisch haalbare en 6% van de technisch haalbare waterkracht.Het potentieel om meer van de technisch haalbare waterkracht naar het rijk van economisch haalbare te brengen, neemt toe met het vermogen van composietcomponenten om schaalvoordelen te bieden.
Fabricage van composietcomponenten:
Om de penstock economisch en met een constante hoge sterkte te vervaardigen, is de beste methode filamentwikkeling.Een grote doorn is omwikkeld met vezelkabels die door een harsbad zijn gehaald.De kabels zijn gewikkeld in hoepel- en spiraalvormige patronen om kracht te creëren voor interne druk, longitudinale buiging en hantering.De resultatensectie hieronder toont de kosten en het gewicht per voet voor de twee penstockformaten, gebaseerd op een offerte van lokale leveranciers.Uit de offerte bleek dat de ontwerpdikte werd bepaald door installatie- en hanteringsvereisten, in plaats van door de relatief lage drukbelasting, en voor beide was deze 2,28 cm.
Er werden twee fabricagemethoden overwogen voor de looppoorten en de schoepen;natte layup en vacuüminfusie.Wet layup maakt gebruik van droge stof, die wordt geïmpregneerd door hars over de stof te gieten en met behulp van rollen de hars in de stof te duwen.Dit proces is niet zo schoon als vacuüminfusie en produceert niet altijd de meest geoptimaliseerde structuur in termen van vezel-harsverhouding, maar het kost minder tijd dan het vacuüminfusieproces.Vacuüminfusie legt droge vezels in de juiste oriëntaties, en de droge stapel wordt vervolgens vacuüm verpakt en extra hulpstukken worden bevestigd die leiden tot een harstoevoer, die in het onderdeel wordt gezogen wanneer het vacuüm wordt toegepast.Het vacuüm helpt de hoeveelheid hars op een optimaal niveau te houden en vermindert de afgifte van vluchtige organische stoffen.
De rolbehuizing maakt gebruik van een handlay-up in twee afzonderlijke helften op een mannelijke mal om een glad binnenoppervlak te garanderen.Deze twee helften worden vervolgens aan elkaar gehecht met vezels die aan de buitenkant op het verbindingspunt worden toegevoegd om voldoende sterkte te garanderen.De drukbelasting in de scrollbehuizing vereist geen hoogwaardig geavanceerd composiet, dus een natte lay-up van glasvezelweefsel met een epoxyhars is voldoende.De dikte van de rolbehuizing was gebaseerd op dezelfde ontwerpparameter als de penstock.De unit van 250 kW is een axiaalstroommachine, dus er is geen scrollcase.
Een turbineloper combineert een complexe geometrie met hoge belastingseisen.Recent werk heeft aangetoond dat structurele componenten met een hoge sterkte kunnen worden vervaardigd uit een gehakte prepreg SMC met uitstekende sterkte en stijfheid.5 De ophangarm van de Lamborghini Gallardo is ontworpen met behulp van meerdere lagen van een gehakte prepreg SMC, bekend als een gesmeed composiet, onder druk gegoten om de gewenste dikte te produceren.Dezelfde methode kan worden toegepast op de Francis en propeller runners.De Francis runner kan niet als één geheel worden gemaakt, omdat de complexiteit van de bladoverlap zou voorkomen dat het onderdeel uit de mal wordt gehaald.Zo worden de runnerbladen, kroon en band afzonderlijk vervaardigd en vervolgens aan elkaar gehecht en versterkt met bouten door de buitenkant van de kroon en band.
Hoewel de trekbuis het gemakkelijkst wordt vervaardigd met behulp van filamentwikkeling, is dit proces niet gecommercialiseerd met behulp van natuurlijke vezels.Daarom is gekozen voor handlayup, omdat dit ondanks de hogere arbeidskosten een standaard fabricagemethode is.Met behulp van een mannelijke mal die lijkt op een doorn, kan de lay-up worden voltooid met de mal horizontaal en vervolgens verticaal worden gedraaid om uit te harden, waardoor verzakking aan één kant wordt voorkomen.Het gewicht van de composietonderdelen zal enigszins variëren, afhankelijk van de hoeveelheid hars in het voltooide onderdeel.Deze cijfers zijn gebaseerd op 50% vezelgewicht.
De totale gewichten voor de stalen en composiet 2-MW-turbine zijn respectievelijk 9.888 kg en 7.016 kg.De turbines van staal en composiet van 250 kW wegen respectievelijk 3.734 kg en 1.927 kg.De totalen gaan uit van 20 wicketgates voor elke turbine en een penstocklengte gelijk aan de kop van de turbine.Het is waarschijnlijk dat de penstock langer is en fittingen vereist, maar dit aantal geeft een basisschatting van het gewicht van het apparaat en de bijbehorende randapparatuur.De generator, bouten en hardware voor het bedienen van de poort zijn niet inbegrepen en er wordt aangenomen dat ze vergelijkbaar zijn tussen de composiet- en stalen units.Het is ook vermeldenswaard dat het herontwerp van de runner dat nodig is om rekening te houden met de spanningsconcentraties die in de FEA worden gezien, de composieteenheden zwaarder zou maken, maar de hoeveelheid wordt als minimaal beschouwd, in de orde van 5 kg om punten met spanningsconcentratie te versterken
Met de gegeven gewichten zou de samengestelde turbine van 2 MW en zijn drijfstang kunnen worden opgetild door de snelle V-22 Osprey, terwijl de stalen machine een langzamere, minder wendbare Chinook-helikopter met dubbele rotor zou vereisen.Ook zouden de samengestelde turbine van 2 MW en de afsluiter kunnen worden gesleept door een F-250 4×4, terwijl de stalen eenheid een grotere vrachtwagen zou vereisen die moeilijk te manoeuvreren zou zijn op boswegen als de installatie op afstand zou zijn.
conclusies
Het is haalbaar om turbines te bouwen van composietmaterialen en er werd een gewichtsvermindering van 50% tot 70% gezien in vergelijking met conventionele stalen componenten.Door het verminderde gewicht kunnen composietturbines op afgelegen locaties worden geïnstalleerd.Bovendien vereist de montage van deze composietconstructies geen lasapparatuur.De componenten vereisen ook minder onderdelen die aan elkaar moeten worden vastgeschroefd, omdat elk stuk in één of twee secties kan worden gemaakt.Bij de kleine productieseries die in dit onderzoek zijn gemodelleerd, domineren de kosten van de matrijzen en andere gereedschappen de componentkosten.
De hier aangegeven kleine oplagen laten zien wat het zou kosten om verder onderzoek naar deze materialen te starten.Dit onderzoek kan cavitatie-erosie en UV-bescherming van de componenten na installatie aanpakken.Het kan mogelijk zijn om elastomeer- of keramische coatings te gebruiken om cavitatie te verminderen of om ervoor te zorgen dat de turbine draait in de stroom- en kopregimes die cavitatie voorkomen.Het is belangrijk om deze en andere problemen te testen en op te lossen om ervoor te zorgen dat de units dezelfde betrouwbaarheid kunnen bereiken als staalturbines, vooral als ze worden geïnstalleerd in gebieden waar weinig onderhoud zal plaatsvinden.
Zelfs bij deze kleine oplagen kunnen sommige composietcomponenten kosteneffectief zijn vanwege de verminderde arbeid die nodig is voor de fabricage.Een rolbehuizing voor de Francis-eenheid van 2 MW zou bijvoorbeeld $ 80.000 kosten om uit staal te worden gelast, vergeleken met $ 25.000 voor de fabricage van composiet.Uitgaande van een succesvol ontwerp van turbinegeleiders, zijn de kosten voor het gieten van de composietgeleiders echter meer dan equivalente stalen componenten.De 2-MW-runner zou ongeveer $ 23.000 kosten om van staal te maken, vergeleken met $ 27.000 van composiet.De kosten kunnen per automaat verschillen.En de kosten voor composietcomponenten zouden bij hogere productieruns aanzienlijk dalen als matrijzen hergebruikt zouden kunnen worden.
Onderzoekers hebben al onderzoek gedaan naar de constructie van turbinelopers uit composietmaterialen.8 Deze studie ging echter niet in op cavitatie-erosie en de haalbaarheid van constructie.De volgende stap voor composietturbines is het ontwerpen en bouwen van een schaalmodel waarmee de haalbaarheid en de zuinigheid van de fabricage kunnen worden aangetoond.Deze unit kan vervolgens worden getest om de efficiëntie en toepasbaarheid te bepalen, evenals methoden om overmatige cavitatie-erosie te voorkomen.
Posttijd: 15 februari-2022
