Komposittmaterialer gjør inntog i konstruksjon av utstyr for vannkraftindustrien.En undersøkelse av materialstyrke og andre kriterier avslører mange flere bruksområder, spesielt for små enheter og mikroenheter.
Denne artikkelen er evaluert og redigert i henhold til vurderinger utført av to eller flere fagpersoner som har relevant ekspertise.Disse fagfellebedømmerne bedømmer manuskripter for teknisk nøyaktighet, nytte og generell betydning innen vannkraftindustrien.
Fremveksten av nye materialer gir spennende muligheter for vannkraftindustrien.Tre – brukt i de originale vannhjulene og pennestokkene – ble delvis erstattet av stålkomponenter på begynnelsen av 1800-tallet.Stål beholder sin styrke gjennom høy tretthetsbelastning og motstår kavitasjonserosjon og korrosjon.Egenskapene er godt forstått og prosessene for komponentfremstilling er godt utviklet.For store enheter vil stål sannsynligvis forbli det valgte materialet.
Men gitt fremveksten av små (under 10 MW) til mikrostore (under 100 kW) turbiner, kan kompositter brukes til å spare vekt og redusere produksjonskostnader og miljøpåvirkning.Dette er spesielt aktuelt gitt det vedvarende behovet for vekst i strømforsyningen.Den installerte vannkraftkapasiteten i verden, nesten 800 000 MW ifølge en studie fra 2009 fra Norwegian Renewable Energy Partners, er bare 10 % av den økonomisk gjennomførbare og 6 % av den teknisk gjennomførbare vannkraften.Potensialet for å bringe mer av den teknisk gjennomførbare vannkraften inn i riket av økonomisk gjennomførbare øker med komposittkomponentenes evne til å gi stordriftsfordeler.
Produksjon av komposittkomponenter
For å produsere penstock økonomisk og med jevn høy styrke, er den beste metoden filamentvikling.En stor dor er pakket inn med ledninger av fiber som har blitt kjørt gjennom et harpiksbad.Slepene er pakket inn i bøyle og spiralformede mønstre for å skape styrke for internt trykk, langsgående bøying og håndtering.Resultatdelen nedenfor viser kostnaden og vekten per fot for de to pennestokkstørrelsene, basert på et tilbud fra lokale leverandører.Sitatet viste at designtykkelsen ble drevet av installasjons- og håndteringskrav, snarere enn den relativt lave trykkbelastningen, og for begge var den 2,28 cm.
To produksjonsmetoder ble vurdert for gangportene og stagskovlene;våt layup og vakuuminfusjon.Wet layup bruker tørt stoff, som er impregnert ved å helle harpiks over stoffet og bruke ruller for å dytte harpiksen inn i stoffet.Denne prosessen er ikke så ren som vakuuminfusjon og gir ikke alltid den mest optimaliserte strukturen når det gjelder fiber-til-harpiks-forhold, men den tar kortere tid enn vakuuminfusjonsprosessen.Vakuuminfusjon legger opp tørre fibre i de riktige retningene, og den tørre stabelen blir deretter vakuumposet og ekstra beslag festes som fører til en harpikstilførsel, som trekkes inn i delen når vakuumet påføres.Vakuumet bidrar til å opprettholde mengden av harpiks på et optimalt nivå og reduserer frigjøringen av flyktige organiske stoffer.
Rullekassen vil bruke et håndopplegg i to separate halvdeler på en hannform for å sikre en jevn indre overflate.Disse to halvdelene vil deretter bindes sammen med fiber lagt til utsiden ved bindingspunktet for å sikre tilstrekkelig styrke.Trykkbelastningen i rullekassen krever ikke en høyfast avansert kompositt, så et vått opplegg av glassfiberstoff med en epoksyharpiks vil være tilstrekkelig.Tykkelsen på rullekassen var basert på samme designparameter som pennestokken.250-kW-enheten er en aksialstrømningsmaskin, så det er ingen rullekasse.
En turbinløper kombinerer en kompleks geometri med høye belastningskrav.Nylig arbeid har vist at strukturelle komponenter med høy styrke kan produseres fra en hakket prepreg SMC med utmerket styrke og stivhet.5 Opphengsarmen til Lamborghini Gallardo ble designet med flere lag av en hakket prepreg SMC kjent som en smidd kompositt, kompresjonsstøpt for å produsere den nødvendige tykkelsen.Den samme metoden kan brukes på Francis- og propellløperne.Francis-løperen kan ikke lages som én enhet, siden kompleksiteten til bladets overlapping ville forhindre at delen trekkes ut av formen.Dermed blir løpebladene, kronen og båndet produsert separat og deretter bundet sammen og forsterket med bolter gjennom utsiden av kronen og båndet.
Mens trekkrøret lettest produseres ved bruk av filamentvikling, har denne prosessen ikke blitt kommersialisert ved bruk av naturlige fibre.Dermed ble håndoppsett valgt, da dette er standard produksjonsmetode, til tross for de høyere arbeidskostnadene.Ved å bruke en hannform som ligner på en dor, kan opplegget fullføres med formen vannrett og deretter snudd vertikalt for å herde, og forhindrer henging på den ene siden.Vekten av komposittdelene vil variere noe avhengig av mengden harpiks i den ferdige delen.Disse tallene er basert på 50 % fibervekt.
Totalvektene for stål og kompositt 2-MW turbin er henholdsvis 9.888 kg og 7.016 kg.250 kW stål- og komposittturbinene er på henholdsvis 3.734 kg og 1.927 kg.Totalene forutsetter 20 wicket-porter for hver turbin og en pennestokklengde lik turbinens hode.Det er sannsynlig at pennestokken vil være lengre og kreve beslag, men dette tallet gir et grunnleggende estimat for vekten av enheten og tilhørende periferiutstyr.Generatoren, boltene og portaktiveringsutstyret er ikke inkludert og antas å være like mellom kompositt- og stålenhetene.Det er også verdt å merke seg at løperens redesign som kreves for å ta hensyn til spenningskonsentrasjoner sett i FEA vil legge vekt på komposittenhetene, men mengden antas å være minimal, i størrelsesorden 5 kg for å styrke punkter med spenningskonsentrasjon
Med de gitte vektene, kunne 2-MW komposittturbinen og dens pennestokk løftes av den raske V-22 Osprey, mens stålmaskinen ville kreve et langsommere, mindre manøvrerbart Chinook tvillingrotorhelikopter.Dessuten kunne 2-MW komposittturbinen og pennstokken slepes av en F-250 4×4, mens stålenheten ville kreve en større lastebil som ville være vanskelig å manøvrere på skogsveier hvis installasjonen var fjerntliggende.
Konklusjoner
Det er mulig å konstruere turbiner fra komposittmaterialer, og en vektreduksjon på 50 % til 70 % ble sett sammenlignet med konvensjonelle stålkomponenter.Den reduserte vekten kan gjøre det mulig å installere komposittturbiner på avsidesliggende steder.I tillegg krever montering av disse komposittstrukturene ikke sveiseutstyr.Komponentene krever også at færre deler skal boltes sammen, da hvert stykke kan lages i en eller to seksjoner.Ved de små produksjonskjøringene som er modellert i denne studien, dominerer kostnaden for støpeformer og annet verktøy komponentkostnadene.
De små løpene som er angitt her viser hva det vil koste å starte videre forskning på disse materialene.Denne forskningen kan ta for seg kavitasjonserosjon og UV-beskyttelse av komponentene etter installasjon.Det kan være mulig å bruke elastomer eller keramiske belegg for å redusere kavitasjon eller sikre at turbinen går i strømnings- og fallhøyderegimene som hindrer kavitasjon i å oppstå.Det vil være viktig å teste og løse disse og andre problemer for å sikre at enhetene kan oppnå tilsvarende pålitelighet som stålturbiner, spesielt hvis de skal installeres i områder hvor vedlikehold vil være sjeldent.
Selv ved disse små seriene kan enkelte komposittkomponenter være kostnadseffektive på grunn av redusert arbeidskraft som kreves for produksjon.For eksempel vil en rullekasse for 2-MW Francis-enheten koste 80 000 dollar å sveises av stål sammenlignet med 25 000 dollar for komposittproduksjon.Forutsatt vellykket utforming av turbinløpere er imidlertid kostnaden for å støpe komposittløperne mer enn tilsvarende stålkomponenter.2-MW-løperen ville koste rundt $23.000 å produsere fra stål, sammenlignet med $27.000 fra kompositt.Kostnadene kan variere fra maskin til maskin.Og kostnadene for komposittkomponenter ville falle betraktelig ved høyere produksjonsserier hvis støpeformer kunne gjenbrukes.
Forskere har allerede undersøkt konstruksjonen av turbinløpere fra komposittmaterialer.8 Denne studien tok imidlertid ikke for seg kavitasjonserosjon og gjennomførbarheten av konstruksjon.Det neste trinnet for komposittturbiner er å designe og bygge en skalamodell som vil tillate bevis på gjennomførbarhet og økonomi ved produksjon.Denne enheten kan deretter testes for å bestemme effektivitet og anvendelighet, samt metoder for å forhindre overflødig kavitasjonserosjon.
Innleggstid: 15. februar 2022
