Materiały kompozytowe zdobywają popularność w budowie urządzeń dla energetyki wodnej.Badanie wytrzymałości materiału i innych kryteriów ujawnia znacznie więcej zastosowań, szczególnie w przypadku małych i mikro jednostek.
Ten artykuł został oceniony i zredagowany zgodnie z recenzjami przeprowadzonymi przez dwóch lub więcej specjalistów posiadających odpowiednią wiedzę fachową.Ci recenzenci oceniają rękopisy pod kątem dokładności technicznej, użyteczności i ogólnego znaczenia w branży hydroelektrycznej.
Pojawienie się nowych materiałów stwarza ekscytujące możliwości dla przemysłu hydroelektrycznego.Drewno — używane w oryginalnych kołach wodnych i zastawkach — zostało częściowo zastąpione elementami stalowymi na początku XIX wieku.Stal zachowuje swoją wytrzymałość dzięki dużym obciążeniom zmęczeniowym i jest odporna na erozję kawitacyjną i korozję.Jego właściwości są dobrze poznane, a procesy wytwarzania komponentów są dobrze opracowane.W przypadku dużych jednostek stal prawdopodobnie pozostanie materiałem z wyboru.
Jednak biorąc pod uwagę wzrost liczby turbin od małych (poniżej 10 MW) do mikro (poniżej 100 kW), kompozyty można stosować w celu zmniejszenia masy i obniżenia kosztów produkcji oraz wpływu na środowisko.Jest to szczególnie istotne, biorąc pod uwagę ciągłą potrzebę wzrostu dostaw energii elektrycznej.Zainstalowana światowa moc wodna, prawie 800 000 MW, według badania przeprowadzonego w 2009 r. przez Norwegian Renewable Energy Partners, stanowi tylko 10% ekonomicznie wykonalnych i 6% technicznie wykonalnych elektrowni wodnych.Potencjał wprowadzenia większej liczby wykonalnych technicznie hydrotechnicznych do sfery ekonomicznie wykonalnych wzrostów dzięki zdolności komponentów kompozytowych do zapewnienia ekonomii skali.
Produkcja komponentów kompozytowych
Aby wyprodukować zastawkę w sposób ekonomiczny i z zachowaniem stałej wysokiej wytrzymałości, najlepszą metodą jest nawijanie włókien.Duży trzpień jest owinięty kłębami włókien, które zostały przepuszczone przez kąpiel żywiczną.Kable są owinięte w obręcze i spiralne wzory, aby zapewnić wytrzymałość na ciśnienie wewnętrzne, zginanie wzdłużne i obsługę.Poniższa sekcja wyników pokazuje koszt i wagę na stopę dla dwóch rozmiarów zastawek, w oparciu o ofertę lokalnych dostawców.Cytat wykazał, że grubość projektowa była uzależniona od wymagań dotyczących instalacji i obsługi, a nie stosunkowo niskiego obciążenia ciśnieniowego i w obu przypadkach wynosiła 2,28 cm.
Rozważono dwie metody produkcji furtek i skrzydeł uchylnych;układanie na mokro i infuzja próżniowa.Ułożenie na mokro wykorzystuje suchą tkaninę, która jest impregnowana przez wylanie żywicy na tkaninę i użycie rolek do wepchnięcia żywicy do tkaniny.Proces ten nie jest tak czysty jak infuzja próżniowa i nie zawsze zapewnia najbardziej zoptymalizowaną strukturę pod względem stosunku włókien do żywicy, ale zajmuje mniej czasu niż proces infuzji próżniowej.Infuzja próżniowa układa suche włókna we właściwych orientacjach, a suchy stos jest następnie pakowany próżniowo i dołączane są dodatkowe łączniki, które prowadzą do dostarczania żywicy, która jest wciągana do części po przyłożeniu próżni.Próżnia pomaga utrzymać ilość żywicy na optymalnym poziomie i ogranicza uwalnianie lotnych związków organicznych.
Etui typu scroll wykorzystuje układ dłoni na dwie oddzielne połówki na męskiej formie, aby zapewnić gładką powierzchnię wewnętrzną.Te dwie połówki zostaną następnie połączone razem z włóknem dodanym na zewnątrz w punkcie łączenia, aby zapewnić odpowiednią wytrzymałość.Obciążenie ciśnieniowe w obudowie spiralnej nie wymaga zaawansowanego kompozytu o wysokiej wytrzymałości, więc wystarczy ułożyć na mokro tkaninę z włókna szklanego z żywicą epoksydową.Grubość obudowy przewijanej została oparta na tym samym parametrze projektowym, co zastawka.Jednostka o mocy 250 kW jest maszyną o przepływie osiowym, więc nie ma obudowy spiralnej.
Turbina wirnika łączy złożoną geometrię z wysokimi wymaganiami obciążenia.Ostatnie prace wykazały, że elementy konstrukcyjne o wysokiej wytrzymałości można wytwarzać z posiekanego prepregu SMC o doskonałej wytrzymałości i sztywności.5 Ramię zawieszenia Lamborghini Gallardo zostało zaprojektowane przy użyciu wielu warstw posiekanego prepregu SMC, znanego jako kuty kompozyt, formowany ciśnieniowo aby uzyskać wymaganą grubość.Tę samą metodę można zastosować do prowadnic Francisa i śmigła.Prowadnica Francisa nie może być wykonana jako jedna jednostka, ponieważ złożoność nakładania się ostrzy uniemożliwiłaby wyjęcie części z formy.W ten sposób łopatki płozy, korona i opaska są produkowane oddzielnie, a następnie łączone ze sobą i wzmacniane śrubami przez zewnętrzną część korony i opaski.
Chociaż rurę ciągnącą najłatwiej jest wytwarzać przy użyciu nawijania włókien, proces ten nie został wprowadzony na rynek przy użyciu włókien naturalnych.Dlatego wybrano układanie ręczne, ponieważ jest to standardowa metoda produkcji, pomimo wyższych kosztów pracy.Używając męskiej formy podobnej do trzpienia, układanie można zakończyć, ustawiając formę poziomo, a następnie obracając ją pionowo w celu utwardzenia, zapobiegając zwisaniu z jednej strony.Waga części kompozytowych będzie się nieznacznie różnić w zależności od ilości żywicy w gotowej części.Liczby te opierają się na 50% masie włókien.
Całkowite masy turbiny stalowej i kompozytowej o mocy 2 MW wynoszą odpowiednio 9888 kg i 7016 kg.Turbiny stalowe i kompozytowe o mocy 250 kW ważą odpowiednio 3734 kg i 1927 kg.Sumy zakładają 20 furtek dla każdej turbiny i długość zastawki równą głowicy turbiny.Jest prawdopodobne, że zastawka byłaby dłuższa i wymagałaby osprzętu, ale ta liczba daje podstawowe oszacowanie masy urządzenia i związanych z nim urządzeń peryferyjnych.Generator, śruby i osprzęt uruchamiający bramę nie są uwzględnione i zakłada się, że są podobne w przypadku jednostek kompozytowych i stalowych.Warto również zauważyć, że przeprojektowanie prowadnicy wymagane do uwzględnienia koncentracji naprężeń obserwowanych w MES zwiększyłoby wagę jednostek kompozytowych, ale zakłada się, że ilość ta jest minimalna, rzędu 5 kg, aby wzmocnić punkty z koncentracją naprężeń
Przy podanych ciężarach kompozytowa turbina o mocy 2 MW i jej zastawka mogłyby zostać podniesione przez szybki V-22 Osprey, podczas gdy stalowa maszyna wymagałaby wolniejszego i mniej zwrotnego dwuwirnikowego helikoptera Chinook.Ponadto turbina kompozytowa o mocy 2 MW i zastawka mogłyby być holowane przez F-250 4×4, podczas gdy stalowa jednostka wymagałaby większej ciężarówki, którą trudno byłoby manewrować na drogach leśnych, gdyby instalacja była odległa.
Wnioski
Budowa turbin z materiałów kompozytowych jest wykonalna i zaobserwowano zmniejszenie masy o 50% do 70% w porównaniu z konwencjonalnymi elementami stalowymi.Zmniejszona waga umożliwia instalowanie turbin kompozytowych w odległych lokalizacjach.Ponadto montaż tych konstrukcji kompozytowych nie wymaga sprzętu spawalniczego.Komponenty wymagają również skręcania mniejszej liczby części, ponieważ każdy element może być wykonany w jednej lub dwóch sekcjach.Przy małych seriach produkcyjnych modelowanych w tym badaniu koszt form i innego oprzyrządowania dominuje nad kosztami komponentów.
Wskazane tutaj małe serie pokazują, ile kosztowałoby rozpoczęcie dalszych badań nad tymi materiałami.Badania te mogą dotyczyć erozji kawitacyjnej i ochrony przed promieniowaniem UV komponentów po instalacji.Możliwe jest zastosowanie powłok elastomerowych lub ceramicznych w celu zmniejszenia kawitacji lub zapewnienia pracy turbiny w reżimach przepływu i wysokości podnoszenia, które zapobiegają występowaniu kawitacji.Ważne będzie przetestowanie i rozwiązanie tych i innych problemów, aby upewnić się, że jednostki mogą osiągnąć podobną niezawodność jak turbiny stalowe, zwłaszcza jeśli mają być instalowane w obszarach, w których konserwacja będzie rzadka.
Nawet przy tak małych seriach niektóre komponenty kompozytowe mogą być opłacalne ze względu na mniejszą ilość pracy wymaganej do produkcji.Na przykład obudowa spiralna do jednostki Francisa o mocy 2 MW kosztowałaby 80 000 USD za spawanie ze stali w porównaniu do 25 000 USD za produkcję kompozytów.Jednak zakładając pomyślne zaprojektowanie wirników turbin, koszt formowania wirników kompozytowych jest większy niż koszt równoważnych elementów stalowych.Wytworzenie prowadnicy o mocy 2 MW kosztowałoby około 23 000 USD ze stali, w porównaniu do 27 000 USD z kompozytu.Koszty mogą się różnić w zależności od maszyny.A koszt komponentów kompozytowych znacznie spadłby przy wyższych seriach produkcyjnych, gdyby można było ponownie wykorzystać formy.
Naukowcy zbadali już konstrukcję wirników turbin z materiałów kompozytowych.8 Jednak badanie to nie dotyczyło erozji kawitacyjnej ani wykonalności konstrukcji.Kolejnym krokiem w przypadku turbin kompozytowych jest zaprojektowanie i zbudowanie modelu w skali, który pozwoli na udowodnienie wykonalności i ekonomiczności produkcji.To urządzenie można następnie przetestować w celu określenia wydajności i możliwości zastosowania, a także metod zapobiegania nadmiernej erozji kawitacyjnej.
Czas publikacji: 15 lutego-2022
