Materiais compósitos estão fazendo incursões na construção de equipamentos para o setor de energia hidrelétrica.Uma investigação sobre a resistência do material e outros critérios revela muito mais aplicações, particularmente para pequenas e micro unidades.
Este artigo foi avaliado e editado de acordo com revisões realizadas por dois ou mais profissionais com expertise relevante.Esses revisores avaliam os manuscritos pela precisão técnica, utilidade e importância geral no setor hidrelétrico.
O surgimento de novos materiais oferece oportunidades interessantes para a indústria hidrelétrica.A madeira - usada nas rodas d'água e condutos forçados originais - foi suplantada em parte por componentes de aço no início de 1800.O aço mantém sua resistência por meio de alta carga de fadiga e resiste à erosão e corrosão por cavitação.Suas propriedades são bem conhecidas e os processos de fabricação de componentes são bem desenvolvidos.Para unidades grandes, o aço provavelmente continuará sendo o material de escolha.
No entanto, dada a ascensão de turbinas pequenas (abaixo de 10 MW) a micro-dimensionadas (abaixo de 100 kW), os compósitos podem ser usados para economizar peso e reduzir o custo de fabricação e o impacto ambiental.Isto é especialmente relevante dada a necessidade contínua de crescimento no fornecimento de eletricidade.A capacidade hidrelétrica mundial instalada, cerca de 800.000 MW de acordo com um estudo de 2009 da Norwegian Renewable Energy Partners, é apenas 10% da energia hidrelétrica economicamente viável e 6% da hidrelétrica tecnicamente viável.O potencial de trazer mais hidrelétricas tecnicamente viáveis para o domínio das economicamente viáveis aumenta com a capacidade dos componentes compostos de proporcionar economia de escala.
Fabricação de componentes compostos
Para fabricar a comporta de forma económica e com alta resistência consistente, o melhor método é o enrolamento de filamentos.Um grande mandril é envolvido com fios de fibra que foram passados por um banho de resina.Os reboques são envoltos em aro e padrões helicoidais para criar força para pressão interna, flexão longitudinal e manuseio.A seção de resultados abaixo mostra o custo e o peso por pé para os dois tamanhos de conduto forçado, com base em uma cotação de fornecedores locais.A cotação mostrou que a espessura do projeto foi determinada pelos requisitos de instalação e manuseio, em vez da carga de pressão relativamente baixa, e para ambos foi de 2,28 cm.
Dois métodos de fabricação foram considerados para as comportas e as palhetas;wet layup e infusão a vácuo.Wet layup usa tecido seco, que é impregnado derramando resina sobre o tecido e usando rolos para empurrar a resina para dentro do tecido.Este processo não é tão limpo quanto a infusão a vácuo e nem sempre produz a estrutura mais otimizada em termos de relação fibra-resina, mas leva menos tempo que o processo de infusão a vácuo.A infusão a vácuo deposita a fibra seca nas orientações corretas, e a pilha seca é então ensacada a vácuo e conexões extras são anexadas que levam a um suprimento de resina, que é puxado para a peça quando o vácuo é aplicado.O vácuo ajuda a manter a quantidade de resina em um nível ideal e reduz a liberação de orgânicos voláteis.
A caixa de rolagem usará uma disposição manual em duas metades separadas em um molde macho para garantir uma superfície interna lisa.Essas duas metades serão então unidas com fibra adicionada à parte externa no ponto de união para garantir a resistência adequada.A carga de pressão na caixa de rolagem não requer um composto avançado de alta resistência, portanto, uma camada úmida de tecido de fibra de vidro com uma resina epóxi será suficiente.A espessura da caixa de rolagem baseou-se no mesmo parâmetro de projeto que a comporta.A unidade de 250 kW é uma máquina de fluxo axial, portanto, não há caixa de rolagem.
Um rotor de turbina combina uma geometria complexa com altas exigências de carga.Trabalhos recentes demonstraram que componentes estruturais de alta resistência podem ser fabricados a partir de um SMC pré-impregnado picado com excelente resistência e rigidez. para produzir a espessura necessária.O mesmo método pode ser aplicado aos rotores Francis e hélice.O corredor Francis não pode ser feito como uma unidade, pois a complexidade da sobreposição da lâmina impediria que a peça fosse extraída do molde.Assim, as lâminas de rolamento, coroa e banda são fabricadas separadamente e depois unidas e reforçadas com parafusos pela parte externa da coroa e banda.
Embora o tubo de sucção seja mais facilmente fabricado com enrolamento de filamentos, esse processo não foi comercializado com fibras naturais.Assim, optou-se pelo layup manual, por se tratar de um método padrão de fabricação, apesar dos custos de mão de obra mais elevados.Utilizando um molde macho semelhante a um mandril, o layup pode ser concluído com o molde na horizontal e depois virado na vertical para curar, evitando a flacidez de um lado.O peso das peças compostas irá variar um pouco dependendo da quantidade de resina na peça acabada.Esses números são baseados em 50% do peso da fibra.
Os pesos totais para a turbina de aço e composta de 2 MW são 9.888 kg e 7.016 kg, respectivamente.As turbinas de aço e compostas de 250 kW pesam 3.734 kg e 1.927 kg, respectivamente.Os totais assumem 20 comportas para cada turbina e um comprimento de conduto forçado igual à cabeça da turbina.É provável que a comporta fosse mais comprida e necessitasse de encaixes, mas este número dá uma estimativa básica do peso da unidade e periféricos associados.O gerador, os parafusos e o hardware de acionamento do portão não estão incluídos e são considerados semelhantes entre as unidades compostas e de aço.Também vale a pena notar que o redesenho do corredor necessário para levar em conta as concentrações de tensão vistas na FEA adicionaria peso às unidades compostas, mas a quantidade é considerada mínima, da ordem de 5 kg para fortalecer pontos com concentração de tensão
Com os pesos dados, a turbina composta de 2 MW e seu conduto forçado poderiam ser levantados pelo rápido V-22 Osprey, enquanto a máquina de aço exigiria um helicóptero de rotor duplo Chinook mais lento e menos manobrável.Além disso, a turbina composta de 2 MW e o conduto forçado poderiam ser rebocados por um F-250 4×4, enquanto a unidade de aço exigiria um caminhão maior que seria difícil de manobrar em estradas florestais se a instalação fosse remota.
Conclusões
É viável construir turbinas a partir de materiais compósitos, e foi observada uma redução de peso de 50% a 70% em relação aos componentes convencionais de aço.O peso reduzido pode permitir que turbinas compostas sejam instaladas em locais remotos.Além disso, a montagem dessas estruturas compostas não requer equipamento de soldagem.Os componentes também exigem que menos peças sejam parafusadas, pois cada peça pode ser feita em uma ou duas seções.Nas pequenas séries de produção modeladas neste estudo, o custo dos moldes e outras ferramentas dominam o custo do componente.
As pequenas tiragens indicadas aqui mostram o que custaria iniciar mais pesquisas sobre esses materiais.Esta pesquisa pode abordar a erosão por cavitação e proteção UV dos componentes após a instalação.Pode ser possível usar revestimentos de elastômero ou cerâmicos para reduzir a cavitação ou garantir que a turbina funcione nos regimes de vazão e carga que impedem a ocorrência da cavitação.Será importante testar e resolver esses e outros problemas para garantir que as unidades possam alcançar confiabilidade semelhante às turbinas de aço, especialmente se forem instaladas em áreas onde a manutenção não será frequente.
Mesmo nessas pequenas tiragens, alguns componentes compostos podem ser econômicos devido à diminuição da mão de obra necessária para a fabricação.Por exemplo, uma caixa de rolagem para a unidade Francis de 2 MW custaria US$ 80.000 para ser soldada em aço, em comparação com US$ 25.000 para fabricação de compósitos.No entanto, assumindo um projeto bem-sucedido de rotores de turbina, o custo para moldar os rotores compostos é maior do que os componentes de aço equivalentes.O corredor de 2 MW custaria cerca de US$ 23.000 para fabricar em aço, em comparação com US$ 27.000 em compósito.Os custos podem variar de acordo com a máquina.E o custo dos componentes compostos cairia consideravelmente em produções mais altas se os moldes pudessem ser reutilizados.
Pesquisadores já investigaram a construção de rotores de turbina a partir de materiais compósitos.8 No entanto, este estudo não abordou a erosão por cavitação e a viabilidade de construção.O próximo passo para turbinas compostas é projetar e construir um modelo em escala que permita a comprovação de viabilidade e economia de fabricação.Esta unidade pode então ser testada para determinar a eficiência e aplicabilidade, bem como métodos para prevenir a erosão por excesso de cavitação.
Horário da postagem: 15 de fevereiro de 2022
