Materialele compozite fac progrese în construcția de echipamente pentru industria hidroelectrică.O investigație a rezistenței materialului și a altor criterii dezvăluie mult mai multe aplicații, în special pentru unitățile mici și micro.
Acest articol a fost evaluat și editat în conformitate cu recenziile efectuate de doi sau mai mulți profesioniști care au experiență relevantă.Acești evaluatori colegii judecă manuscrisele pentru acuratețea tehnică, utilitatea și importanța generală în industria hidroelectrică.
Apariția noilor materiale oferă oportunități interesante pentru industria hidroelectrică.Lemnul - folosit în roțile hidraulice și conductele forate originale - a fost înlocuit parțial de componente din oțel la începutul anilor 1800.Oțelul își păstrează rezistența prin încărcare mare la oboseală și rezistă la eroziunea prin cavitație și coroziune.Proprietățile sale sunt bine înțelese și procesele de fabricare a componentelor sunt bine dezvoltate.Pentru unitățile mari, oțelul va rămâne probabil materialul de alegere.
Cu toate acestea, având în vedere creșterea turbinelor mici (sub 10 MW) la micro-dimensiuni (sub 100 kW), compozitele pot fi utilizate pentru a reduce greutatea și a reduce costurile de producție și impactul asupra mediului.Acest lucru este deosebit de relevant, având în vedere nevoia continuă de creștere a furnizării de energie electrică.Capacitatea hidroelectrică mondială instalată, de aproape 800.000 MW, conform unui studiu din 2009 al Norvegiei Renewable Energy Partners, reprezintă doar 10% din energia hidroenergetică fezabilă din punct de vedere economic și 6% din energia hidroelectrică fezabilă din punct de vedere tehnic.Potențialul de a aduce mai multă hidrocentrală fezabilă din punct de vedere tehnic în domeniul fezabil din punct de vedere economic crește odată cu capacitatea componentelor compozite de a oferi economie de scară.
Fabricarea componentelor compozite
Pentru a fabrica forța economică și cu o rezistență ridicată constantă, cea mai bună metodă este înfășurarea filamentului.Un dorn mare este învelit cu câlți de fibre care au fost trecute printr-o baie de rășină.Câljele sunt înfășurate în cerc și modele elicoidale pentru a crea rezistență pentru presiunea internă, îndoirea longitudinală și manipularea.Secțiunea de rezultate de mai jos arată costul și greutatea pe picior pentru cele două dimensiuni de forță, pe baza unei oferte de la furnizorii locali.Citatul a arătat că grosimea de proiectare a fost determinată de cerințele de instalare și manipulare, mai degrabă decât de sarcina de presiune relativ scăzută, iar pentru ambele a fost de 2,28 cm.
Au fost luate în considerare două metode de fabricație pentru porțile și paletele de sprijin;layup umed și infuzie în vid.Întinderea umedă folosește țesătură uscată, care este impregnată prin turnarea rășinii peste țesătură și folosind role pentru a împinge rășina în țesătură.Acest proces nu este la fel de curat ca infuzia cu vid și nu produce întotdeauna cea mai optimizată structură în ceea ce privește raportul fibre-rășină, dar durează mai puțin timp decât procesul de infuzie cu vid.Infuzia cu vid așează fibrele uscate în orientările corecte, iar stiva uscată este apoi ambalată cu vid și sunt atașate fitinguri suplimentare care duc la o alimentare cu rășină, care este atrasă în piesă atunci când se aplică vidul.Vidul ajută la menținerea cantității de rășină la un nivel optim și reduce eliberarea de substanțe organice volatile.
Carcasa cu defilare va folosi un strat de mână în două jumătăți separate pe o matriță masculină pentru a asigura o suprafață interioară netedă.Aceste două jumătăți vor fi apoi legate împreună cu fibre adăugate la exterior la punctul de lipire pentru a asigura o rezistență adecvată.Sarcina de presiune din carcasa scroll nu necesită un compozit avansat de înaltă rezistență, așa că va fi suficientă un strat umed de țesătură din fibră de sticlă cu o rășină epoxidică.Grosimea carcasei scroll s-a bazat pe același parametru de proiectare ca și forța forță.Unitatea de 250 kW este o mașină cu flux axial, deci nu există carcasă cu defilare.
Un rotor de turbină combină o geometrie complexă cu cerințe mari de sarcină.Lucrări recente au demonstrat că componentele structurale de înaltă rezistență pot fi fabricate dintr-un SMC preimpregnat tocat, cu rezistență și rigiditate excelente.5 Brațul de suspensie al lui Lamborghini Gallardo a fost proiectat folosind mai multe straturi dintr-un SMC preimpregnat tocat cunoscut sub numele de compozit forjat, turnat prin compresie. pentru a produce grosimea necesară.Aceeași metodă poate fi aplicată la Francis și elice.Colierul Francis nu poate fi realizat ca o singură unitate, deoarece complexitatea suprapunerii lamei ar împiedica extragerea piesei din matriță.Astfel, lamele, coroana și banda sunt fabricate separat și apoi legate între ele și întărite cu șuruburi prin exteriorul coroanei și al benzii.
În timp ce tubul de tiraj este cel mai ușor fabricat folosind înfășurarea filamentului, acest proces nu a fost comercializat folosind fibre naturale.Astfel, a fost aleasă întinderea manuală, deoarece aceasta este metoda standard de fabricație, în ciuda costurilor mai mari ale forței de muncă.Folosind o matriță tată similară cu un dorn, întinderea poate fi completată cu matrița orizontală și apoi întoarsă vertical pentru a se întări, prevenind lăsarea pe o parte.Greutatea pieselor compozite va varia ușor în funcție de cantitatea de rășină din piesa finită.Aceste cifre se bazează pe greutatea fibrelor de 50%.
Greutățile totale pentru turbina din oțel și compozit de 2 MW sunt de 9.888 kg și, respectiv, 7.016 kg.Turbinele din oțel și compozit de 250 kW au 3.734 kg și, respectiv, 1.927 kg.Totalurile presupun 20 de porți wicket pentru fiecare turbină și o lungime a forței de forță egală cu capul turbinei.Este probabil ca conducta forță să fie mai lungă și să necesite fitinguri, dar acest număr oferă o estimare de bază a greutății unității și a perifericelor asociate.Generatorul, șuruburile și feroneria de acționare a porții nu sunt incluse și se presupune că sunt similare între unitățile din compozit și din oțel.De asemenea, este de remarcat faptul că reproiectarea alergătorului necesară pentru a lua în considerare concentrațiile de stres observate în FEA ar adăuga greutate unităților compozite, dar se presupune că cantitatea este minimă, de ordinul a 5 kg pentru a întări punctele cu concentrarea tensiunii.
Cu greutățile date, turbina compozită de 2 MW și forța sa ar putea fi ridicate de rapidul V-22 Osprey, în timp ce mașina din oțel ar necesita un elicopter Chinook cu rotor dublu mai lent și mai puțin manevrabil.De asemenea, turbina compozită de 2 MW și forța forțată ar putea fi tractate de un F-250 4×4, în timp ce unitatea din oțel ar necesita un camion mai mare care ar fi dificil de manevrat pe drumurile forestiere dacă instalația ar fi la distanță.
Concluzii
Este posibil să se construiască turbine din materiale compozite și s-a observat o reducere a greutății de 50% până la 70% în comparație cu componentele convenționale din oțel.Greutatea redusă poate permite instalarea turbinelor compozite în locații îndepărtate.În plus, asamblarea acestor structuri compozite nu necesită echipamente de sudare.Componentele necesită, de asemenea, mai puține piese pentru a fi prinse împreună, deoarece fiecare piesă poate fi realizată în una sau două secțiuni.La producția mică modelată în acest studiu, costul matrițelor și al altor scule domină costul componentelor.
Tirajele mici indicate aici arată cât ar costa începerea cercetărilor suplimentare asupra acestor materiale.Această cercetare poate aborda eroziunea prin cavitație și protecția UV a componentelor după instalare.Este posibil să se utilizeze învelișuri elastomerice sau ceramice pentru a reduce cavitația sau pentru a se asigura că turbina funcționează în regimurile de curgere și înălțime care împiedică apariția cavitației.Va fi important să se testeze și să se rezolve aceste probleme și altele pentru a se asigura că unitățile pot obține o fiabilitate similară cu turbinele din oțel, mai ales dacă urmează să fie instalate în zone în care întreținerea va fi rară.
Chiar și la aceste tiraje mici, unele componente compozite pot fi rentabile datorită forței de muncă reduse necesare pentru fabricare.De exemplu, o carcasă scroll pentru unitatea Francis de 2 MW ar costa 80.000 USD pentru a fi sudată din oțel, comparativ cu 25.000 USD pentru fabricarea compozitelor.Cu toate acestea, presupunând proiectarea cu succes a canalelor de turbine, costul pentru turnarea ghidajelor compozite este mai mare decât componentele echivalente din oțel.Sistemul de rulare de 2 MW ar costa aproximativ 23.000 USD pentru fabricarea din oțel, comparativ cu 27.000 USD din compozit.Costurile pot varia în funcție de mașină.Și costul componentelor compozite ar scădea considerabil la sesiuni de producție mai mari dacă matrițele ar putea fi reutilizate.
Cercetătorii au investigat deja construcția roților de turbine din materiale compozite.8 Cu toate acestea, acest studiu nu a abordat eroziunea prin cavitație și fezabilitatea construcției.Următorul pas pentru turbinele compozite este proiectarea și construirea unui model la scară care să permită dovada fezabilității și economiei de fabricație.Această unitate poate fi apoi testată pentru a determina eficiența și aplicabilitatea, precum și metodele de prevenire a eroziunii excesive prin cavitație.
Ora postării: 15-feb-2022
