Kompozitné materiály sa presadzujú v konštrukcii zariadení pre vodnú energetiku.Skúmanie pevnosti materiálu a ďalších kritérií odhaľuje oveľa viac aplikácií, najmä pre malé a mikro jednotky.
Tento článok bol vyhodnotený a upravený v súlade s recenziami vykonanými dvoma alebo viacerými odborníkmi, ktorí majú príslušné odborné znalosti.Títo recenzenti posudzujú rukopisy z hľadiska technickej presnosti, užitočnosti a celkového významu v rámci hydroelektrického priemyslu.
Vzostup nových materiálov poskytuje vzrušujúce príležitosti pre hydroelektrický priemysel.Drevo – používané v pôvodných vodných kolesách a privádzačoch – bolo na začiatku 19. storočia čiastočne nahradené oceľovými komponentmi.Oceľ si zachováva svoju pevnosť vďaka vysokému únavovému zaťaženiu a odoláva kavitačnej erózii a korózii.Jeho vlastnosti sú dobre známe a procesy výroby komponentov sú dobre vyvinuté.Pre veľké jednotky bude oceľ pravdepodobne naďalej preferovaným materiálom.
Avšak vzhľadom na nárast malých (menej ako 10 MW) na mikroveľké (menej ako 100 kW) turbíny, kompozity môžu byť použité na úsporu hmotnosti a zníženie výrobných nákladov a dopadu na životné prostredie.To je obzvlášť dôležité vzhľadom na pokračujúcu potrebu rastu dodávok elektriny.Inštalovaná svetová vodná kapacita, takmer 800 000 MW podľa štúdie nórskych partnerov pre obnoviteľnú energiu z roku 2009, predstavuje iba 10 % ekonomicky realizovateľnej a 6 % technicky realizovateľnej vodnej energie.Potenciál priniesť viac technicky realizovateľných vodných elektrární do sféry ekonomicky realizovateľných sa zvyšuje so schopnosťou kompozitných komponentov zabezpečiť hospodárnosť z rozsahu.
Výroba kompozitných komponentov
Na ekonomickú výrobu privádzača s trvalo vysokou pevnosťou je najlepšou metódou navíjanie vlákna.Veľký tŕň je obalený kúdeľmi vlákien, ktoré prešli cez živicový kúpeľ.Káble sú ovinuté obručami a špirálovitými vzormi, aby sa vytvorila pevnosť pre vnútorný tlak, pozdĺžne ohýbanie a manipuláciu.Sekcia výsledkov nižšie zobrazuje náklady a hmotnosť na stopu pre dve veľkosti privádzačov na základe ponuky od miestnych dodávateľov.Cenová ponuka ukázala, že konštrukčná hrúbka bola ovplyvnená požiadavkami na inštaláciu a manipuláciu, a nie relatívne nízkym tlakovým zaťažením, a pre obe bola 2,28 cm.
Dve výrobné metódy boli zvážené pre bránky a závesné lopatky;mokré uloženie a vákuová infúzia.Pri mokrom vrstvení sa používa suchá tkanina, ktorá sa impregnuje naliatím živice na tkaninu a pomocou valčekov sa živica vtlačí do tkaniny.Tento proces nie je taký čistý ako vákuová infúzia a nie vždy vytvára najoptimalizovanejšiu štruktúru, pokiaľ ide o pomer vlákien k živici, ale trvá menej času ako proces vákuovej infúzie.Vákuová infúzia ukladá suché vlákno v správnych orientáciách a suchý stoh sa potom vákuovo zabalí a pripevnia sa ďalšie armatúry, ktoré vedú k zásobe živice, ktorá sa vtiahne do dielu, keď sa aplikuje vákuum.Vákuum pomáha udržiavať množstvo živice na optimálnej úrovni a znižuje uvoľňovanie prchavých organických látok.
Zvitkové puzdro bude používať ručné rozloženie na dve samostatné polovice na samčej forme, aby sa zabezpečil hladký vnútorný povrch.Tieto dve polovice sa potom spoja dohromady vláknom pridaným zvonku v mieste spojenia, aby sa zabezpečila primeraná pevnosť.Tlakové zaťaženie v zvitkovom puzdre nevyžaduje vysokopevnostný pokročilý kompozit, takže bude postačovať mokré vrstvenie tkaniny zo sklenených vlákien s epoxidovou živicou.Hrúbka špirálového puzdra bola založená na rovnakom konštrukčnom parametri ako privádzač.Jednotka s výkonom 250 kW je stroj s axiálnym prietokom, takže tu nie je žiadne rolovacie puzdro.
Turbínový obeh kombinuje komplexnú geometriu s vysokými požiadavkami na zaťaženie.Nedávna práca ukázala, že z nasekaného predimpregnovaného laminátu SMC je možné vyrobiť vysokopevnostné konštrukčné komponenty s vynikajúcou pevnosťou a tuhosťou.5 Rameno odpruženia Lamborghini Gallardo bolo navrhnuté s použitím viacerých vrstiev nasekaného predimpregnovaného laminátu SMC známeho ako kovaný kompozit lisovaný lisovaním. na výrobu požadovanej hrúbky.Rovnakú metódu možno použiť na Francisove a vrtuľové bežce.Pojazd Francis nemôže byť vyrobený ako jeden celok, pretože zložitosť presahu čepele by zabránila vytiahnutiu dielu z formy.Lopatky bežca, koruna a pás sú teda vyrábané oddelene a potom spojené dohromady a vystužené skrutkami cez vonkajšiu stranu koruny a pásu.
Zatiaľ čo sacia trubica sa najľahšie vyrába pomocou navíjania vlákna, tento proces nebol komerčne využívaný s použitím prírodných vlákien.Preto bolo zvolené ručné kladenie, keďže ide o štandardný spôsob výroby, a to aj napriek vyšším nákladom na pracovnú silu.Použitím samčej formy podobnej tŕňu môže byť položenie dokončené s formou horizontálne a potom otočené vertikálne, aby sa vytvrdilo, čím sa zabráni prehýbaniu na jednej strane.Hmotnosť kompozitných dielov sa bude mierne líšiť v závislosti od množstva živice v hotovom diele.Tieto čísla sú založené na 50% hmotnosti vlákna.
Celková hmotnosť oceľovej a kompozitnej 2-MW turbíny je 9 888 kg a 7 016 kg.Oceľové a kompozitné turbíny s výkonom 250 kW majú hmotnosť 3 734 kg a 1 927 kg.Súčet predpokladá 20 bránok pre každú turbínu a dĺžku privádzača rovnajúcu sa hlave turbíny.Je pravdepodobné, že privádzač by bol dlhší a vyžadoval by vybavenie, ale toto číslo poskytuje základný odhad hmotnosti jednotky a súvisiacich periférií.Generátor, skrutky a hardvér na ovládanie brány nie sú zahrnuté a predpokladá sa, že sú podobné medzi kompozitnými a oceľovými jednotkami.Za zmienku tiež stojí, že prepracovanie bežca, ktoré je potrebné na zohľadnenie koncentrácií napätia pozorovaných v FEA, by pridalo na hmotnosti kompozitných jednotiek, ale predpokladá sa, že množstvo bude minimálne, rádovo 5 kg na spevnenie bodov s koncentráciou napätia.
Pri danej hmotnosti by 2-MW kompozitnú turbínu a jej privádzač mohol zdvihnúť rýchly V-22 Osprey, zatiaľ čo oceľový stroj by si vyžadoval pomalší, menej manévrovateľný dvojrotorový vrtuľník Chinook.Kompozitná turbína s výkonom 2 MW a privádzač by mohli byť ťahané F-250 4×4, zatiaľ čo oceľová jednotka by si vyžadovala väčšie nákladné auto, s ktorým by bolo ťažké manévrovať na lesných cestách, ak by bola inštalácia vzdialená.
Závery
Turbíny je možné skonštruovať z kompozitných materiálov a v porovnaní s konvenčnými oceľovými komponentmi bolo zaznamenané zníženie hmotnosti o 50 % až 70 %.Znížená hmotnosť umožňuje inštaláciu kompozitných turbín na odľahlých miestach.Okrem toho montáž týchto kompozitných štruktúr nevyžaduje zváracie zariadenie.Komponenty tiež vyžadujú menej častí, ktoré je potrebné zoskrutkovať, pretože každý kus môže byť vyrobený v jednej alebo dvoch sekciách.Pri malých výrobných sériách modelovaných v tejto štúdii dominujú náklady na formy a iné nástroje nad nákladmi na komponenty.
Tu uvedené malé série ukazujú, koľko by stálo začatie ďalšieho výskumu týchto materiálov.Tento výskum môže riešiť kavitačnú eróziu a UV ochranu komponentov po inštalácii.Môže byť možné použiť elastomérne alebo keramické povlaky na zníženie kavitácie alebo na zabezpečenie toho, aby turbína bežala v režime prietoku a spádu, ktorý zabráni vzniku kavitácie.Bude dôležité otestovať a vyriešiť tieto a ďalšie problémy, aby sa zabezpečilo, že jednotky môžu dosiahnuť podobnú spoľahlivosť ako oceľové turbíny, najmä ak sa majú inštalovať v oblastiach, kde bude údržba zriedkavá.
Dokonca aj pri týchto malých sériách môžu byť niektoré kompozitné komponenty nákladovo efektívne v dôsledku zníženej práce potrebnej na výrobu.Napríklad zvitkové puzdro pre jednotku Francis s výkonom 2 MW by stálo zváranie z ocele 80 000 USD v porovnaní s 25 000 USD pri výrobe kompozitu.Avšak za predpokladu úspešného návrhu obežných kolies turbín sú náklady na lisovanie kompozitných obežných kolies viac ako ekvivalentné oceľové komponenty.Výroba bežca s výkonom 2 MW by stála približne 23 000 USD na výrobu z ocele v porovnaní s 27 000 USD z kompozitu.Náklady sa môžu líšiť podľa stroja.A náklady na kompozitné komponenty by výrazne klesli pri vyšších výrobných sériách, ak by sa formy dali znovu použiť.
Vedci už skúmali konštrukciu obežných kolies turbín z kompozitných materiálov.8 Táto štúdia sa však nezaoberala kavitačnou eróziou a realizovateľnosťou konštrukcie.Ďalším krokom pre kompozitné turbíny je navrhnúť a postaviť zmenšený model, ktorý umožní preukázať realizovateľnosť a hospodárnosť výroby.Táto jednotka sa potom môže testovať na určenie účinnosti a použiteľnosti, ako aj metód na zabránenie nadmernej kavitačnej erózii.
Čas odoslania: 15. február 2022
