Kompozitni materiali se uveljavljajo v gradnji opreme za hidroelektrarno.Raziskava trdnosti materiala in drugih meril razkriva veliko več uporab, zlasti za majhne in mikro enote.
Ta članek je bil ocenjen in urejen v skladu s pregledi, ki sta jih opravila dva ali več strokovnjakov z ustreznim strokovnim znanjem.Ti strokovni recenzenti ocenjujejo rokopise glede tehnične natančnosti, uporabnosti in splošnega pomena v hidroelektrarni industriji.
Vzpon novih materialov ponuja razburljive priložnosti za hidroelektrarno industrijo.Les - uporabljen v prvotnih vodnih kolesih in cevovodih - so delno nadomestile jeklene komponente v zgodnjih 1800-ih.Jeklo ohranja svojo trdnost zaradi visoke obremenitve zaradi utrujenosti in se upira kavitacijski eroziji in koroziji.Njegove lastnosti so dobro razumljene in postopki za proizvodnjo komponent so dobro razviti.Za velike enote bo jeklo verjetno ostalo izbrani material.
Glede na porast malih (pod 10 MW) do mikro (pod 100 kW) turbin se lahko kompoziti uporabljajo za prihranek teže in zmanjšanje proizvodnih stroškov in vpliva na okolje.To je še posebej pomembno glede na nenehno potrebo po rasti oskrbe z električno energijo.Instalirana svetovna hidroelektrarna, skoraj 800.000 MW po študiji iz leta 2009 Norwegian Renewable Energy Partners, je le 10 % ekonomsko izvedljive in 6 % tehnično izvedljive vodne energije.Možnost, da se več tehnično izvedljivih hidroelektrarn prenese v področje ekonomsko izvedljivega, se povečuje s sposobnostjo kompozitnih komponent, da zagotovijo ekonomičnost obsega.
Izdelava kompozitnih komponent
Za gospodarno in z dosledno visoko trdnostjo izdelavo cevovoda je najboljša metoda navijanje filamenta.Velik trn je ovit z vlaknami, ki so speljane skozi smolno kopel.Vleke so ovite v obroče in vijačne vzorce, da ustvarijo moč za notranji pritisk, vzdolžno upogibanje in rokovanje.Spodnji razdelek z rezultati prikazuje stroške in težo na nogo za dve velikosti napenjalnih cevi na podlagi ponudbe lokalnih dobaviteljev.Ponudba je pokazala, da je bila konstrukcijska debelina odvisna od zahtev za namestitev in rokovanje, ne pa od sorazmerno nizke tlačne obremenitve, in je za oba znašala 2,28 cm.
Za vrata za osebni prehod in zaporne lopatice sta bili upoštevani dve metodi izdelave;mokro polaganje in vakuumsko infuzijo.Za mokro polaganje uporabljamo suho tkanino, ki je impregnirana tako, da tkanino prelijemo s smolo in z valjčki potisnemo smolo v tkanino.Ta postopek ni tako čist kot vakuumska infuzija in ne ustvari vedno najbolj optimizirane strukture v smislu razmerja med vlakninami in smolo, vendar traja manj časa kot postopek vakuumske infuzije.Z vakuumsko infuzijo se suha vlakna zložijo v pravilni orientaciji, suhi sklad pa se nato vakuumsko zapakira in pritrjene so dodatne armature, ki vodijo do zaloge smole, ki se vleče v del, ko se uporabi vakuum.Vakuum pomaga vzdrževati količino smole na optimalni ravni in zmanjša sproščanje hlapnih organskih snovi.
Etui za pomikanje bo uporabljal ročno polaganje v dveh ločenih polovicah na moškem kalupu, da se zagotovi gladka notranja površina.Ti dve polovici se nato povežeta z vlakni, ki se dodajo na zunanjo stran na mestu spajanja, da se zagotovi ustrezna trdnost.Tlačna obremenitev v ohišju za pomikanje ne zahteva naprednega kompozita visoke trdnosti, zato bo zadostovalo mokro polaganje tkanine iz steklenih vlaken z epoksidno smolo.Debelina ohišja za pomikanje je temeljila na istem konstrukcijskem parametru kot cevovod.250-kW enota je aksialni pretočni stroj, tako da ni ohišja za pomikanje.
Turbinski tekač združuje kompleksno geometrijo z visokimi zahtevami glede obremenitve.Nedavno delo je pokazalo, da je konstrukcijske komponente visoke trdnosti mogoče izdelati iz sesekljanega preprega SMC z odlično trdnostjo in togostjo.5 Vzmetna roka Lamborghinija Gallarda je bila zasnovana z uporabo več plasti sesekljanega preprega SMC, znanega kot kovanega kompozita, kompresijsko oblikovanega za izdelavo zahtevane debeline.Enako metodo lahko uporabimo za Francis in propelerja.Francis runner ni mogoče izdelati kot eno enoto, saj bi kompleksnost prekrivanja rezila preprečila, da bi del izvlekel iz kalupa.Tako so rezila, krona in trak izdelani ločeno in nato povezani skupaj in ojačani s sorniki skozi zunanjo stran krone in traku.
Medtem ko je vlečno cev najlažje izdelati z navijanjem filamentov, ta postopek ni bil komercializiran z uporabo naravnih vlaken.Tako je bilo izbrano ročno polaganje, saj je to kljub višjim stroškom dela standardni način izdelave.Z uporabo moškega kalupa, podobnega trnu, lahko polaganje dokončate tako, da je kalup vodoravno in nato obrnjen navpično, da se strdi, da preprečite povešanje na eni strani.Teža kompozitnih delov se bo nekoliko razlikovala glede na količino smole v končnem delu.Te številke temeljijo na 50 % mase vlaken.
Skupna teža jeklene in kompozitne 2-MW turbine je 9.888 kg oziroma 7.016 kg.250-kW jeklena in kompozitna turbina tehtata 3.734 kg oziroma 1.927 kg.Vsote predvidevajo 20 vrat za osebni prehod za vsako turbino in dolžino cevi, ki je enaka glavi turbine.Verjetno je, da bi bil cevovod daljši in bi zahteval armature, vendar ta številka daje osnovno oceno teže enote in pripadajočih zunanjih naprav.Generator, vijaki in strojna oprema za aktiviranje vrat niso vključeni in se domneva, da so podobni med kompozitnimi in jeklenimi enotami.Omeniti velja tudi, da bi prenova tekača, potrebna za upoštevanje koncentracij napetosti, opaženih v FEA, dodala težo sestavljenim enotam, vendar se domneva, da je količina minimalna, in sicer reda 5 kg za krepitev točk s koncentracijo napetosti.
Z danimi utežmi bi lahko 2-MW sestavljeno turbino in njen cevovod dvignil s hitrim V-22 Osprey, medtem ko bi jekleni stroj zahteval počasnejši, manj okretni helikopter z dvojnim rotorjem Chinook.Poleg tega bi lahko 2-MW sestavljeno turbino in cevovod vlačil F-250 4×4, medtem ko bi jeklena enota zahtevala večji tovornjak, s katerim bi bilo težko manevrirati po gozdnih cestah, če bi bila namestitev oddaljena.
Zaključki
Izvedljivo je konstruirati turbine iz kompozitnih materialov in opazili smo zmanjšanje teže za 50 % do 70 % v primerjavi s konvencionalnimi jeklenimi komponentami.Zmanjšana teža lahko omogoča namestitev kompozitnih turbin na oddaljenih lokacijah.Poleg tega montaža teh sestavljenih struktur ne zahteva varilne opreme.Sestavni deli zahtevajo tudi manj delov, ki jih je treba priviti skupaj, saj je vsak kos mogoče izdelati v enem ali dveh delih.Pri majhnih proizvodnih serijah, modeliranih v tej študiji, stroški kalupov in drugega orodja prevladujejo nad stroški komponent.
Majhne serije, navedene tukaj, kažejo, koliko bi stalo začeti nadaljnje raziskave teh materialov.Ta raziskava lahko obravnava kavitacijsko erozijo in UV zaščito komponent po namestitvi.Morda je mogoče uporabiti elastomerne ali keramične prevleke za zmanjšanje kavitacije ali zagotovitev, da turbina deluje v režimih pretoka in glave, ki preprečujejo nastanek kavitacije.Pomembno bo preizkusiti in rešiti te in druge težave, da zagotovimo, da lahko enote dosežejo podobno zanesljivost kot jeklene turbine, še posebej, če bodo nameščene na območjih, kjer bo vzdrževanje redko.
Tudi pri teh majhnih serijah so nekatere kompozitne komponente lahko stroškovno učinkovite zaradi zmanjšane delovne sile, potrebne za proizvodnjo.Na primer, ohišje za 2-MW Francisovo enoto bi stalo 80.000 $ za varjenje iz jekla v primerjavi s 25.000 $ za izdelavo kompozitov.Vendar ob predpostavki uspešne zasnove turbinskih tekačev so stroški oblikovanja sestavljenih tekačev več kot enakovredne jeklene komponente.2-MW tekač bi stal približno 23.000 $ za izdelavo iz jekla, v primerjavi s 27.000 $ iz kompozita.Stroški se lahko razlikujejo glede na stroj.Stroški kompozitnih komponent bi se pri višjih proizvodnih serijah znatno zmanjšali, če bi kalupe lahko ponovno uporabili.
Raziskovalci so že raziskali konstrukcijo turbinskih tekačev iz kompozitnih materialov.8 Vendar ta študija ni obravnavala kavitacijske erozije in izvedljivosti konstrukcije.Naslednji korak za kompozitne turbine je načrtovanje in izdelava pomanjšanega modela, ki bo omogočil dokaz izvedljivosti in ekonomičnosti proizvodnje.To enoto je nato mogoče testirati, da se ugotovi učinkovitost in uporabnost ter metode za preprečevanje prekomerne erozije kavitacije.
Čas objave: 15. februar 2022
