Композитни материјали продиру у изградњу опреме за хидроелектрану.Истраживање чврстоће материјала и других критеријума открива много више примена, посебно за мале и микро јединице.
Овај чланак је оцењен и уређен у складу са рецензијама које су извршила два или више стручњака који имају релевантну стручност.Ови рецензенти оцењују рукописе на основу техничке тачности, корисности и опште важности у оквиру хидроелектране.
Пораст нових материјала пружа узбудљиве могућности за хидроелектрану.Дрво — коришћено у оригиналним воденим точковима и цевоводима — делимично је замењено челичним компонентама почетком 1800-их.Челик задржава своју снагу захваљујући великом оптерећењу замором и отпоран је на кавитацију и корозију.Његова својства су добро схваћена и процеси за производњу компоненти су добро развијени.За велике јединице, челик ће вероватно остати материјал избора.
Међутим, с обзиром на пораст од малих (испод 10 МВ) до микро (испод 100 кВ) турбина, композити се могу користити за уштеду тежине и смањење трошкова производње и утицаја на животну средину.Ово је посебно релевантно с обзиром на сталну потребу за растом снабдевања електричном енергијом.Инсталисани светски хидроенергетски капацитет, скоро 800.000 МВ према студији из 2009. коју је спровео Норвегиан Реневабле Енерги Партнерс, је само 10% економски изводљиве и 6% технички изводљиве хидроенергије.Потенцијал да се више технички изводљивих хидроелектрана доведе у област економски изводљивих повећава се са способношћу композитних компоненти да обезбеде економију обима.
Производња композитних компоненти
За економичну производњу цевовода и са константном високом чврстоћом, најбољи метод је намотавање филамента.Велики трн је умотан плетеницама влакана које су провучене кроз смолно купатило.Куле су умотане у обруч и спиралне шаре како би се створила снага за унутрашњи притисак, уздужно савијање и руковање.Одељак са резултатима у наставку приказује цену и тежину по стопи за две величине цевовода, на основу цитата локалних добављача.Цитат је показао да је пројектована дебљина вођена захтевима уградње и руковања, а не релативно ниским притиском, и за оба је износила 2,28 цм.
Разматране су две методе производње за пешачке капије и лопатице;мокро полагање и вакуумска инфузија.Мокро полагање користи суву тканину, која је импрегнирана преливањем смоле преко тканине и употребом ваљака да се смола гурне у тканину.Овај процес није тако чист као вакуумска инфузија и не производи увек најоптимизованију структуру у смислу односа влакана и смоле, али траје мање времена од процеса вакуумске инфузије.Вакум инфузија поставља сува влакна у исправну оријентацију, а суви стог се затим увакумира и причвршћују додатни спојеви који воде до довода смоле, која се увлачи у део када се примењује вакуум.Вакум помаже у одржавању количине смоле на оптималном нивоу и смањује ослобађање испарљивих органских материја.
Футрола ће користити ручни распоред у две одвојене половине на мушком калупу да би се обезбедила глатка унутрашња површина.Ове две половине ће затим бити спојене заједно са влакнима додатим споља на месту спајања како би се обезбедила адекватна чврстоћа.Оптерећење притиска у кућишту за померање не захтева напредни композит високе чврстоће, тако да ће бити довољан мокри слој тканине од фибергласа са епоксидном смолом.Дебљина омотача је заснована на истом параметру дизајна као и цевовод.Јединица од 250 кВ је машина са аксијалним протоком, тако да нема кутије за померање.
Турбински погон комбинује сложену геометрију са високим захтевима за оптерећење.Недавни рад је показао да се структурне компоненте високе чврстоће могу произвести од сецканог препрега СМЦ-а са одличном чврстоћом и крутошћу.5 Рука вешања Ламборгхини Галлардо је дизајнирана коришћењем више слојева сецканог препрега СМЦ-а познатог као ковани композит, обликован компресијом да произведе потребну дебљину.Исти метод се може применити на Францис и пропелерске тркаче.Францис тркач се не може направити као једна јединица, јер би сложеност преклапања сечива спречила да се део извуче из калупа.Дакле, сечива, круна и трака се производе одвојено, а затим се спајају и ојачавају вијцима кроз спољашњу страну круне и траке.
Док се цев за провлачење најлакше производи помоћу намотаја филамента, овај процес није комерцијализован коришћењем природних влакана.Тако је изабрано ручно полагање, јер је ово стандардни начин израде, упркос већим трошковима рада.Коришћењем мушког калупа сличног трну, полагање се може завршити са калупом хоризонтално, а затим окренути вертикално да би се очврснуо, спречавајући опуштање на једној страни.Тежина композитних делова ће мало варирати у зависности од количине смоле у готовом делу.Ови бројеви су засновани на 50% тежине влакана.
Укупна тежина за челичну и композитну турбину од 2 МВ је 9,888 кг и 7,016 кг, респективно.Челична и композитна турбина од 250 кВ су 3.734 кг и 1.927 кг, респективно.Укупни износи претпостављају 20 пролазних врата за сваку турбину и дужину цевовода једнаку глави турбине.Вероватно је да би цевовод био дужи и захтевао фитинге, али овај број даје основну процену тежине јединице и пратећих периферних уређаја.Генератор, завртњи и хардвер за активирање капије нису укључени и претпоставља се да су слични између композитних и челичних јединица.Такође је вредно напоменути да би редизајн тркача који је потребан да би се узеле у обзир концентрације напрезања које се виде у ФЕА додало тежину композитним јединицама, али се претпоставља да је количина минимална, реда величине 5 кг да би се ојачале тачке са концентрацијом напрезања.
Са датим тежинама, композитну турбину од 2 МВ и њен цевовод могао би подићи брзи В-22 Оспреи, док би челична машина захтевала спорији, мање маневарски хеликоптер са два ротора Цхиноок.Такође, композитну турбину од 2 МВ и цевовод би могао да вуче Ф-250 4×4, док би челична јединица захтевала већи камион којим би било тешко маневрисати на шумским путевима да је инсталација удаљена.
Закључци
Изводљиво је конструисати турбине од композитних материјала, а примећено је смањење тежине од 50% до 70% у поређењу са конвенционалним челичним компонентама.Смањена тежина може омогућити постављање композитних турбина на удаљеним локацијама.Поред тога, монтажа ових композитних конструкција не захтева опрему за заваривање.Компоненте такође захтевају мање делова за спајање вијцима, јер сваки комад може бити направљен у једном или два дела.У малим серијама производње моделованим у овој студији, цена калупа и другог алата доминира ценом компоненти.
Овде назначене мале серије показују колико би коштало започињање даљег истраживања ових материјала.Ово истраживање може да се бави ерозијом кавитације и УВ заштитом компоненти након уградње.Можда је могуће користити еластомерне или керамичке премазе за смањење кавитације или за осигурање да турбина ради у режимима протока и главе који спречавају појаву кавитације.Биће важно тестирати и решити ове и друге проблеме како би се осигурало да јединице могу постићи сличну поузданост као челичне турбине, посебно ако ће бити инсталиране у областима где ће одржавање бити ретко.
Чак и при овим малим серијама, неке композитне компоненте могу бити исплативе због смањеног рада потребног за производњу.На пример, футрола за 2-МВ Францис јединицу коштала би 80.000 долара за заваривање од челика у поређењу са 25.000 долара за производњу композита.Међутим, под претпоставком успешног дизајна турбинских вођица, цена за обликовање композитних вођица је више од еквивалентних челичних компоненти.Производња од челика од 2 МВ би коштала око 23.000 долара, у поређењу са 27.000 долара од композита.Трошкови се могу разликовати у зависности од машине.А трошак композитних компоненти би знатно опао при већим серијама производње ако би се калупи могли поново користити.
Истраживачи су већ истраживали конструкцију турбинских покретача од композитних материјала.8 Међутим, ова студија се није бавила ерозијом кавитације и изводљивости конструкције.Следећи корак за композитне турбине је пројектовање и изградња модела који ће омогућити доказ изводљивости и економичности производње.Ова јединица се затим може тестирати да би се утврдила ефикасност и применљивост, као и методе за спречавање прекомерне ерозије кавитације.
Време поста: 15. фебруар 2022
