Kompositmaterial gör intåg i konstruktionen av utrustning för vattenkraftsindustrin.En undersökning av materialstyrka och andra kriterier avslöjar många fler tillämpningar, särskilt för små och mikroenheter.
Den här artikeln har utvärderats och redigerats i enlighet med recensioner utförda av två eller flera yrkesmän som har relevant expertis.Dessa peer reviewers bedömer manuskript för teknisk noggrannhet, användbarhet och övergripande betydelse inom vattenkraftsindustrin.
Framväxten av nya material ger spännande möjligheter för vattenkraftsindustrin.Trä – som användes i de ursprungliga vattenhjulen och pennstockarna – ersattes delvis av stålkomponenter i början av 1800-talet.Stål behåller sin styrka genom hög utmattningsbelastning och motstår kavitationserosion och korrosion.Dess egenskaper är välkända och processerna för komponenttillverkning är välutvecklade.För stora enheter kommer stål sannolikt att förbli det valda materialet.
Men med tanke på uppkomsten av små (under 10 MW) till mikrostora (under 100 kW) turbiner, kan kompositer användas för att spara vikt och minska tillverkningskostnaderna och miljöpåverkan.Detta är särskilt relevant med tanke på det fortsatta behovet av tillväxt inom elförsörjningen.Den installerade vattenkraftskapaciteten i världen, nästan 800 000 MW enligt en studie från 2009 av Norwegian Renewable Energy Partners, är bara 10 % av den ekonomiskt genomförbara och 6 % av den tekniskt genomförbara vattenkraften.Potentialen att föra in mer av den tekniskt genomförbara vattenkraften till området för ekonomiskt genomförbara ökar med kompositkomponenternas förmåga att ge stordriftsfördelar.
Tillverkning av kompositkomponenter
För att tillverka pennstocken ekonomiskt och med jämn hög hållfasthet är den bästa metoden filamentlindning.En stor dorn är inlindad med fibersträngar som har körts genom ett hartsbad.Blånor är inlindade i båge och spiralformade mönster för att skapa styrka för inre tryck, längsgående böjning och hantering.Resultatsektionen nedan visar kostnaden och vikten per fot för de två pennstocksstorlekarna, baserat på en offert från lokala leverantörer.Offerten visade att designtjockleken drevs av installations- och hanteringskrav, snarare än den relativt låga tryckbelastningen, och för båda var den 2,28 cm.
Två tillverkningsmetoder övervägdes för grindar och stag;våt layup och vakuuminfusion.Wet layup använder torrt tyg, som impregneras genom att hälla harts över tyget och använda rullar för att trycka in hartset i tyget.Denna process är inte lika ren som vakuuminfusion och ger inte alltid den mest optimerade strukturen när det gäller förhållandet mellan fiber och harts, men det tar mindre tid än vakuuminfusionsprocessen.Vakuuminfusion lägger upp torr fiber i rätt riktning, och den torra stapeln vakuumförpackas sedan och extra kopplingar fästs som leder till en hartstillförsel, som dras in i delen när vakuumet appliceras.Vakuumet hjälper till att hålla mängden harts på en optimal nivå och minskar utsläppet av flyktiga organiska ämnen.
Scrollfodralet kommer att använda en handlayup i två separata halvor på en hanform för att säkerställa en slät inre yta.Dessa två halvor kommer sedan att bindas samman med fiber som läggs till utsidan vid bindningspunkten för att säkerställa tillräcklig styrka.Tryckbelastningen i scrollhöljet kräver ingen höghållfast avancerad komposit, så det räcker med en våt uppläggning av glasfibertyg med epoxiharts.Tjockleken på rullfodralet baserades på samma designparameter som pennstocken.Enheten på 250 kW är en axialflödesmaskin, så det finns inget scrollfodral.
En turbinrunner kombinerar en komplex geometri med höga belastningskrav.Nyligen arbete har visat att höghållfasta strukturella komponenter kan tillverkas av en hackad prepreg SMC med utmärkt hållfasthet och styvhet.5 Upphängningsarmen på Lamborghini Gallardo designades med flera lager av en hackad prepreg SMC, känd som en smidd komposit, formpressad för att producera den erforderliga tjockleken.Samma metod kan tillämpas på Francis och propellerlöparna.Francis löparen kan inte göras som en enhet, eftersom bladets överlappning skulle förhindra att delen dras ut ur formen.Sålunda tillverkas löparbladen, kronan och bandet separat och binds sedan samman och förstärks med bultar genom utsidan av kronan och bandet.
Även om dragröret enklast tillverkas med filamentlindning, har denna process inte kommersialiserats med användning av naturliga fibrer.Således valdes handuppläggning, eftersom detta är standardmetoden för tillverkning, trots de högre arbetskostnaderna.Med hjälp av en hanform som liknar en dorn kan upplägget kompletteras med formen horisontell och sedan vändas vertikalt för att härda, vilket förhindrar att den hänger på ena sidan.Vikten på kompositdelarna kommer att variera något beroende på mängden harts i den färdiga delen.Dessa siffror är baserade på 50 % fibervikt.
Totalvikterna för stål- och komposit 2-MW turbinen är 9 888 kg respektive 7 016 kg.De 250 kW stål- och kompositturbinerna är 3 734 kg respektive 1 927 kg.Summan antar 20 grindar för varje turbin och en pennstockslängd lika med turbinens huvud.Det är troligt att pennstocken skulle vara längre och kräva beslag, men detta nummer ger en grundläggande uppskattning av enhetens vikt och tillhörande kringutrustning.Generatorn, bultarna och grindens manöverutrustning ingår inte och antas vara lika mellan komposit- och stålenheterna.Det är också värt att notera att löparens redesign som krävs för att ta hänsyn till spänningskoncentrationer som ses i FEA skulle lägga vikt till kompositenheterna, men mängden antas vara minimal, i storleksordningen 5 kg för att stärka punkter med spänningskoncentration
Med de givna vikterna kunde 2-MW kompositturbinen och dess pennstock lyftas av den snabba V-22 Osprey, medan stålmaskinen skulle kräva en långsammare, mindre manövrerbar Chinook dubbelrotorhelikopter.Dessutom kunde 2-MW kompositturbinen och pennstocken bogseras av en F-250 4×4, medan stålenheten skulle kräva en större lastbil som skulle vara svår att manövrera på skogsvägar om installationen var avlägsen.
Slutsatser
Det är möjligt att konstruera turbiner av kompositmaterial, och en viktminskning på 50% till 70% sågs jämfört med konventionella stålkomponenter.Den minskade vikten kan tillåta att kompositturbiner installeras på avlägsna platser.Dessutom kräver montering av dessa sammansatta strukturer ingen svetsutrustning.Komponenterna kräver också att färre delar skruvas ihop, eftersom varje del kan göras i en eller två sektioner.Vid de små produktionsserierna som modelleras i denna studie dominerar kostnaden för formarna och andra verktyg komponentkostnaden.
De små körningarna som anges här visar vad det skulle kosta att påbörja ytterligare forskning om dessa material.Denna forskning kan behandla kavitationserosion och UV-skydd av komponenterna efter installation.Det kan vara möjligt att använda elastomer eller keramiska beläggningar för att minska kavitation eller säkerställa att turbinen körs i flödes- och tryckhöjdsregimer som förhindrar att kavitation uppstår.Det kommer att vara viktigt att testa och lösa dessa och andra problem för att säkerställa att enheterna kan uppnå liknande tillförlitlighet som stålturbiner, särskilt om de ska installeras i områden där underhåll kommer att vara sällan.
Även vid dessa små serier kan vissa kompositkomponenter vara kostnadseffektiva på grund av den minskade arbetskraften som krävs för tillverkning.Till exempel skulle ett rullfodral för 2-MW Francis-enheten kosta 80 000 USD att svetsas av stål jämfört med 25 000 USD för komposittillverkning.Förutsatt att turbinskenorna är framgångsrika, är kostnaden för att gjuta kompositskenorna mer än motsvarande stålkomponenter.Löparen på 2 MW skulle kosta cirka 23 000 USD att tillverka av stål, jämfört med 27 000 USD från komposit.Kostnaderna kan variera beroende på maskin.Och kostnaden för kompositkomponenter skulle sjunka avsevärt vid högre produktionsserier om formar kunde återanvändas.
Forskare har redan undersökt konstruktionen av turbinlöpare från kompositmaterial.8 Denna studie tog dock inte upp kavitationserosion och genomförbarheten av konstruktion.Nästa steg för kompositturbiner är att designa och bygga en skalenlig modell som ger bevis på genomförbarhet och tillverkningsekonomi.Denna enhet kan sedan testas för att fastställa effektivitet och användbarhet, samt metoder för att förhindra överdriven kavitationserosion.
Posttid: 2022-02-15
