Kompozit malzemeler, hidroelektrik enerji endüstrisi için ekipman yapımında çığır açmaktadır.Malzeme mukavemeti ve diğer kriterler üzerine yapılan bir araştırma, özellikle küçük ve mikro üniteler için çok daha fazla uygulamayı ortaya çıkarmaktadır.
Bu makale, ilgili uzmanlığa sahip iki veya daha fazla profesyonel tarafından yürütülen incelemelere göre değerlendirilmiş ve düzenlenmiştir.Bu akran gözden geçirenler, hidroelektrik endüstrisinde teknik doğruluk, kullanışlılık ve genel önem açısından el yazmalarını değerlendirir.
Yeni malzemelerin yükselişi, hidroelektrik endüstrisi için heyecan verici fırsatlar sunuyor.Orijinal su çarklarında ve cebri borularda kullanılan ahşap, 1800'lerin başlarında kısmen çelik bileşenlerle değiştirildi.Çelik, yüksek yorulma yüklemesi yoluyla gücünü korur ve kavitasyon erozyonuna ve korozyona direnir.Özellikleri iyi anlaşılmıştır ve bileşen üretimi için süreçler iyi gelişmiştir.Büyük üniteler için çelik muhtemelen tercih edilen malzeme olarak kalacaktır.
Bununla birlikte, küçük (10 MW'ın altında) ve mikro boyutlu (100 kW'ın altında) türbinlerin yükselişi göz önüne alındığında, ağırlıktan tasarruf etmek ve üretim maliyetini ve çevresel etkiyi azaltmak için kompozitler kullanılabilir.Bu, elektrik arzındaki büyümeye devam eden ihtiyaç göz önüne alındığında özellikle önemlidir.Norveç Yenilenebilir Enerji Ortakları tarafından 2009 yılında yapılan bir araştırmaya göre, yaklaşık 800.000 MW olan kurulu dünya hidro kapasitesi, ekonomik olarak mümkün olanın sadece %10'u ve teknik olarak mümkün olan hidrogücün %6'sıdır.Kompozit bileşenlerin ölçek ekonomisi sağlama yeteneği ile teknik olarak uygulanabilir hidro daha fazlasını ekonomik olarak uygulanabilir artışlar alanına getirme potansiyeli.
Kompozit bileşen üretimi
Cebri boruyu ekonomik ve tutarlı yüksek mukavemetle üretmek için en iyi yöntem filament sarımdır.Büyük bir mandrel, reçine banyosundan geçirilmiş lif demetleriyle sarılır.Yedekler, iç basınç, uzunlamasına bükülme ve taşıma için güç oluşturmak için çember ve sarmal desenlerle sarılır.Aşağıdaki sonuç bölümü, yerel tedarikçilerden alınan bir teklife dayalı olarak iki cebri boru boyutu için ayak başına maliyeti ve ağırlığı gösterir.Alıntı, tasarım kalınlığının nispeten düşük basınç yükünden ziyade kurulum ve taşıma gereksinimlerinden kaynaklandığını ve her ikisi için de 2,28 cm olduğunu gösterdi.
Personel kapıları ve sabit kanatlar için iki üretim yöntemi düşünülmüştür;ıslak döşeme ve vakum infüzyonu.Islak döşeme, kumaşın üzerine reçine dökülerek ve reçineyi kumaşa itmek için silindirler kullanılarak emprenye edilen kuru kumaş kullanır.Bu işlem, vakumlu infüzyon kadar temiz değildir ve elyaf/reçine oranı açısından her zaman en optimize yapıyı üretmez, ancak vakumlu infüzyon işleminden daha az zaman alır.Vakum infüzyonu kuru elyafı doğru yönlerde yerleştirir ve kuru yığın daha sonra vakumla torbalanır ve vakum uygulandığında parçaya çekilen bir reçine beslemesine yol açan ekstra bağlantı parçaları eklenir.Vakum, reçine miktarını optimum seviyede tutmaya yardımcı olur ve uçucu organiklerin salınımını azaltır.
Kaydırma kasası, pürüzsüz bir iç yüzey sağlamak için erkek bir kalıp üzerinde iki ayrı yarıda bir el yerleşimi kullanacaktır.Bu iki yarım daha sonra, yeterli mukavemeti sağlamak için bağlama noktasında dışarıya eklenen elyaf ile birbirine bağlanacaktır.Kaydırma kasasındaki basınç yükü, yüksek mukavemetli gelişmiş bir kompozit gerektirmez, bu nedenle epoksi reçine ile ıslak bir fiberglas kumaş döşemesi yeterli olacaktır.Kaydırma kasasının kalınlığı, cebri boru ile aynı tasarım parametresine dayanıyordu.250 kW'lık ünite eksenel akışlı bir makinedir, bu nedenle kaydırma kasası yoktur.
Bir türbin çarkı, karmaşık bir geometriyi yüksek yük gereksinimleriyle birleştirir.Son zamanlarda yapılan çalışmalar, yüksek mukavemetli yapısal bileşenlerin, mükemmel mukavemet ve sertlik ile kıyılmış prepreg SMC'den üretilebileceğini göstermiştir.5 Lamborghini Gallardo'nun süspansiyon kolu, dövme kompozit olarak bilinen doğranmış prepreg SMC'nin çoklu katmanları kullanılarak tasarlanmıştır, sıkıştırılarak kalıplanmıştır. Gerekli kalınlığı üretmek için.Aynı yöntem Francis ve pervaneli çarklara da uygulanabilir.Bıçağın üst üste binmesinin karmaşıklığı parçanın kalıptan çıkarılmasını engelleyeceğinden, Francis yolluk tek bir birim olarak yapılamaz.Böylece, yolluk kanatları, taç ve bant ayrı ayrı üretilir ve daha sonra taç ve bandın dışından cıvatalarla birbirine yapıştırılır ve takviye edilir.
Çekme borusu en kolay şekilde filament sarımı kullanılarak üretilse de, bu işlem doğal lifler kullanılarak ticarileştirilmemiştir.Bu nedenle, daha yüksek işçilik maliyetlerine rağmen standart üretim yöntemi olduğu için el yatırması seçilmiştir.Mandrele benzer bir erkek kalıp kullanılarak, döşeme kalıp yatay olarak tamamlanabilir ve daha sonra sertleşmek için dikey döndürülerek bir tarafta sarkma önlenebilir.Kompozit parçaların ağırlığı, bitmiş parçadaki reçine miktarına bağlı olarak biraz değişecektir.Bu sayılar %50 elyaf ağırlığına dayanmaktadır.
Çelik ve kompozit 2-MW türbin için toplam ağırlıklar sırasıyla 9.888 kg ve 7.016 kg'dır.250 kW'lık çelik ve kompozit türbinler sırasıyla 3.734 kg ve 1.927 kg'dır.Toplamlar, her türbin için 20 küçük kapı ve türbinin yüksekliğine eşit bir cebri boru uzunluğunu varsayar.Cebri borunun daha uzun olması ve bağlantı parçaları gerektirmesi muhtemeldir, ancak bu sayı, ünitenin ve ilgili çevre birimlerinin ağırlığına ilişkin temel bir tahmin verir.Jeneratör, cıvatalar ve kapı çalıştırma donanımı dahil değildir ve kompozit ve çelik üniteler arasında benzer olduğu varsayılır.Ayrıca, FEA'da görülen stres konsantrasyonlarını hesaba katmak için gereken yolluk yeniden tasarımının kompozit birimlere ağırlık ekleyeceğini, ancak stres konsantrasyonu olan noktaları güçlendirmek için 5 kg mertebesinde miktarın minimum olduğu varsayılmaktadır.
Verilen ağırlıklarla, 2 MW'lık kompozit türbin ve cebri boru, hızlı V-22 Osprey tarafından kaldırılabilirken, çelik makine daha yavaş, daha az manevra kabiliyetine sahip Chinook ikiz rotorlu bir helikopter gerektirecektir.Ayrıca, 2 MW'lık kompozit türbin ve cebri boru, bir F-250 4×4 tarafından çekilebilirken, çelik ünite, kurulum uzaksa orman yollarında manevra yapması zor olacak daha büyük bir kamyon gerektirecektir.
Sonuçlar
Kompozit malzemelerden türbinler inşa etmek mümkündür ve geleneksel çelik bileşenlere kıyasla %50 ila %70 arasında bir ağırlık azalması görülmüştür.Azalan ağırlık, kompozit türbinlerin uzak yerlere kurulmasına izin verebilir.Ayrıca bu kompozit yapıların montajı kaynak ekipmanı gerektirmez.Bileşenler ayrıca, her bir parça bir veya iki bölüm halinde yapılabileceğinden, birbirine cıvatalanacak daha az parça gerektirir.Bu çalışmada modellenen küçük üretim çalışmalarında, kalıpların ve diğer aletlerin maliyeti, bileşen maliyetine hakimdir.
Burada belirtilen küçük çalışmalar, bu materyaller üzerinde daha fazla araştırmaya başlamanın ne kadara mal olacağını göstermektedir.Bu araştırma, kurulumdan sonra bileşenlerin kavitasyon erozyonunu ve UV korumasını ele alabilir.Kavitasyonu azaltmak veya türbinin kavitasyonu önleyen akış ve yük rejimlerinde çalışmasını sağlamak için elastomer veya seramik kaplamalar kullanmak mümkün olabilir.Ünitelerin, özellikle bakımın seyrek olacağı alanlara kurulacaksa, çelik türbinlere benzer güvenilirlik sağlayabilmesini sağlamak için bu ve diğer sorunları test etmek ve çözmek önemli olacaktır.
Bu küçük işlemlerde bile, üretim için gereken işgücünün azalması nedeniyle bazı kompozit bileşenler uygun maliyetli olabilir.Örneğin, 2 MW'lık Francis ünitesi için bir kaydırma kasası, kompozit üretimi için 25.000 ABD Dolarına kıyasla çelikten kaynak yapmak için 80.000 ABD Dolarına mal olacaktır.Bununla birlikte, türbin çarklarının tasarımının başarılı olduğu varsayıldığında, kompozit çarkların kalıplanmasının maliyeti eşdeğer çelik bileşenlerden daha fazladır.2 MW'lık koşucu, kompozitten 27.000 $ 'a kıyasla çelikten imal etmek için yaklaşık 23.000 $' a mal olacak.Maliyetler makineye göre değişebilir.Ve eğer kalıplar yeniden kullanılabilseydi, daha yüksek üretim işlemlerinde kompozit bileşenlerin maliyeti önemli ölçüde düşecekti.
Araştırmacılar, kompozit malzemelerden türbin kızaklarının yapımını zaten araştırdılar.8 Ancak bu çalışma, kavitasyon erozyonunu ve inşaatın fizibilitesini ele almadı.Kompozit türbinler için bir sonraki adım, fizibilite ve üretim ekonomisinin kanıtlanmasına izin verecek ölçekli bir model tasarlamak ve inşa etmektir.Bu ünite daha sonra, aşırı kavitasyon erozyonunu önleme yöntemlerinin yanı sıra etkinlik ve uygulanabilirliği belirlemek için test edilebilir.
Gönderim zamanı: Şubat-15-2022
