У будівництві обладнання для гідроелектроенергетики впроваджуються композиційні матеріали.Дослідження міцності матеріалу та інших критеріїв показує багато інших застосувань, особливо для малих і мікроблоків.
Ця стаття була оцінена та відредагована відповідно до рецензій, проведених двома чи більше професіоналами, які мають відповідний досвід.Ці рецензенти оцінюють рукописи за технічну точність, корисність та загальну важливість у гідроелектростанції.
Поява нових матеріалів відкриває чудові можливості для гідроелектричної промисловості.Дерево, яке використовувалося в оригінальних водяних колесах і напірних штоках, було частково замінене сталевими компонентами на початку 1800-х років.Сталь зберігає свою міцність завдяки високому втомному навантаженню і протистоїть кавітаційній ерозії та корозії.Його властивості добре зрозумілі, а процеси виробництва компонентів добре розроблені.Для великих агрегатів сталь, ймовірно, залишиться матеріалом вибору.
Однак, враховуючи зростання від малих (нижче 10 МВт) до мікророзмірних (нижче 100 кВт) турбін, композити можна використовувати для економії ваги та зниження витрат виробництва та впливу на навколишнє середовище.Це особливо актуально з огляду на постійну потребу в зростанні постачання електроенергії.Встановлена світова гідропотужність, майже 800 000 МВт, згідно з дослідженням 2009 року Norwegian Renewable Energy Partners, становить лише 10% економічно можливих і 6% технічно можливих гідроенергії.Потенціал залучити більшу частину технічно можливих гідроенергій у сферу економічно доцільних збільшується зі здатністю композитних компонентів забезпечувати економію масштабу.
Виробництво композитних компонентів
Для економічного та стабільно високої міцності виготовлення напірного штока найкращим методом є намотування нитки.Велику оправку обмотують джгутами волокна, які пропущені через смолисту ванну.Пакети загорнуті в обручі та гвинтові візерунки, щоб створити міцність для внутрішнього тиску, поздовжнього вигину та поводження.У розділі з результатами нижче показано вартість і вагу за фут для двох розмірів напірних штоків на основі пропозицій місцевих постачальників.Ціна показала, що товщина конструкції була зумовлена вимогами до монтажу та поводження, а не відносно низьким тиском, і для обох вона становила 2,28 см.
Було розглянуто два способи виготовлення хвіртки та лопатки;вологе укладання і вакуумне вливання.Для мокрого укладання використовується суха тканина, яка просочується шляхом наливання смоли на тканину і за допомогою роликів для просування смоли в тканину.Цей процес не такий чистий, як вакуумне вливання, і не завжди створює найбільш оптимізовану структуру з точки зору співвідношення волокна до смоли, але він займає менше часу, ніж процес вакуумної інфузії.Вакуумна інфузія укладає сухе волокно в правильній орієнтації, а суху стопку потім упаковують у вакуумні пакети і прикріплюють додаткові фітинги, які ведуть до подачі смоли, яка втягується в деталь під час застосування вакууму.Вакуум допомагає підтримувати кількість смоли на оптимальному рівні та зменшує виділення летких органічних речовин.
Для забезпечення гладкої внутрішньої поверхні футляра для прокрутки буде складатися вручну на дві окремі половини на чоловічій формі.Ці дві половини потім будуть з’єднані разом з волокном, доданим зовні в місці з’єднання, щоб забезпечити достатню міцність.Навантаження під тиском у спіральному корпусі не вимагає високоміцного вдосконаленого композиту, тому буде достатньо мокрого укладання склотканини з епоксидною смолою.Товщина корпусу прокрутки була заснована на тому ж конструктивному параметрі, що і напірний шток.Агрегат потужністю 250 кВт є осьовим потоком, тому в ньому немає прокрутки.
Турбінний бігун поєднує складну геометрію з високими вимогами до навантаження.Нещодавні роботи продемонстрували, що високоміцні конструктивні компоненти можуть бути виготовлені з подрібненого препрегу SMC з чудовою міцністю та жорсткістю.5 Пружина підвіски Lamborghini Gallardo була розроблена з використанням кількох шарів подрібненого препрегу SMC, відомого як кований композит, пресований для отримання необхідної товщини.Такий же метод можна застосувати до френсіса і пропелерних полозів.Бігун Френсіса не може бути виготовлений як єдиний блок, оскільки складність перекриття леза не дозволить витягнути деталь із форми.Таким чином, леза, коронка і стрічка виготовляються окремо, а потім з’єднуються разом і зміцнюються болтами через зовнішню частину коронки і стрічки.
Хоча витяжну трубу найлегше виготовляти з використанням нитки, цей процес не був комерціалізований з використанням натуральних волокон.Таким чином, було обрано ручне розкладання, оскільки це стандартний спосіб виготовлення, незважаючи на більш високі витрати праці.Використовуючи чоловічу форму, подібну до оправки, укладання можна завершити горизонтально, а потім повернути вертикально для затвердіння, запобігаючи провисання з одного боку.Вага композитних деталей буде дещо змінюватися в залежності від кількості смоли в готовій деталі.Ці цифри засновані на 50% ваги волокна.
Загальна вага сталевої та композитної турбіни потужністю 2 МВт становить 9 888 кг і 7 016 кг відповідно.Сталева і композитна турбіна потужністю 250 кВт становлять 3734 кг і 1927 кг відповідно.Підсумки передбачають 20 хвірток для кожної турбіни та довжину напірного штока, що дорівнює голові турбіни.Цілком імовірно, що напірний шток буде довшим і потребуватиме арматури, але це число дає основну оцінку ваги блоку та відповідних периферійних пристроїв.Генератор, болти та фурнітура приводу воріт не входять до комплекту поставки, і передбачається, що вони схожі між композитними та сталевими блоками.Варто також зазначити, що оновлений дизайн бігуна, необхідний для врахування концентрації напружень, що спостерігається в FEA, додасть ваги композитним одиницям, але вважається, що кількість є мінімальною, близько 5 кг для зміцнення точок з концентрацією напружень.
При заданих вагах композитну турбіну потужністю 2 МВт та її напірний шток можна було б підняти за допомогою швидкого V-22 Osprey, тоді як для сталевої машини знадобився б повільніший, менш маневрений вертоліт Chinook з двома гвинтами.Крім того, композитну турбіну і водовідвідний шток потужністю 2 МВт можна буксирувати F-250 4×4, тоді як сталевий агрегат вимагав би більшої вантажівки, якою було б важко маневрувати на лісових дорогах, якби установка була віддалена.
Висновки
Можна конструювати турбіни з композитних матеріалів, і було помічено зниження ваги на 50-70% порівняно зі звичайними сталевими компонентами.Зменшена вага дозволяє встановлювати композитні турбіни у віддалених місцях.Крім того, для складання цих композитних конструкцій не потрібне зварювальне обладнання.Компоненти також вимагають меншої кількості деталей для з’єднання болтами, оскільки кожна частина може складатися з однієї або двох секцій.При невеликих виробничих циклах, змодельованих у цьому дослідженні, вартість форм та іншого інструменту переважає у вартості компонентів.
Наведені тут невеликі тиражі показують, скільки коштуватиме початок подальших досліджень цих матеріалів.Це дослідження може розглянути кавітаційну ерозію та захист від ультрафіолету компонентів після встановлення.Можна використовувати еластомерні або керамічні покриття, щоб зменшити кавітацію або забезпечити роботу турбіни в режимах потоку та напору, які запобігають виникненню кавітації.Важливо випробувати та вирішити ці та інші проблеми, щоб переконатися, що агрегати зможуть досягти такої ж надійності, як і сталеві турбіни, особливо якщо вони будуть встановлені в місцях, де технічне обслуговування буде нечастим.
Навіть при таких невеликих тиражах деякі композитні компоненти можуть бути економічно ефективними через зменшення робочої сили, необхідної для виробництва.Наприклад, зварювання зі сталі корпусу прокрутки для установки Francis потужністю 2 МВт обійдеться в 80 000 доларів США порівняно з 25 000 доларів США за виготовлення композитних матеріалів.Однак, якщо припустити успішну конструкцію бігунів турбін, вартість формування композитних бігунів буде більшою, ніж еквівалентні сталеві компоненти.Виготовлення 2-МВт бігуна зі сталі коштуватиме близько 23 000 доларів США, а з композиту — 27 000 доларів.Вартість може відрізнятися в залежності від машини.А вартість композитних компонентів значно знизилася б при більш високих виробничих циклах, якби форми можна було використовувати повторно.
Дослідники вже досліджували конструкцію турбінних бігунів із композитних матеріалів.8 Проте це дослідження не розглядало кавітаційну ерозію та доцільність конструкції.Наступним кроком для композитних турбін є проектування та створення масштабної моделі, яка дозволить довести доцільність та економічність виробництва.Потім цей пристрій можна випробувати для визначення ефективності та застосовності, а також методів запобігання надмірної кавітаційної ерозії.
Час розміщення: 15 лютого 2022 р
