Vật liệu composite đang xâm nhập vào lĩnh vực xây dựng thiết bị cho ngành thủy điện.Một cuộc điều tra về độ bền của vật liệu và các tiêu chí khác cho thấy nhiều ứng dụng hơn, đặc biệt là đối với các đơn vị nhỏ và siêu nhỏ.
Bài viết này đã được đánh giá và chỉnh sửa theo các đánh giá được thực hiện bởi hai hoặc nhiều chuyên gia có chuyên môn liên quan.Những người bình duyệt này đánh giá các bản thảo về độ chính xác kỹ thuật, tính hữu ích và tầm quan trọng tổng thể trong ngành thủy điện.
Sự gia tăng của các vật liệu mới mang lại cơ hội thú vị cho ngành thủy điện.Gỗ - được sử dụng trong bánh xe nước ban đầu và bút chì - đã được thay thế một phần bằng các thành phần thép vào đầu những năm 1800.Thép vẫn giữ được độ bền của nó thông qua tải trọng mỏi cao và chống lại sự xói mòn và ăn mòn do xâm thực.Các đặc tính của nó đã được hiểu rõ và các quy trình sản xuất linh kiện cũng được phát triển.Đối với các đơn vị lớn, thép có thể sẽ vẫn là vật liệu được lựa chọn.
Tuy nhiên, với sự gia tăng của các tuabin nhỏ (dưới 10 MW) đến kích thước siêu nhỏ (dưới 100 kW), vật liệu tổng hợp có thể được sử dụng để tiết kiệm trọng lượng và giảm chi phí sản xuất cũng như tác động đến môi trường.Điều này đặc biệt phù hợp với nhu cầu tiếp tục tăng trưởng cung cấp điện.Công suất thủy điện đã lắp đặt trên thế giới, gần 800.000 MW theo một nghiên cứu năm 2009 của Đối tác Năng lượng Tái tạo Na Uy, chỉ bằng 10% khả năng kinh tế và 6% thủy điện khả thi về mặt kỹ thuật.Tiềm năng đưa nhiều thủy điện khả thi về mặt kỹ thuật vào lĩnh vực khả thi về mặt kinh tế sẽ tăng lên cùng với khả năng cung cấp kinh tế của các thành phần hỗn hợp trên quy mô lớn.
Sản xuất thành phần tổng hợp
Để sản xuất bút chì một cách kinh tế và có độ bền cao nhất quán, phương pháp tốt nhất là quấn dây tóc.Một trục gá lớn được quấn bằng sợi kéo đã được chạy qua bể nhựa.Các đầu kéo được bọc trong các mô hình vòng và xoắn để tạo ra sức mạnh cho áp lực bên trong, uốn dọc và xử lý.Phần kết quả bên dưới cho thấy chi phí và trọng lượng mỗi foot cho hai kích cỡ pentock, dựa trên báo giá từ các nhà cung cấp địa phương.Báo giá cho thấy độ dày thiết kế phụ thuộc vào các yêu cầu lắp đặt và xử lý, thay vì tải trọng áp suất tương đối thấp, và đối với cả hai, nó là 2,28 cm.
Hai phương pháp sản xuất đã được xem xét cho các cổng phụ và cánh gạt;layup ướt và truyền chân không.Vải ướt sử dụng vải khô, được ngâm tẩm bằng cách đổ nhựa thông lên vải và sử dụng con lăn để đẩy nhựa vào vải.Quá trình này không sạch bằng truyền chân không và không phải lúc nào cũng tạo ra cấu trúc tối ưu nhất về tỷ lệ sợi-nhựa, nhưng lại mất ít thời gian hơn quá trình truyền chân không.Truyền chân không đặt xơ khô theo các hướng chính xác, và chồng khô sau đó được đóng túi chân không và các phụ kiện bổ sung được gắn vào dẫn đến nguồn cung cấp nhựa, được hút vào bộ phận khi áp dụng chân không.Chân không giúp duy trì lượng nhựa ở mức tối ưu và giảm giải phóng các chất hữu cơ dễ bay hơi.
Hộp đựng cuộn sẽ sử dụng tay xếp thành hai nửa riêng biệt trên khuôn nam để đảm bảo bề mặt bên trong nhẵn.Hai nửa này sau đó sẽ được kết dính với nhau bằng sợi bổ sung bên ngoài tại điểm liên kết để đảm bảo đủ độ bền.Tải trọng áp suất trong hộp cuộn không yêu cầu composite tiên tiến có độ bền cao, do đó, một lớp vải sợi thủy tinh ướt với nhựa epoxy là đủ.Độ dày của hộp cuộn dựa trên thông số thiết kế tương tự như hộp bút.Máy 250 kW là máy dòng hướng trục nên không có hộp cuộn.
Máy chạy tuabin kết hợp hình học phức tạp với yêu cầu tải trọng cao.Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng các thành phần cấu trúc có độ bền cao có thể được sản xuất từ một SMC đã được cắt nhỏ với độ bền và độ cứng tuyệt vời.5 Tay đòn của Lamborghini Gallardo được thiết kế bằng cách sử dụng nhiều lớp của một SMC đã được cắt nhỏ được gọi là composite rèn, đúc nén để tạo ra độ dày cần thiết.Phương pháp tương tự có thể được áp dụng cho các vận động viên chạy bằng chân vịt và Francis.Con chạy Francis không thể được làm thành một đơn vị, vì sự phức tạp của sự chồng chéo của lưỡi dao sẽ ngăn bộ phận được lấy ra khỏi khuôn.Do đó, các lưỡi dao, vương miện và dây đeo được sản xuất riêng biệt và sau đó được liên kết với nhau và được gia cố bằng bu lông thông qua bên ngoài của vương miện và dây đeo.
Trong khi ống dự thảo được sản xuất dễ dàng nhất bằng cách sử dụng dây quấn, quy trình này chưa được thương mại hóa bằng cách sử dụng sợi tự nhiên.Do đó, phương pháp xếp bằng tay đã được lựa chọn, vì đây là phương pháp sản xuất tiêu chuẩn, mặc dù chi phí lao động cao hơn.Sử dụng một khuôn đực tương tự như một trục gá, có thể hoàn thành việc xếp khuôn với khuôn nằm ngang và sau đó quay thẳng đứng để chữa trị, ngăn ngừa chảy xệ ở một bên.Trọng lượng của các bộ phận composite sẽ thay đổi một chút tùy thuộc vào lượng nhựa trong bộ phận hoàn thiện.Những con số này dựa trên 50% trọng lượng chất xơ.
Tổng trọng lượng của tuabin 2 MW bằng thép và composite lần lượt là 9.888 kg và 7.016 kg.Các tuabin bằng thép và composite 250 kW có trọng lượng lần lượt là 3.734 kg và 1.927 kg.Các tổng số giả định có 20 cổng phụ cho mỗi tuabin và chiều dài ống lồng bằng với đầu của tuabin.Có khả năng chiếc pentock sẽ dài hơn và yêu cầu phụ kiện, nhưng con số này đưa ra ước tính cơ bản về trọng lượng của thiết bị và các thiết bị ngoại vi liên quan.Máy phát điện, bu lông và phần cứng truyền động cổng không được bao gồm và được cho là giống nhau giữa các đơn vị composite và thép.Cũng cần lưu ý rằng thiết kế lại người chạy được yêu cầu để tính đến nồng độ ứng suất được thấy trong FEA sẽ thêm trọng lượng cho các đơn vị tổng hợp, nhưng số lượng được giả định là nhỏ nhất, theo thứ tự 5 kg để tăng cường các điểm có nồng độ ứng suất
Với trọng lượng cho trước, tuabin hỗn hợp 2 MW và ống lồng của nó có thể được nâng lên bằng máy bay V-22 Osprey nhanh, trong khi cỗ máy thép sẽ yêu cầu một máy bay trực thăng cánh quạt đôi Chinook chậm hơn, ít cơ động hơn.Ngoài ra, tuabin hỗn hợp công suất 2 MW và ống lồng có thể được kéo bởi một chiếc F-250 4 × 4, trong khi đơn vị thép sẽ yêu cầu một chiếc xe tải lớn hơn sẽ khó di chuyển trên đường rừng nếu việc lắp đặt ở xa.
Kết luận
Việc chế tạo tuabin từ vật liệu composite là khả thi và trọng lượng giảm từ 50% đến 70% so với các cấu kiện thép thông thường.Trọng lượng giảm có thể cho phép các tuabin composite được lắp đặt ở những vị trí xa.Ngoài ra, việc lắp ráp các kết cấu hỗn hợp này không cần thiết bị hàn.Các thành phần cũng yêu cầu ít bộ phận được bắt vít với nhau hơn, vì mỗi bộ phận có thể được làm thành một hoặc hai phần.Tại quá trình sản xuất nhỏ được mô hình hóa trong nghiên cứu này, chi phí của khuôn mẫu và các công cụ khác chiếm ưu thế trong chi phí thành phần.
Các bước chạy nhỏ được chỉ ra ở đây cho thấy chi phí bỏ ra để bắt đầu nghiên cứu sâu hơn về các vật liệu này.Nghiên cứu này có thể giải quyết vấn đề xói mòn do xâm thực và bảo vệ tia cực tím của các thành phần sau khi lắp đặt.Có thể sử dụng chất đàn hồi hoặc lớp phủ gốm để giảm hiện tượng xâm thực hoặc đảm bảo rằng tuabin chạy ở chế độ dòng chảy và đầu ngăn xảy ra hiện tượng xâm thực.Điều quan trọng là phải kiểm tra và giải quyết những vấn đề này và những vấn đề khác để đảm bảo các tổ máy có thể đạt được độ tin cậy tương tự như tuabin thép, đặc biệt nếu chúng được lắp đặt ở những nơi không thường xuyên bảo trì.
Ngay cả ở những lần chạy nhỏ này, một số thành phần composite có thể tiết kiệm chi phí do giảm lao động cần thiết để sản xuất.Ví dụ, một hộp cuộn cho tổ máy Francis 2 MW sẽ có giá 80.000 đô la được hàn từ thép so với 25.000 đô la để sản xuất composite.Tuy nhiên, giả sử thiết kế thành công máy chạy tuabin, chi phí để đúc máy chạy hỗn hợp sẽ nhiều hơn các thành phần thép tương đương.Máy chạy có công suất 2 MW sẽ tốn khoảng 23.000 đô la để sản xuất từ thép, so với 27.000 đô la từ composite.Giá thành có thể thay đổi tùy theo máy.Và chi phí cho các thành phần composite sẽ giảm đáng kể khi vận hành sản xuất cao hơn nếu khuôn có thể được tái sử dụng.
Các nhà nghiên cứu đã điều tra việc chế tạo các tuabin chạy bằng vật liệu composite.8 Tuy nhiên, nghiên cứu này không đề cập đến xói mòn do xâm thực và tính khả thi của việc xây dựng.Bước tiếp theo đối với tuabin composite là thiết kế và xây dựng một mô hình quy mô cho phép chứng minh tính khả thi và tính kinh tế của sản xuất.Đơn vị này sau đó có thể được thử nghiệm để xác định hiệu quả và khả năng ứng dụng, cũng như các phương pháp ngăn chặn xói mòn do xâm thực dư thừa.
Thời gian đăng: Tháng Hai-15-2022
