Saamgestelde materiale maak al hoe meer vordering in die konstruksie van toerusting vir die hidroëlektriese kragbedryf. 'n Ondersoek na materiaalsterkte en ander kriteria toon baie meer toepassings, veral vir klein en mikro-eenhede.
Hierdie artikel is geëvalueer en geredigeer in ooreenstemming met resensies wat deur twee of meer professionele persone met relevante kundigheid uitgevoer is. Hierdie ewekniebeoordelaars beoordeel manuskripte vir tegniese akkuraatheid, bruikbaarheid en algehele belangrikheid binne die hidroëlektriese industrie.
Die opkoms van nuwe materiale bied opwindende geleenthede vir die hidroëlektriese industrie. Hout – wat in die oorspronklike waterwiele en sleepwaens gebruik is – is in die vroeë 1800's gedeeltelik deur staalkomponente vervang. Staal behou sy sterkte deur hoë moegheidsbelasting en weerstaan kavitasie-erosie en korrosie. Die eienskappe daarvan word goed verstaan en die prosesse vir komponentvervaardiging is goed ontwikkel. Vir groot eenhede sal staal waarskynlik die materiaal van keuse bly.
Gegewe die opkoms van klein (onder 10 MW) tot mikro-grootte (onder 100 kW) turbines, kan komposiete egter gebruik word om gewig te bespaar en vervaardigingskoste en omgewingsimpak te verminder. Dit is veral relevant gegewe die voortdurende behoefte aan groei in elektrisiteitsvoorsiening. Die geïnstalleerde wêreldwye hidrokapasiteit, byna 800 000 MW volgens 'n 2009-studie deur Noorse Hernubare Energiepartners, is slegs 10% van die ekonomies haalbare en 6% van die tegnies haalbare hidrokrag. Die potensiaal om meer van die tegnies haalbare hidro in die gebied van ekonomies haalbaar te bring, neem toe met die vermoë van saamgestelde komponente om skaalvoordele te bied.
Vervaardiging van saamgestelde komponente
Om die penstok ekonomies en met konsekwente hoë sterkte te vervaardig, is die beste metode filamentwikkeling. 'n Groot doorn word toegedraai met veseltoue wat deur 'n harsbad geloop is. Die veseltoue word in hoepel- en heliese patrone toegedraai om sterkte te skep vir interne druk, longitudinale buiging en hantering. Die resultate-afdeling hieronder toon die koste en gewig per voet vir die twee penstokgroottes, gebaseer op 'n kwotasie van plaaslike verskaffers. Die kwotasie het getoon dat die ontwerpdikte gedryf is deur installasie- en hanteringsvereistes, eerder as die relatief lae druklas, en vir beide was dit 2,28 cm.
Twee vervaardigingsmetodes is oorweeg vir die hekhekke en stutte; nat uitleg en vakuuminfusie. Nat uitleg gebruik droë materiaal, wat geïmpregneer word deur hars oor die materiaal te giet en rollers te gebruik om die hars in die materiaal te druk. Hierdie proses is nie so skoon soos vakuuminfusie nie en lewer nie altyd die mees geoptimaliseerde struktuur in terme van vesel-tot-hars-verhouding nie, maar dit neem minder tyd as die vakuuminfusieproses. Vakuuminfusie lê droë vesel in die korrekte oriëntasies op, en die droë stapel word dan vakuumverpak en ekstra toebehore word aangeheg wat lei tot 'n harsvoorraad, wat in die onderdeel ingetrek word wanneer die vakuum toegepas word. Die vakuum help om die hoeveelheid hars op 'n optimale vlak te handhaaf en verminder die vrystelling van vlugtige organiese stowwe.
Die rolkas sal 'n handmatige oplegging in twee aparte helftes op 'n manlike vorm gebruik om 'n gladde binneoppervlak te verseker. Hierdie twee helftes sal dan aan mekaar gebind word met vesel wat aan die buitekant by die bindingspunt gevoeg word om voldoende sterkte te verseker. Die druklas in die rolkas vereis nie 'n hoësterkte gevorderde komposiet nie, dus sal 'n nat oplegging van veselglasstof met 'n epoksiehars voldoende wees. Die dikte van die rolkas is gebaseer op dieselfde ontwerpparameter as die penstok. Die 250 kW-eenheid is 'n aksiale vloeimasjien, dus is daar geen rolkas nie.
'n Turbine-loper kombineer 'n komplekse geometrie met hoë lasvereistes. Onlangse werk het getoon dat hoësterkte-strukturele komponente vervaardig kan word uit 'n gekapte prepreg SMC met uitstekende sterkte en styfheid.5 Die veringarm van die Lamborghini Gallardo is ontwerp met behulp van verskeie lae van 'n gekapte prepreg SMC, bekend as 'n gesmede komposiet, wat onder druk gegiet is om die vereiste dikte te produseer. Dieselfde metode kan toegepas word op die Francis- en skroeflopers. Die Francis-loper kan nie as een eenheid gemaak word nie, aangesien die kompleksiteit van die lemoorvleueling sal verhoed dat die onderdeel uit die vorm verwyder word. Dus word die loperlemme, kroon en band afsonderlik vervaardig en dan aan mekaar gebind en met boute deur die buitekant van die kroon en band versterk.
Alhoewel die trekpyp die maklikste vervaardig word deur filamentwikkeling te gebruik, is hierdie proses nog nie gekommersialiseer met natuurlike vesels nie. Dus is handmatige opleg gekies, aangesien dit die standaard vervaardigingsmetode is, ten spyte van die hoër arbeidskoste. Deur 'n manlike vorm soortgelyk aan 'n doorn te gebruik, kan die opleg voltooi word met die vorm horisontaal en dan vertikaal gedraai word om te verhard, wat voorkom dat dit aan die een kant deursak. Die gewig van die saamgestelde dele sal effens wissel afhangende van die hoeveelheid hars in die voltooide onderdeel. Hierdie syfers is gebaseer op 50% veseligewig.
Die totale gewigte vir die staal- en saamgestelde 2-MW-turbine is onderskeidelik 9 888 kg en 7 016 kg. Die 250 kW staal- en saamgestelde turbines is onderskeidelik 3 734 kg en 1 927 kg. Die totale veronderstel 20 hekdeure vir elke turbine en 'n penstoklengte gelyk aan die kop van die turbine. Dit is waarskynlik dat die penstok langer sal wees en toebehore sal benodig, maar hierdie getal gee 'n basiese skatting van die gewig van die eenheid en gepaardgaande randapparatuur. Die kragopwekker, boute en hek-aandrywingshardeware is nie ingesluit nie en word aanvaar dat dit soortgelyk is tussen die saamgestelde en staaleenhede. Dit is ook die moeite werd om daarop te let dat die herontwerp van die loper wat nodig is om rekening te hou met spanningskonsentrasies wat in die FEA gesien word, gewig by die saamgestelde eenhede sal voeg, maar die hoeveelheid word aanvaar as minimaal, in die orde van 5 kg om punte met spanningskonsentrasie te versterk.
Met die gegewe gewigte kan die 2-MW saamgestelde turbine en sy sleepstok deur die vinnige V-22 Osprey opgelig word, terwyl die staalmasjien 'n stadiger, minder beweeglike Chinook-tweelingrotorhelikopter sou benodig. Ook kan die 2-MW saamgestelde turbine en sleepstok deur 'n F-250 4×4 gesleep word, terwyl die staaleenheid 'n groter vragmotor sou benodig wat moeilik sou wees om op bospaaie te maneuvreer as die installasie afgeleë was.
Gevolgtrekkings
Dit is haalbaar om turbines van saamgestelde materiale te bou, en 'n gewigsvermindering van 50% tot 70% is waargeneem in vergelyking met konvensionele staalkomponente. Die verminderde gewig kan dit moontlik maak om saamgestelde turbines op afgeleë plekke te installeer. Boonop vereis die montering van hierdie saamgestelde strukture nie sweistoerusting nie. Die komponente vereis ook minder onderdele om aanmekaar vasgebout te word, aangesien elke stuk in een of twee afdelings gemaak kan word. By die klein produksielopies wat in hierdie studie gemodelleer is, oorheers die koste van die vorms en ander gereedskap die komponentkoste.
Die klein lopies wat hier aangedui word, toon wat dit sou kos om verdere navorsing oor hierdie materiale te begin. Hierdie navorsing kan kavitasie-erosie en UV-beskerming van die komponente na installasie aanspreek. Dit mag moontlik wees om elastomeer- of keramiekbedekkings te gebruik om kavitasie te verminder of te verseker dat die turbine in die vloei- en drukregimes loop wat verhoed dat kavitasie plaasvind. Dit sal belangrik wees om hierdie en ander probleme te toets en op te los om te verseker dat die eenhede soortgelyke betroubaarheid as staalturbines kan bereik, veral as hulle geïnstalleer moet word in gebiede waar onderhoud ongereeld sal wees.
Selfs met hierdie klein lopies kan sommige saamgestelde komponente koste-effektief wees as gevolg van die verminderde arbeid wat vir vervaardiging benodig word. Byvoorbeeld, 'n rolkas vir die 2-MW Francis-eenheid sou $80 000 kos om van staal gesweis te word, in vergelyking met $25 000 vir saamgestelde vervaardiging. As die ontwerp van turbine-lopers egter suksesvol is, is die koste vir die vorming van die saamgestelde lopers meer as ekwivalente staalkomponente. Die 2-MW-loper sou ongeveer $23 000 kos om van staal te vervaardig, in vergelyking met $27 000 vir saamgestelde materiale. Koste kan per masjien verskil. En die koste vir saamgestelde komponente sou aansienlik daal by hoër produksielopies as vorms hergebruik kon word.
Navorsers het reeds die konstruksie van turbine-lopers van saamgestelde materiale ondersoek.8 Hierdie studie het egter nie kavitasie-erosie en die uitvoerbaarheid van konstruksie aangespreek nie. Die volgende stap vir saamgestelde turbines is om 'n skaalmodel te ontwerp en te bou wat bewys van uitvoerbaarheid en vervaardigingsekonomie sal moontlik maak. Hierdie eenheid kan dan getoets word om doeltreffendheid en toepaslikheid te bepaal, sowel as metodes om oormatige kavitasie-erosie te voorkom.
Plasingstyd: 15 Februarie 2022
