Кампазітныя матэрыялы прасоўваюцца ў будаўніцтве абсталявання для гідраэнергетыкі. Даследаванне трываласці матэрыялаў і іншых крытэрыяў выяўляе значна больш шырокае прымяненне, асабліва для малых і мікраагрэгатаў.
Гэты артыкул быў ацэнены і адрэдагаваны ў адпаведнасці з рэцэнзіямі, праведзенымі двума або больш спецыялістамі, якія маюць адпаведную экспертызу. Гэтыя рэцэнзенты ацэньваюць рукапісы на прадмет тэхнічнай дакладнасці, карыснасці і агульнай важнасці для гідраэнергетычнай галіны.
З'яўленне новых матэрыялаў адкрывае захапляльныя магчымасці для гідраэлектраэнергетыкі. Драўніна, якая выкарыстоўвалася ў першапачатковых вадзяных колах і трубаправодах, была часткова выцеснена сталёвымі кампанентамі ў пачатку 1800-х гадоў. Сталь захоўвае сваю трываласць дзякуючы высокім нагрузкам на стомленасць і супрацьстаіць кавітацыйнай эрозіі і карозіі. Яе ўласцівасці добра вывучаны, а працэсы вытворчасці кампанентаў добра распрацаваны. Для буйных установак сталь, верагодна, застанецца пераважным матэрыялам.
Аднак, улічваючы рост колькасці малых (магутнасцю менш за 10 МВт) і мікрапамерных (магутнасцю менш за 100 кВт) турбін, кампазітныя матэрыялы можна выкарыстоўваць для зніжэння вагі, выдаткаў на вытворчасць і ўздзеяння на навакольнае асяроддзе. Гэта асабліва актуальна, улічваючы пастаянную неабходнасць росту паставак электраэнергіі. Устаноўленая магутнасць сусветнай гідраэнергетыкі, якая, паводле даследавання 2009 года, праведзенага нарвежскай кампаніяй «Renewable Energy Partners», складае амаль 800 000 МВт, складае толькі 10% ад эканамічна мэтазгоднай і 6% ад тэхнічна мэтазгоднай гідраэнергетыкі. Патэнцыял ператварыць большую частку тэхнічна мэтазгоднай гідраэнергетыкі ў эканамічна мэтазгодную павялічваецца са здольнасцю кампазітных кампанентаў забяспечваць эканомію маштабу.
Вытворчасць кампазітных кампанентаў
Для эканамічнага вырабу заваднога трубаправода з пастаянна высокай трываласцю найлепшым метадам з'яўляецца намотка ніткай. Вялікі апраўляльнік абмотваецца жгутамі валакна, якія прапусцілі праз ванну са смалой. Жгуты абмотваюцца ў выглядзе кольцавых і спіральных узораў, каб стварыць трываласць пры ўнутраным ціску, падоўжным выгібе і апрацоўцы. У раздзеле вынікаў ніжэй паказаны кошт і вага на фут для двух памераў завадных трубаправодаў, заснаваныя на каштарысе ад мясцовых пастаўшчыкоў. Каштоўнасць паказала, што разліковая таўшчыня была абумоўлена патрабаваннямі да ўстаноўкі і апрацоўкі, а не адносна нізкай нагрузкай ціскам, і для абодвух яна складала 2,28 см.
Для вырабу брамкі і ламеляў былі разгледжаны два метады вытворчасці: вільготнае кладанне і вакуумная інфузія. Пры вільготным кладанні выкарыстоўваецца сухая тканіна, якая прапітваецца шляхам залівання смалой паверх тканіны і ўціскання смалы ў тканіну з дапамогай ролікаў. Гэты працэс не такі чысты, як вакуумная інфузія, і не заўсёды дае найбольш аптымальную структуру з пункту гледжання суадносін валокнаў і смалы, але ён займае менш часу, чым працэс вакуумнай інфузіі. Вакуумная інфузія дазваляе ўкладваць сухое валакно ў правільнай арыентацыі, а затым сухі стос упаковваецца ў вакуумныя пакеты і да яго прымацоўваюцца дадатковыя фітынгі, якія забяспечваюць падачу смалы, якая ўсмоктваецца ў дэталь пры ўжыванні вакууму. Вакуум дапамагае падтрымліваць колькасць смалы на аптымальным узроўні і памяншае выкід лятучых арганічных рэчываў.
Корпус спіралі будзе вырабляцца ўручную з дзвюх асобных паловак на форме для забеспячэння гладкай унутранай паверхні. Затым гэтыя дзве паловы будуць злучаны разам з даданнем валакна звонку ў кропцы злучэння для забеспячэння належнай трываласці. Ціск у корпусе спіралі не патрабуе высокатрывалага ўдасканаленага кампазіта, таму дастаткова будзе вільготнага кладкі шкловалакна з эпаксіднай смалой. Таўшчыня корпуса спіралі была разлічана зыходзячы з тых жа канструктыўных параметраў, што і напорны трубаправод. Блок магутнасцю 250 кВт з'яўляецца машынай з восевым патокам, таму корпус спіралі адсутнічае.
Рабочае кола турбіны спалучае ў сабе складаную геаметрыю з высокімі патрабаваннямі да нагрузкі. Нядаўнія працы паказалі, што высокатрывалыя структурныя кампаненты могуць быць выраблены з сечанага прэпрэга SMC з выдатнай трываласцю і калянасцю.5 Рычаг падвескі Lamborghini Gallardo быў распрацаваны з выкарыстаннем некалькіх слаёў сечанага прэпрэга SMC, вядомага як каваны кампазіт, адлітых пад ціскам для атрымання патрэбнай таўшчыні. Той жа метад можна ўжыць да рабочых колаў Фрэнсіса і прапелера. Рабочае кола Фрэнсіса не можа быць выраблена як адзінае цэлае, бо складанасць перакрыцця лопасцяў перашкодзіць выманню дэталі з формы. Такім чынам, лопасці рабочага кола, каронар і абруч вырабляюцца асобна, а затым злучаюцца разам і ўзмацняюцца балтамі праз вонкавую частку каронарнага і абруча.
Хоць адсмоктвальную трубку прасцей за ўсё вырабіць з дапамогай намоткі ніткай, гэты працэс не быў камерцыялізаваны з выкарыстаннем натуральных валокнаў. Такім чынам, быў абраны ручны спосаб напластавання, бо гэта стандартны метад вытворчасці, нягледзячы на больш высокія выдаткі на працу. Выкарыстоўваючы форму-апорнік, падобную да апраўкі, напластаванне можна завяршыць, размясціўшы форму ў гарызантальным становішчы, а затым павярнуць яе вертыкальна для зацвярдзення, прадухіляючы прагін з аднаго боку. Вага кампазітных дэталяў будзе нязначна адрознівацца ў залежнасці ад колькасці смалы ў гатовай дэталі. Гэтыя лічбы разлічаны на 50% вагі валакна.
Агульная вага сталёвай і кампазітнай турбіны магутнасцю 2 МВт складае 9 888 кг і 7 016 кг адпаведна. Сталёвая і кампазітная турбіны магутнасцю 250 кВт — 3 734 кг і 1 927 кг адпаведна. Агульная вага разлічана на 20 засавак для кожнай турбіны і даўжыню напорнага трубаправода, роўную даўжыні галоўкі турбіны. Верагодна, што напорны трубаправод будзе даўжэйшым і запатрабуе фітынгаў, але гэтая лічба дае базавую ацэнку вагі агрэгата і звязанай з ім перыферыі. Генератар, балты і прывадныя механізмы засавак не ўключаны і мяркуецца, што яны падобныя ў кампазітных і сталёвых агрэгатах. Варта таксама адзначыць, што перапраектаванне рабочага калонкі, неабходнае для ўліку канцэнтрацыі напружанняў, якая назіраецца пры разліку канчатковых элементаў, дадасць вагу кампазітным агрэгатам, але мяркуецца, што гэтая велічыня мінімальная, парадку 5 кг для ўзмацнення кропак з канцэнтрацыяй напружанняў.
З улікам зададзенай вагі, кампазітную турбіну магутнасцю 2 МВт і яе напорны трубаправод мог бы падняць хуткі V-22 Osprey, у той час як для сталёвай машыны патрабаваўся б больш павольны, менш манеўраны двухвінтавы верталёт Chinook. Акрамя таго, кампазітную турбіну магутнасцю 2 МВт і напорны трубаправод мог бы буксіраваць F-250 з паўнапрываднай шасі, у той час як для сталёвай устаноўкі патрабаваўся б большы грузавік, якім было б цяжка манеўраваць па лясных дарогах, калі б устаноўка была аддаленай.
Высновы
З кампазітных матэрыялаў цалкам магчыма вырабляць турбіны, і назіралася зніжэнне вагі на 50–70 % у параўнанні з традыцыйнымі сталёвымі кампанентамі. Зніжэнне вагі дазваляе ўсталёўваць кампазітныя турбіны ў аддаленых месцах. Акрамя таго, для зборкі гэтых кампазітных канструкцый не патрабуецца зварачнае абсталяванне. Кампаненты таксама патрабуюць меншай колькасці дэталяў для злучэння балтамі, бо кожная дэталь можа быць выраблена з адной або дзвюх секцый. Пры невялікіх вытворчых серыях, мадэляваных у гэтым даследаванні, кошт формаў і іншых інструментаў пераважае ў сабекошце кампанентаў.
Паказаныя тут невялікія прабегі паказваюць, колькі будзе каштаваць пачатак далейшых даследаванняў гэтых матэрыялаў. Гэтыя даследаванні могуць быць накіраваны на вырашэнне праблем кавітацыйнай эрозіі і абароны кампанентаў ад ультрафіялетавага выпраменьвання пасля ўстаноўкі. Магчыма, можна выкарыстоўваць эластамерныя або керамічныя пакрыцці для памяншэння кавітацыі або забеспячэння працы турбіны ў рэжымах патоку і напору, якія прадухіляюць узнікненне кавітацыі. Важна праверыць і вырашыць гэтыя і іншыя праблемы, каб гарантаваць, што агрэгаты змогуць дасягнуць такой жа надзейнасці, як і сталёвыя турбіны, асабліва калі яны будуць усталёўвацца ў раёнах, дзе тэхнічнае абслугоўванне будзе рэдкім.
Нават пры такіх невялікіх аб'ёмах вытворчасці некаторыя кампазітныя кампаненты могуць быць рэнтабельнымі дзякуючы зніжэнню працаёмкасці, неабходнай для іх вырабу. Напрыклад, зварка корпуса спіральнай трубы для энергаблока Фрэнсіса магутнасцю 2 МВт са сталі абыдзецца ў 80 000 долараў у параўнанні з 25 000 долараў пры вырабе з кампазіта. Аднак, калі пры ўмове паспяховага праектавання рабочых колаў турбіны, кошт ліцця кампазітных рабочых колаў будзе вышэйшым, чым кошт эквівалентных сталёвых кампанентаў. Вытворчасць рабочага колы магутнасцю 2 МВт са сталі абыдзецца ў памеры каля 23 000 долараў у параўнанні з 27 000 долараў пры вырабе з кампазіта. Выдаткі могуць адрознівацца ў залежнасці ад машыны. А кошт кампазітных кампанентаў значна знізіцца пры больш высокіх вытворчых аб'ёмах, калі формы можна будзе выкарыстоўваць паўторна.
Даследчыкі ўжо даследавалі канструкцыю рабочых колаў турбін з кампазітных матэрыялаў.8 Аднак у гэтым даследаванні не разглядаліся пытанні кавітацыйнай эрозіі і магчымасці будаўніцтва. Наступным крокам для кампазітных турбін з'яўляецца распрацоўка і стварэнне маштабнай мадэлі, якая дазволіць даказаць магчымасць і эканамічнасць вытворчасці. Затым гэты блок можна будзе праверыць, каб вызначыць эфектыўнасць і прыдатнасць, а таксама метады прадухілення празмернай кавітацыйнай эрозіі.
Час публікацыі: 15 лютага 2022 г.
