Композитните материали навлизат все повече в конструирането на оборудване за водноелектрическата енергетика. Изследване на здравината на материалите и други критерии разкрива много повече приложения, особено за малки и микро агрегати.
Тази статия е оценена и редактирана в съответствие с рецензии, проведени от двама или повече професионалисти, притежаващи съответния опит. Тези рецензенти оценяват ръкописите по техническа точност, полезност и цялостно значение в рамките на водноелектрическата индустрия.
Появата на нови материали предоставя вълнуващи възможности за водноелектрическата индустрия. Дървото – използвано в оригиналните водни колела и тръбопроводи – е изместено отчасти от стоманени компоненти в началото на 19 век. Стоманата запазва здравината си чрез високо натоварване от умора и е устойчива на кавитационна ерозия и корозия. Свойствата ѝ са добре разбрани, а процесите за производство на компоненти са добре разработени. За големи агрегати стоманата вероятно ще остане предпочитаният материал.
Въпреки това, предвид нарастването на малките (под 10 MW) до микроразмерните (под 100 kW) турбини, композитните материали могат да се използват за намаляване на теглото и производствените разходи, както и на въздействието върху околната среда. Това е особено важно, като се има предвид продължаващата необходимост от растеж в електроснабдяването. Инсталираният световен водноелектрически капацитет, близо 800 000 MW, според проучване от 2009 г. на Norwegian Renewable Energy Partners, е само 10% от икономически осъществимия и 6% от технически осъществимия водноелектрически капацитет. Потенциалът за привеждане на повече от технически осъществимите водноелектрически централи в сферата на икономически осъществимите се увеличава със способността на композитните компоненти да осигуряват икономия от мащаба.
Производство на композитни компоненти
За да се произведе тръбопроводът икономично и с постоянно висока якост, най-добрият метод е навиването с нишки. Голям дорник се обвива с влакнести снопове, прекарани през вана със смола. Влакнестите снопове се обвиват в пръстеновидни и спирални шарки, за да се създаде якост за вътрешно налягане, надлъжно огъване и обработка. Разделът с резултатите по-долу показва разходите и теглото на фут за двата размера на тръбопроводите, базирани на оферта от местни доставчици. Офертата показва, че проектната дебелина е била обусловена от изискванията за монтаж и обработка, а не от относително ниското натоварване под налягане, и за двата случая тя е била 2,28 см.
За вратите за врати и преградните лопатки бяха разгледани два метода на производство: мокро полагане и вакуумна инфузия. Мокрото полагане използва суха тъкан, която се импрегнира чрез изливане на смола върху тъканта и използване на ролки за избутване на смолата в тъканта. Този процес не е толкова чист, колкото вакуумната инфузия и не винаги води до най-оптимизираната структура по отношение на съотношението влакна към смола, но отнема по-малко време от процеса на вакуумна инфузия. Вакуумната инфузия полага сухите влакна в правилната ориентация, след което сухият стек се вакуумира и се прикрепят допълнителни фитинги, които водят до подаване на смола, която се засмуква в детайла, когато се прилага вакуум. Вакуумът помага за поддържане на количеството смола на оптимално ниво и намалява отделянето на летливи органични вещества.
Корпусът на спиралата ще бъде ръчно наслоен на две отделни половини върху мъжка матрица, за да се осигури гладка вътрешна повърхност. След това тези две половини ще бъдат свързани заедно с добавени фибри отвън в точката на свързване, за да се осигури адекватна здравина. Натоварването под налягане в корпуса на спиралата не изисква високоякостен усъвършенстван композит, така че ще бъде достатъчно мокро наслояване на фибростъкло с епоксидна смола. Дебелината на корпуса на спиралата е базирана на същия конструктивен параметър като тръбопровода. 250-киловатовият агрегат е машина с аксиален поток, така че няма корпус на спирала.
Турбинното работно колело съчетава сложна геометрия с високи изисквания за натоварване. Последните изследвания показват, че високоякостни структурни компоненти могат да бъдат произведени от нарязан препрег SMC с отлична якост и твърдост.5 Окачващото рамо на Lamborghini Gallardo е проектирано с помощта на множество слоеве от нарязан препрег SMC, известен като кован композит, компресионно формован, за да се получи необходимата дебелина. Същият метод може да се приложи към роторите на Франсис и витлото. Роторът на Франсис не може да бъде направен като едно цяло, тъй като сложността на припокриването на лопатките би попречила на детайла да бъде изваден от формата. По този начин лопатките на роторното колело, короната и лентата се произвеждат отделно и след това се свързват заедно и се подсилват с болтове през външната страна на короната и лентата.
Въпреки че тръбата за изтегляне се произвежда най-лесно чрез навиване с нишки, този процес не е комерсиализиран с използване на естествени влакна. Поради това е избрано ръчно нанасяне, тъй като това е стандартен метод на производство, въпреки по-високите разходи за труд. Използвайки мъжка матрица, подобна на дорник, нанасянето може да се извърши с хоризонтално положение на матрицата и след това да се обърне вертикално, за да се втвърди, предотвратявайки провисване от едната страна. Теглото на композитните части ще варира леко в зависимост от количеството смола в готовата част. Тези числа са базирани на 50% тегло на влакната.
Общото тегло на стоманената и композитната 2-MW турбина е съответно 9 888 кг и 7 016 кг. Стоманените и композитните турбини с мощност 250 kW са съответно 3 734 кг и 1 927 кг. Общите стойности предполагат 20 уикетни шибъра за всяка турбина и дължина на тръбопровода, равна на главата на турбината. Вероятно тръбопроводът ще бъде по-дълъг и ще изисква фитинги, но това число дава основна оценка за теглото на агрегата и свързаните с него периферни устройства. Генераторът, болтовете и задвижващите механизми на шибъра не са включени и се приема, че са сходни между композитните и стоманените агрегати. Също така си струва да се отбележи, че препроектирането на работното колело, необходимо за отчитане на концентрациите на напрежения, наблюдавани при FEA, би добавило тегло към композитните агрегати, но количеството се приема за минимално, от порядъка на 5 кг за укрепване на точки с концентрация на напрежения.
С дадените тегла, 2-мегаватовата композитна турбина и нейният тръбопровод биха могли да бъдат повдигнати от бързия V-22 Osprey, докато стоманената машина би изисквала по-бавен и по-малко маневрен хеликоптер Chinook с два ротора. Също така, 2-мегаватовата композитна турбина и нейният тръбопровод биха могли да бъдат теглени от F-250 4×4, докато стоманената единица би изисквала по-голям камион, който би бил труден за маневриране по горски пътища, ако инсталацията е отдалечена.
Заключения
Възможно е да се конструират турбини от композитни материали и е наблюдавано намаление на теглото от 50% до 70% в сравнение с конвенционалните стоманени компоненти. Намаленото тегло може да позволи инсталирането на композитни турбини на отдалечени места. Освен това, сглобяването на тези композитни конструкции не изисква заваръчно оборудване. Компонентите също така изискват по-малко части за завинтване, тъй като всяка част може да бъде изработена от една или две секции. При малките производствени серии, моделирани в това проучване, цената на матриците и другите инструменти доминира в цената на компонентите.
Малките серии, посочени тук, показват колко би струвало започването на по-нататъшни изследвания на тези материали. Това изследване може да се справи с кавитационната ерозия и UV защитата на компонентите след монтажа. Възможно е да се използват еластомерни или керамични покрития, за да се намали кавитацията или да се гарантира, че турбината работи в режими на поток и напор, които предотвратяват появата на кавитация. Ще бъде важно да се тестват и разрешат тези и други проблеми, за да се гарантира, че агрегатите могат да постигнат подобна надеждност на стоманените турбини, особено ако ще бъдат инсталирани в райони, където поддръжката ще бъде рядка.
Дори при тези малки серии, някои композитни компоненти могат да бъдат рентабилни поради намаления труд, необходим за производството. Например, заваряването на спирален корпус за 2-мегаватовия блок Francis от стомана би струвало 80 000 долара, в сравнение с 25 000 долара за производство от композитни материали. Въпреки това, ако приемем успешно проектиране на турбинни работни колела, цената за формоване на композитните работни колела е по-висока от тази на еквивалентните стоманени компоненти. Производството на 2-мегаватовото работно колело от стомана би струвало около 23 000 долара, в сравнение с 27 000 долара за производство от композит. Цените могат да варират в зависимост от машината. А цената на композитните компоненти би намаляла значително при по-големи производствени серии, ако формите можеха да се използват повторно.
Изследователите вече са изследвали конструкцията на турбинните работни колела от композитни материали.8 Това проучване обаче не е разгледало кавитационната ерозия и осъществимостта на конструкцията. Следващата стъпка за композитните турбини е проектирането и изграждането на мащабен модел, който ще позволи доказване на осъществимостта и икономичността на производството. След това този модул може да бъде тестван, за да се определи ефективността и приложимостта, както и методите за предотвратяване на прекомерната кавитационна ерозия.
Време на публикуване: 15 февруари 2022 г.
