Kompozitni materijali sve su popularniji u konstrukciji opreme za hidroelektrane. Istraživanje čvrstoće materijala i drugih kriterija otkriva mnogo više primjena, posebno za male i mikro jedinice.
Ovaj članak je ocijenjen i uređen u skladu s recenzijama koje su provela dva ili više stručnjaka koji posjeduju relevantno iskustvo. Ovi recenzenti ocjenjuju rukopise na osnovu tehničke tačnosti, korisnosti i ukupnog značaja u hidroenergetskoj industriji.
Pojava novih materijala pruža uzbudljive mogućnosti za hidroenergetsku industriju. Drvo - korišteno u originalnim vodenim kotačima i cjevovodima - djelimično je zamijenjeno čeličnim komponentama početkom 19. stoljeća. Čelik zadržava svoju čvrstoću kroz velika opterećenja usljed zamora i otporan je na kavitacijsku eroziju i koroziju. Njegova svojstva su dobro shvaćena, a procesi za proizvodnju komponenti su dobro razvijeni. Za velike jedinice, čelik će vjerovatno ostati materijal izbora.
Međutim, s obzirom na porast upotrebe malih (ispod 10 MW) do mikroturbina (ispod 100 kW), kompozitni materijali se mogu koristiti za uštedu na težini i smanjenje troškova proizvodnje i utjecaja na okoliš. Ovo je posebno relevantno s obzirom na kontinuiranu potrebu za rastom opskrbe električnom energijom. Instalirani svjetski hidroenergetski kapacitet, gotovo 800.000 MW prema studiji Norwegian Renewable Energy Partners iz 2009. godine, iznosi samo 10% ekonomski isplativog i 6% tehnički isplativog hidroenergetskog kapaciteta. Potencijal da se više tehnički isplativog hidroenergetskog kapaciteta dovede u domen ekonomski isplativog povećava se sa sposobnošću kompozitnih komponenti da obezbijede ekonomiju obima.
Proizvodnja kompozitnih komponenti
Za ekonomičnu proizvodnju cjevovoda s konzistentno visokom čvrstoćom, najbolja metoda je namotavanje niti. Veliki trn je omotan vučnim nitima vlakana koja su provučena kroz kupku od smole. Vučne niti su omotane u obručne i spiralne uzorke kako bi se stvorila čvrstoća na unutrašnji pritisak, uzdužno savijanje i rukovanje. Odjeljak s rezultatima u nastavku prikazuje cijenu i težinu po stopi za dvije veličine cjevovoda, na osnovu ponude lokalnih dobavljača. Ponuda je pokazala da je debljina dizajna bila vođena zahtjevima za instalaciju i rukovanje, a ne relativno niskim opterećenjem pritiskom, te je za obje iznosila 2,28 cm.
Za kapije i zaštitne krilca razmatrane su dvije metode proizvodnje: mokro slaganje i vakuumska infuzija. Mokro slaganje koristi suhu tkaninu, koja se impregnira izlijevanjem smole preko tkanine i korištenjem valjaka za utiskivanje smole u tkaninu. Ovaj proces nije tako čist kao vakuumska infuzija i ne proizvodi uvijek najoptimalniju strukturu u smislu odnosa vlakana i smole, ali traje kraće od procesa vakuumske infuzije. Vakuumska infuzija slaže suha vlakna u ispravne orijentacije, a suhi sloj se zatim vakuumski pakuje u vreće i pričvršćuju se dodatni spojevi koji vode do dovoda smole, koja se uvlači u dio kada se primijeni vakuum. Vakuum pomaže u održavanju količine smole na optimalnom nivou i smanjuje oslobađanje isparljivih organskih materija.
Spiralno kućište će se ručno slagati u dvije odvojene polovice na muškom kalupu kako bi se osigurala glatka unutrašnja površina. Ove dvije polovine će zatim biti spojene vlaknima dodanim na vanjsku stranu na mjestu spajanja kako bi se osigurala odgovarajuća čvrstoća. Opterećenje pritiskom u spiralnom kućištu ne zahtijeva napredni kompozit visoke čvrstoće, tako da će biti dovoljno mokro slaganje tkanine od fiberglasa s epoksidnom smolom. Debljina spiralnog kućišta zasnovana je na istim parametrima dizajna kao i cjevovod. Jedinica od 250 kW je aksijalni protočni stroj, tako da nema spiralnog kućišta.
Rotor turbine kombinuje složenu geometriju sa visokim zahtjevima za opterećenje. Nedavni rad je pokazao da se visokočvrste strukturne komponente mogu proizvesti od sjeckanog preprega SMC sa odličnom čvrstoćom i krutošću.5 Vijak ovjesa Lamborghini Gallarda dizajniran je korištenjem više slojeva sjeckanog preprega SMC poznatog kao kovani kompozit, kompresijski oblikovanih kako bi se dobila potrebna debljina. Ista metoda se može primijeniti na Francisov rotor i rotor propelera. Francisov rotor se ne može napraviti kao jedna jedinica, jer bi složenost preklapanja lopatica spriječila vađenje dijela iz kalupa. Stoga se lopatice rotora, kruna i traka proizvode odvojeno, a zatim se spajaju i ojačavaju vijcima kroz vanjsku stranu krune i trake.
Iako se cijev za odvod vode najlakše proizvodi namotavanjem niti, ovaj proces nije komercijaliziran korištenjem prirodnih vlakana. Stoga je odabrano ručno slaganje, jer je to standardna metoda proizvodnje, uprkos višim troškovima rada. Korištenjem muškog kalupa sličnog trnu, slaganje se može završiti s kalupom u horizontalnom položaju, a zatim okrenuti vertikalno da se stvrdne, sprječavajući progib na jednoj strani. Težina kompozitnih dijelova će se neznatno razlikovati ovisno o količini smole u gotovom dijelu. Ovi brojevi se zasnivaju na 50% težine vlakana.
Ukupna težina čelične i kompozitne turbine od 2 MW iznosi 9.888 kg, odnosno 7.016 kg. Čelične i kompozitne turbine od 250 kW teže 3.734 kg, odnosno 1.927 kg. Ukupne težine pretpostavljaju 20 vrata za svaku turbinu i dužinu cjevovoda jednaku glavi turbine. Vjerovatno je da bi cjevovod bio duži i zahtijevao armature, ali ovaj broj daje osnovnu procjenu težine jedinice i pripadajuće periferne opreme. Generator, vijci i hardver za aktiviranje vrata nisu uključeni i pretpostavlja se da su slični kod kompozitnih i čeličnih jedinica. Također vrijedi napomenuti da bi redizajn rotora potreban za uzimanje u obzir koncentracija napona uočenih u FEA analizi dodao težinu kompozitnim jedinicama, ali se pretpostavlja da je ta količina minimalna, reda veličine 5 kg za ojačanje tačaka s koncentracijom napona.
S datim težinama, kompozitnu turbinu od 2 MW i njen cjevovod mogao bi podići brzi V-22 Osprey, dok bi za čeličnu mašinu bio potreban sporiji, manje upravljiv helikopter Chinook s dva rotora. Također, kompozitnu turbinu od 2 MW i cjevovod mogao bi vući F-250 4×4, dok bi za čeličnu jedinicu bio potreban veći kamion kojim bi bilo teško manevrirati šumskim putevima ako bi instalacija bila udaljena.
Zaključci
Izvodljivo je konstruirati turbine od kompozitnih materijala, a uočeno je smanjenje težine od 50% do 70% u poređenju s konvencionalnim čeličnim komponentama. Smanjena težina omogućava ugradnju kompozitnih turbina na udaljenim lokacijama. Osim toga, za sastavljanje ovih kompozitnih struktura nije potrebna oprema za zavarivanje. Komponente također zahtijevaju manje dijelova za spajanje vijcima, jer se svaki komad može napraviti u jednom ili dva dijela. Pri malim proizvodnim serijama modeliranim u ovoj studiji, troškovi kalupa i ostalog alata dominiraju troškovima komponenti.
Mali projekti prikazani ovdje pokazuju koliko bi koštalo započeti daljnja istraživanja ovih materijala. Ovo istraživanje može se pozabaviti erozijom usljed kavitacije i UV zaštitom komponenti nakon instalacije. Moguće je koristiti elastomerne ili keramičke premaze kako bi se smanjila kavitacija ili osiguralo da turbina radi u režimima protoka i pritiska koji sprječavaju pojavu kavitacije. Bit će važno testirati i riješiti ova i druga pitanja kako bi se osiguralo da jedinice mogu postići sličnu pouzdanost kao čelične turbine, posebno ako će se instalirati u područjima gdje će održavanje biti rijetko.
Čak i pri ovim malim serijama, neke kompozitne komponente mogu biti isplative zbog smanjenog rada potrebnog za proizvodnju. Na primjer, zavarivanje kućišta spiralne cijevi za Francisovu jedinicu od 2 MW koštalo bi 80.000 dolara od čelika u poređenju sa 25.000 dolara za proizvodnju od kompozita. Međutim, pod pretpostavkom uspješnog dizajna rotora turbine, trošak oblikovanja kompozitnih rotora je veći od troškova oblikovanja ekvivalentnih čeličnih komponenti. Rotor od 2 MW koštao bi oko 23.000 dolara za proizvodnju od čelika, u poređenju sa 27.000 dolara za proizvodnju od kompozita. Troškovi se mogu razlikovati u zavisnosti od mašine. A trošak kompozitnih komponenti bi znatno opao pri većim proizvodnim serijama ako bi se kalupi mogli ponovo koristiti.
Istraživači su već istraživali konstrukciju rotora turbina od kompozitnih materijala.8 Međutim, ova studija nije se bavila kavitacijskom erozijom i izvodljivošću konstrukcije. Sljedeći korak za kompozitne turbine je projektovanje i izgradnja modela u mjerilu koji će omogućiti dokaz izvodljivosti i ekonomičnosti proizvodnje. Ova jedinica se zatim može testirati kako bi se utvrdila efikasnost i primjenjivost, kao i metode za sprječavanje prekomjerne kavitacijske erozije.
Vrijeme objave: 15. februar 2022.
