I materiali cumposti stanu facendu incursioni in a custruzzione di l'attrezzature per l'industria idroelettrica. Un'indagine nantu à a resistenza di i materiali è altri criteri rivela assai più applicazioni, in particulare per e piccule è micro unità.
Questu articulu hè statu valutatu è editatu in cunfurmità cù e recensioni realizate da dui o più prufessiunali chì anu una cumpetenza pertinente. Quessi revisori pari ghjudicanu i manuscritti per a precisione tecnica, l'utilità è l'impurtanza generale in l'industria idroelettrica.
L'ascesa di novi materiali offre opportunità eccitanti per l'industria idroelettrica. U legnu - utilizatu in e rote idrauliche è e condotte forzate originali - hè statu rimpiazzatu in parte da cumpunenti in acciaio à l'iniziu di u 1800. L'acciaio mantene a so resistenza attraversu un altu caricu di fatica è resiste à l'erosione è a currusione per cavitazione. E so proprietà sò ben capite è i prucessi per a fabricazione di cumpunenti sò ben sviluppati. Per e grande unità, l'acciaio resterà probabilmente u materiale di scelta.
Tuttavia, datu l'aumentu di e turbine chjuche (sottu à 10 MW) à micro-dimensioni (sottu à 100 kW), i cumposti ponu esse aduprati per risparmià pesu è riduce i costi di fabricazione è l'impattu ambientale. Questu hè particularmente pertinente datu u bisognu cuntinuu di crescita di l'approvvigionamentu di elettricità. A capacità idroelettrica mundiale installata, quasi 800.000 MW secondu un studiu di u 2009 di Norwegian Renewable Energy Partners, hè solu u 10% di l'energia idroelettrica economicamente fattibile è u 6% di l'energia idroelettrica tecnicamente fattibile. U putenziale per purtà più di l'energia idroelettrica tecnicamente fattibile in u regnu di l'economicamente fattibile aumenta cù a capacità di i cumpunenti cumposti di furnisce ecunumie di scala.
Fabricazione di cumpunenti cumposti
Per fabricà a saracinesca ecunumicamente è cù una resistenza elevata consistente, u megliu metudu hè l'avvolgimentu di filamenti. Un grande mandrinu hè avvoltu cù fili di fibra chì sò stati fatti passà per un bagnu di resina. I fili sò avvolti in mudelli a cerchio è elicoidali per creà resistenza per a pressione interna, a flessione longitudinale è a manipolazione. A sezione di risultati sottu mostra u costu è u pesu per pede per e duie dimensioni di saracinesca, basatu annantu à un preventivu da i fornitori lucali. U preventivu hà dimustratu chì u spessore di cuncepimentu era guidatu da i requisiti d'installazione è di manipolazione, piuttostu chè da u caricu di pressione relativamente bassu, è per tramindui era 2,28 cm.
Dui metudi di fabricazione sò stati cunsiderati per i cancelli di wicket è e palette di tirante; layup umida è infusione à vuoto. A layup umida usa un tissutu seccu, chì hè impregnatu versendu resina sopra u tissutu è aduprendu rulli per spinghje a resina in u tissutu. Stu prucessu ùn hè micca cusì pulitu cum'è l'infusione à vuoto è ùn produce micca sempre a struttura più ottimizzata in termini di rapportu fibra-resina, ma ci vole menu tempu chè u prucessu di infusione à vuoto. L'infusione à vuoto mette a fibra secca in l'orientazioni currette, è a pila secca hè poi imballata à vuoto è sò attaccati raccordi supplementari chì portanu à una pruvista di resina, chì hè aspirata in a parte quandu u vuoto hè applicatu. U vuoto aiuta à mantene a quantità di resina à un livellu ottimale è riduce u rilasciu di composti organici volatili.
A cassa di spirale aduprerà una stratificazione manuale in duie metà separate nantu à un stampu maschile per assicurà una superficia interna liscia. Queste duie metà saranu poi ligate inseme cù fibre aghjunte à l'esternu à u puntu di ligame per assicurà una resistenza adeguata. U caricu di pressione in a cassa di spirale ùn richiede micca un cumpostu avanzatu d'alta resistenza, dunque una stratificazione umida di tela di fibra di vetru cù una resina epossidica serà sufficiente. U spessore di a cassa di spirale era basatu annantu à u listessu parametru di cuncepimentu cum'è a condotta forzata. L'unità di 250 kW hè una macchina à flussu assiale, dunque ùn ci hè micca cassa di spirale.
Una turbina combina una geometria cumplessa cù esigenze di carica elevate. Un travagliu recente hà dimustratu chì i cumpunenti strutturali d'alta resistenza ponu esse fabbricati da un SMC prepreg trinciatu cù una resistenza è una rigidità eccellenti.5 U bracciu di sospensione di a Lamborghini Gallardo hè statu cuncipitu utilizendu più strati di un SMC prepreg trinciatu cunnisciutu cum'è cumpostu forgiatu, stampatu per compressione per pruduce u spessore necessariu. U listessu metudu pò esse applicatu à e turbine Francis è à elica. A turbina Francis ùn pò esse fatta cum'è una sola unità, postu chì a cumplessità di a sovrapposizione di e pale impedisce à a parte di esse estratta da u stampo. Cusì, e pale di a turbina, a corona è a fascia sò fabbricate separatamente è poi unite inseme è rinforzate cù bulloni attraversu l'esternu di a corona è di a fascia.
Mentre chì u tubu di tiraggio hè più faciule da fabricà aduprendu l'avvolgimentu di filamenti, stu prucessu ùn hè statu cummercializatu aduprendu fibre naturali. Cusì, hè stata scelta a layup manuale, postu chì questu hè u metudu standard di fabricazione, malgradu i costi di manodopera più elevati. Aduprendu un stampu maschile simile à un mandrinu, a layup pò esse cumpletata cù u stampu urizzuntale è poi girata verticale per indurisce, impedendu l'affundamentu da una parte. U pesu di e parti cumposite varierà ligeramente secondu a quantità di resina in a parte finita. Questi numeri sò basati nantu à u 50% di u pesu di e fibre.
I pesi tutali per a turbina in acciaio è cumposta di 2 MW sò rispettivamente 9.888 kg è 7.016 kg. E turbine in acciaio è cumposte di 250 kW sò rispettivamente 3.734 kg è 1.927 kg. I totali presumenu 20 saracinesche per ogni turbina è una lunghezza di a condotta forzata uguale à a testa di a turbina. Hè prubabile chì a condotta forzata sia più longa è necessiti raccordi, ma questu numeru dà una stima basica di u pesu di l'unità è di e periferiche associate. U generatore, i bulloni è l'hardware di attuazione di a saracinesca ùn sò micca inclusi è si presume chì sianu simili trà l'unità cumposte è in acciaio. Vale ancu a pena nutà chì a riprogettazione di u corridore necessaria per tene contu di e concentrazioni di stress viste in u FEA aghjunghjerebbe pesu à l'unità cumposte, ma si presume chì a quantità sia minima, di l'ordine di 5 kg per rinfurzà i punti cù a concentrazione di stress.
Cù i pesi dati, a turbina cumposta di 2 MW è a so condotta forzata puderanu esse alzate da u veloce V-22 Osprey, mentre chì a macchina in acciaio richiederebbe un elicotteru Chinook à dui rotori più lentu è menu manuvrabile. Inoltre, a turbina cumposta di 2 MW è a condotta forzata puderanu esse rimorchiate da un F-250 4×4, mentre chì l'unità in acciaio richiederebbe un camion più grande chì seria difficiule da manuvrà nantu à e strade forestali se l'installazione fussi remota.
Cunclusioni
Hè fattibile di custruisce turbine da materiali cumposti, è hè stata osservata una riduzione di pesu di 50% à 70% paragunata à i cumpunenti d'acciaiu cunvinziunali. U pesu riduttu pò permette di stallà turbine cumposte in lochi remoti. Inoltre, l'assemblea di queste strutture cumposte ùn richiede micca apparecchiature di saldatura. I cumpunenti richiedenu ancu menu pezzi da imbullonà inseme, postu chì ogni pezzu pò esse fattu in una o duie sezioni. À e piccule serie di pruduzzione modellate in questu studiu, u costu di i stampi è altri strumenti domina u costu di i cumpunenti.
I picculi cicli indicati quì mostranu ciò chì costerebbe per inizià ulteriori ricerche nantu à questi materiali. Sta ricerca pò trattà l'erosione da cavitazione è a prutezzione UV di i cumpunenti dopu l'installazione. Pò esse pussibule aduprà rivestimenti elastomerici o ceramici per riduce a cavitazione o assicurà chì a turbina funziona in i regimi di flussu è di testa chì impediscenu a cavitazione. Serà impurtante testà è risolve questi è altri prublemi per assicurà chì l'unità possinu ottene una affidabilità simile à e turbine in acciaio, soprattuttu s'elle devenu esse installate in zone induve a manutenzione serà pocu frequente.
Ancu in queste piccule serie, certi cumpunenti cumposti ponu esse rentabili per via di a diminuzione di a manodopera necessaria per a fabricazione. Per esempiu, una cassa di spirale per l'unità Francis di 2 MW costerebbe $ 80.000 per esse saldata da l'acciaio paragunatu à $ 25.000 per a fabricazione di cumposti. Tuttavia, supponendu una cuncepzione riescita di e turbine, u costu per u stampaggio di e turbine cumposte hè più altu di quellu di i cumpunenti in acciaio equivalenti. A turbina di 2 MW costerebbe circa $ 23.000 per esse fabbricata da l'acciaio, paragunatu à $ 27.000 da u cumpostu. I costi ponu varià secondu a macchina. È u costu di i cumpunenti cumposti calerebbe cunsiderabilmente à serie di pruduzzione più elevate se i stampi puderianu esse riutilizati.
I circadori anu digià investigatu a custruzzione di e turbine da materiali cumposti.8 Tuttavia, questu studiu ùn hà micca trattatu l'erosione per cavitazione è a fattibilità di a custruzzione. U prossimu passu per e turbine cumposte hè di cuncepisce è custruisce un mudellu in scala chì permetterà di pruvà a fattibilità è l'ecunumia di fabricazione. Questa unità pò esse tandu testata per determinà l'efficienza è l'applicabilità, è ancu i metudi per prevene l'erosione eccessiva per cavitazione.
Data di publicazione: 15 di ferraghju 2022
