Kompositmaterialer vinder frem i konstruktionen af udstyr til vandkraftindustrien. En undersøgelse af materialestyrke og andre kriterier afslører mange flere anvendelser, især til små og mikroenheder.
Denne artikel er blevet evalueret og redigeret i overensstemmelse med anmeldelser udført af to eller flere fagfolk med relevant ekspertise. Disse fagfællebedømmere bedømmer manuskripter for teknisk nøjagtighed, anvendelighed og generel betydning inden for vandkraftindustrien.
Fremkomsten af nye materialer giver spændende muligheder for vandkraftindustrien. Træ – der blev brugt i de oprindelige vandhjul og rørledninger – blev delvist erstattet af stålkomponenter i begyndelsen af 1800-tallet. Stål bevarer sin styrke gennem høj udmattelsesbelastning og modstår kavitationserosion og korrosion. Dets egenskaber er velkendte, og processerne til komponentfremstilling er veludviklede. Til store enheder vil stål sandsynligvis forblive det foretrukne materiale.
Men i betragtning af fremkomsten af små (under 10 MW) til mikrostore (under 100 kW) turbiner kan kompositmaterialer bruges til at spare vægt og reducere produktionsomkostninger og miljøpåvirkning. Dette er især relevant i betragtning af det fortsatte behov for vækst i elforsyningen. Den installerede globale vandkraftkapacitet, næsten 800.000 MW ifølge en undersøgelse fra 2009 foretaget af Norwegian Renewable Energy Partners, er kun 10 % af den økonomisk rentable og 6 % af den teknisk rentable vandkraft. Potentialet for at bringe mere af den teknisk rentable vandkraft ind i det økonomisk rentable område stiger med kompositkomponenters evne til at give stordriftsfordele.
Fremstilling af kompositkomponenter
For at fremstille rørledningen økonomisk og med ensartet høj styrke er den bedste metode filamentvikling. En stor dorn vikles med fiberbånd, der er ført gennem et harpiksbad. Fiberbåndene vikles i ring- og spiralformede mønstre for at skabe styrke til internt tryk, langsgående bøjning og håndtering. Resultatafsnittet nedenfor viser omkostningerne og vægten pr. fod for de to rørledningsstørrelser, baseret på et tilbud fra lokale leverandører. Tilbuddet viste, at designtykkelsen var drevet af installations- og håndteringskrav snarere end den relativt lave trykbelastning, og for begge var den 2,28 cm.
To fremstillingsmetoder blev overvejet til låger og staglameller; vådoplægning og vakuuminfusion. Vådoplægning bruger tørt stof, som imprægneres ved at hælde harpiks over stoffet og bruge valser til at skubbe harpiksen ind i stoffet. Denne proces er ikke så ren som vakuuminfusion og producerer ikke altid den mest optimerede struktur med hensyn til fiber-til-harpiks-forholdet, men den tager kortere tid end vakuuminfusionsprocessen. Vakuuminfusion lægger tørre fibre op i de korrekte retninger, og den tørre stak vakuumposes derefter, og ekstra fittings fastgøres, der fører til en harpikstilførsel, som trækkes ind i delen, når vakuumet påføres. Vakuumet hjælper med at opretholde mængden af harpiks på et optimalt niveau og reducerer frigivelsen af flygtige organiske stoffer.
Scrollhuset vil blive oplagt manuelt i to separate halvdele på en hanform for at sikre en glat indvendig overflade. Disse to halvdele vil derefter blive bundet sammen med fibre tilsat ydersiden ved bindingspunktet for at sikre tilstrækkelig styrke. Trykbelastningen i scrollhuset kræver ikke en avanceret komposit med høj styrke, så en våd oplægning af glasfiberstof med en epoxyharpiks vil være tilstrækkelig. Scrollhusets tykkelse var baseret på samme designparameter som rørledningen. 250 kW-enheden er en aksialstrømningsmaskine, så der er intet scrollhus.
En turbineløber kombinerer en kompleks geometri med høje belastningskrav. Nyere arbejde har vist, at strukturelle komponenter med høj styrke kan fremstilles af et hakket prepreg SMC med fremragende styrke og stivhed.5 Bærearmen på Lamborghini Gallardo blev designet ved hjælp af flere lag af et hakket prepreg SMC, kendt som en smedet komposit, som blev kompressionsstøbt for at producere den nødvendige tykkelse. Den samme metode kan anvendes på Francis- og propelløberne. Francis-løberen kan ikke fremstilles som én enhed, da kompleksiteten af bladoverlapningen ville forhindre delen i at blive fjernet fra formen. Løbebladene, kronen og båndet fremstilles derfor separat og limes derefter sammen og forstærkes med bolte gennem ydersiden af kronen og båndet.
Selvom trækrøret nemmest fremstilles ved hjælp af filamentvikling, er denne proces ikke blevet kommercialiseret med naturlige fibre. Derfor blev manuel oplægning valgt, da dette er standardfremstillingsmetode på trods af de højere lønomkostninger. Ved hjælp af en hanform, der ligner en dorn, kan oplægningen udføres med formen vandret og derefter drejes lodret for at hærde, hvilket forhindrer nedbøjning på den ene side. Vægten af kompositdelene vil variere lidt afhængigt af mængden af harpiks i den færdige del. Disse tal er baseret på 50% fibervægt.
Den samlede vægt for stål- og kompositturbinen på 2 MW er henholdsvis 9.888 kg og 7.016 kg. Stål- og kompositturbinerne på 250 kW vejer henholdsvis 3.734 kg og 1.927 kg. Totalerne forudsætter 20 låger til hver turbine og en længde på mølleporten svarende til turbinens top. Det er sandsynligt, at mølleporten vil være længere og kræve beslag, men dette tal giver et grundlæggende estimat af enhedens vægt og tilhørende periferiudstyr. Generator, bolte og portaktiveringshardware er ikke inkluderet og antages at være ens for komposit- og stålenhederne. Det er også værd at bemærke, at den redesign af løberøret, der kræves for at tage højde for spændingskoncentrationer set i FEA'en, ville tilføje vægt til kompositenhederne, men mængden antages at være minimal, i størrelsesordenen 5 kg for at forstærke punkter med spændingskoncentration.
Med de givne vægte kunne 2-MW kompositturbinen og dens pumpehus løftes af den hurtige V-22 Osprey, hvorimod stålmaskinen ville kræve en langsommere og mindre manøvredygtig Chinook-helikopter med to rotorer. Derudover kunne 2-MW kompositturbinen og pumpehuset trækkes af en F-250 4×4, hvorimod stålenheden ville kræve en større lastbil, der ville være vanskelig at manøvrere på skovveje, hvis installationen var afsidesliggende.
Konklusioner
Det er muligt at konstruere turbiner af kompositmaterialer, og der blev observeret en vægtreduktion på 50 % til 70 % sammenlignet med konventionelle stålkomponenter. Den reducerede vægt kan tillade installation af kompositturbiner på fjerntliggende steder. Derudover kræver samling af disse kompositstrukturer ikke svejseudstyr. Komponenterne kræver også færre dele, der skal boltes sammen, da hvert stykke kan fremstilles i en eller to sektioner. Ved de små produktionsserier, der er modelleret i denne undersøgelse, dominerer omkostningerne til forme og andet værktøj komponentomkostningerne.
De små serier, der er angivet her, viser, hvad det ville koste at påbegynde yderligere forskning i disse materialer. Denne forskning kan omhandle kavitationserosion og UV-beskyttelse af komponenterne efter installation. Det kan være muligt at bruge elastomer- eller keramiske belægninger til at reducere kavitation eller sikre, at turbinen kører i de flow- og trykområder, der forhindrer kavitation. Det vil være vigtigt at teste og løse disse og andre problemer for at sikre, at enhederne kan opnå lignende pålidelighed som stålturbiner, især hvis de skal installeres i områder, hvor vedligeholdelse vil være sjælden.
Selv ved disse små serier kan nogle kompositkomponenter være omkostningseffektive på grund af den reducerede arbejdskraft, der kræves til fremstilling. For eksempel ville et spiralhus til 2-MW Francis-enheden koste 80.000 dollars at blive svejset af stål sammenlignet med 25.000 dollars for kompositfremstilling. Men hvis man antager et vellykket design af turbineløbere, er omkostningerne til støbning af kompositløberne mere end tilsvarende stålkomponenter. 2-MW-løberen ville koste omkring 23.000 dollars at fremstille af stål sammenlignet med 27.000 dollars for komposit. Omkostningerne kan variere afhængigt af maskinen. Og omkostningerne til kompositkomponenter ville falde betydeligt ved højere produktionsserier, hvis forme kunne genbruges.
Forskere har allerede undersøgt konstruktionen af turbineløbehjul af kompositmaterialer.8 Denne undersøgelse omhandlede dog ikke kavitationserosion og konstruktionens gennemførlighed. Det næste skridt for kompositturbiner er at designe og bygge en skalamodel, der vil muliggøre bevis for gennemførlighed og produktionsøkonomi. Denne enhed kan derefter testes for at bestemme effektivitet og anvendelighed, samt metoder til at forhindre overdreven kavitationserosion.
Opslagstidspunkt: 15. feb. 2022
