Verbundwerkstoffe erobern den Bau von Ausrüstungen für die Wasserkraftindustrie.Eine Untersuchung der Materialfestigkeit und anderer Kriterien offenbart viele weitere Anwendungen, insbesondere für Klein- und Kleinstgeräte.
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Der Aufstieg neuer Materialien bietet aufregende Möglichkeiten für die Wasserkraftindustrie.Holz – das in den ursprünglichen Wasserrädern und Druckrohren verwendet wurde – wurde Anfang des 19. Jahrhunderts teilweise durch Stahlkomponenten ersetzt.Stahl behält seine Festigkeit bei hoher Ermüdungsbelastung und widersteht Kavitationserosion und Korrosion.Seine Eigenschaften sind gut bekannt und die Prozesse zur Herstellung von Komponenten sind weit entwickelt.Für große Einheiten wird Stahl wahrscheinlich das Material der Wahl bleiben.
Angesichts des Aufstiegs von kleinen (unter 10 MW) zu Mikroturbinen (unter 100 kW) können Verbundwerkstoffe jedoch verwendet werden, um Gewicht zu sparen und die Herstellungskosten und die Umweltbelastung zu reduzieren.Dies ist besonders relevant angesichts des anhaltenden Wachstumsbedarfs bei der Stromversorgung.Die weltweit installierte Wasserkraftkapazität, fast 800.000 MW laut einer Studie von Norwegian Renewable Energy Partners aus dem Jahr 2009, beträgt nur 10 % der wirtschaftlich machbaren und 6 % der technisch machbaren Wasserkraft.Das Potenzial, mehr von der technisch machbaren Wasserkraft in den Bereich der wirtschaftlich machbaren zu bringen, steigt mit der Fähigkeit von Verbundkomponenten, Skaleneffekte zu erzielen.
Herstellung von Verbundkomponenten
Um den Schieber wirtschaftlich und mit gleichbleibend hoher Festigkeit herzustellen, ist das Filament Winding das beste Verfahren.Ein großer Dorn wird mit Faserkabeln umwickelt, die durch ein Harzbad geführt wurden.Die Kabel sind in Reifen- und Spiralmustern gewickelt, um Festigkeit für Innendruck, Längsbiegung und Handhabung zu schaffen.Der Ergebnisabschnitt unten zeigt die Kosten und das Gewicht pro Fuß für die beiden Druckrohrgrößen, basierend auf einem Angebot von lokalen Lieferanten.Das Angebot zeigte, dass die Konstruktionsdicke eher von den Installations- und Handhabungsanforderungen als von der relativ geringen Druckbelastung bestimmt wurde und für beide 2,28 cm betrug.
Für die Schlupftüren und Halteflügel wurden zwei Herstellungsverfahren in Betracht gezogen;nasses Layup und Vakuuminfusion.Beim Nasslaminieren wird trockenes Gewebe verwendet, das imprägniert wird, indem Harz über das Gewebe gegossen wird und das Harz mithilfe von Walzen in das Gewebe gedrückt wird.Dieses Verfahren ist nicht so sauber wie die Vakuuminfusion und erzeugt nicht immer die optimalste Struktur in Bezug auf das Faser-Harz-Verhältnis, aber es dauert weniger Zeit als das Vakuuminfusionsverfahren.Die Vakuuminfusion legt trockene Fasern in den richtigen Ausrichtungen auf, und der trockene Stapel wird dann vakuumverpackt und zusätzliche Fittings werden angebracht, die zu einer Harzversorgung führen, die in das Teil gezogen wird, wenn das Vakuum angelegt wird.Das Vakuum trägt dazu bei, die Harzmenge auf einem optimalen Niveau zu halten und die Freisetzung von flüchtigen organischen Stoffen zu reduzieren.
Das Rollgehäuse wird von Hand in zwei getrennte Hälften auf einer männlichen Form gelegt, um eine glatte Innenfläche zu gewährleisten.Diese beiden Hälften werden dann miteinander verbunden, wobei Fasern an der Außenseite am Verbindungspunkt hinzugefügt werden, um eine angemessene Festigkeit sicherzustellen.Die Druckbelastung im Spiralgehäuse erfordert keinen hochfesten fortschrittlichen Verbundwerkstoff, sodass eine nasse Laminierung von Glasfasergewebe mit einem Epoxidharz ausreicht.Die Dicke des Spiralgehäuses basierte auf denselben Konstruktionsparametern wie die Druckrohrleitung.Die 250-kW-Einheit ist eine Axialströmungsmaschine, daher gibt es kein Spiralgehäuse.
Ein Turbinenlaufrad verbindet eine komplexe Geometrie mit hohen Belastungsanforderungen.Jüngste Arbeiten haben gezeigt, dass hochfeste Strukturkomponenten aus geschnittenem Prepreg-SMC mit ausgezeichneter Festigkeit und Steifigkeit hergestellt werden können.5 Der Querlenker des Lamborghini Gallardo wurde unter Verwendung mehrerer Schichten eines geschnittenen Prepreg-SMC konstruiert, das als geschmiedeter Verbundstoff bekannt ist und formgepresst wird um die gewünschte Dicke herzustellen.Das gleiche Verfahren kann auf die Francis- und Propellerläufer angewendet werden.Der Francis-Läufer kann nicht als eine Einheit hergestellt werden, da die Komplexität der Schaufelüberlappung verhindern würde, dass das Teil aus der Form entnommen wird.Somit werden die Laufschaufeln, der Kranz und das Band separat hergestellt und dann miteinander verbunden und mit Bolzen durch die Außenseite des Kranzes und des Bandes verstärkt.
Während das Saugrohr am einfachsten durch Filamentwickeln hergestellt wird, wurde dieses Verfahren unter Verwendung von Naturfasern nicht kommerzialisiert.Daher wurde das Handlaminieren gewählt, da dies trotz der höheren Arbeitskosten ein Standardherstellungsverfahren ist.Unter Verwendung einer männlichen Form ähnlich einem Dorn kann der Aufbau mit der Form horizontal abgeschlossen und dann zum Aushärten vertikal gedreht werden, wodurch ein Durchhängen auf einer Seite verhindert wird.Das Gewicht der Verbundteile variiert geringfügig je nach Harzmenge im fertigen Teil.Diese Zahlen basieren auf 50 % Fasergewicht.
Die Gesamtgewichte für die 2-MW-Turbine aus Stahl und Verbundwerkstoff betragen 9.888 kg bzw. 7.016 kg.Die 250-kW-Stahl- und Verbundturbinen wiegen 3.734 kg bzw. 1.927 kg.Die Summen gehen von 20 Leittoren für jede Turbine und einer Druckleitungslänge gleich dem Kopf der Turbine aus.Es ist wahrscheinlich, dass die Druckrohrleitung länger wäre und Anschlussstücke erfordern würde, aber diese Zahl gibt eine grundlegende Schätzung des Gewichts der Einheit und der zugehörigen Peripheriegeräte an.Der Generator, die Bolzen und die Torbetätigungs-Hardware sind nicht enthalten und es wird davon ausgegangen, dass sie zwischen den Verbund- und Stahleinheiten ähnlich sind.Es ist auch erwähnenswert, dass die zur Berücksichtigung der in der FEA festgestellten Spannungskonzentrationen erforderliche Umgestaltung des Läufers das Gewicht der Verbundeinheiten erhöhen würde, aber die Menge wird als minimal angenommen, in der Größenordnung von 5 kg, um Punkte mit Spannungskonzentration zu verstärken
Mit den gegebenen Gewichten könnte die 2-MW-Composite-Turbine und ihre Druckleitung von der schnellen V-22 Osprey angehoben werden, während die Stahlmaschine einen langsameren, weniger wendigen Chinook-Zweirotorhubschrauber erfordern würde.Außerdem könnten die 2-MW-Verbundturbine und die Druckleitung von einem F-250 4 × 4 gezogen werden, während die Stahleinheit einen größeren Lastwagen erfordern würde, der auf Waldstraßen schwer zu manövrieren wäre, wenn die Installation abgelegen wäre.
Schlussfolgerungen
Es ist möglich, Turbinen aus Verbundwerkstoffen zu konstruieren, und im Vergleich zu herkömmlichen Stahlkomponenten wurde eine Gewichtsreduzierung von 50 % bis 70 % festgestellt.Das reduzierte Gewicht kann es ermöglichen, Verbundturbinen an abgelegenen Orten zu installieren.Außerdem erfordert der Zusammenbau dieser Verbundstrukturen keine Schweißausrüstung.Die Komponenten erfordern auch weniger Teile, die miteinander verschraubt werden müssen, da jedes Teil in einem oder zwei Abschnitten hergestellt werden kann.Bei den in dieser Studie modellierten kleinen Produktionsläufen dominieren die Kosten für die Formen und andere Werkzeuge die Komponentenkosten.
Die hier angegebenen Kleinserien zeigen, was es kosten würde, weitere Forschungen zu diesen Materialien zu beginnen.Diese Forschung kann sich mit Kavitationserosion und UV-Schutz der Komponenten nach der Installation befassen.Es kann möglich sein, Elastomer- oder Keramikbeschichtungen zu verwenden, um die Kavitation zu reduzieren oder sicherzustellen, dass die Turbine in den Strömungs- und Druckbereichen läuft, die das Auftreten von Kavitation verhindern.Es ist wichtig, diese und andere Probleme zu testen und zu lösen, um sicherzustellen, dass die Einheiten eine ähnliche Zuverlässigkeit wie Stahlturbinen erreichen können, insbesondere wenn sie in Bereichen installiert werden sollen, in denen die Wartung selten ist.
Selbst bei diesen kleinen Auflagen können einige Verbundwerkstoffkomponenten aufgrund des geringeren Arbeitsaufwands für die Herstellung kostengünstig sein.Beispielsweise würde das Schweißen eines Spiralgehäuses für die 2-MW-Francis-Einheit aus Stahl 80.000 USD kosten, verglichen mit 25.000 USD für die Herstellung von Verbundwerkstoffen.Geht man jedoch von einer erfolgreichen Konstruktion von Turbinenlaufrädern aus, sind die Kosten für das Formen der Verbundlaufräder höher als für äquivalente Stahlkomponenten.Die Herstellung des 2-MW-Laufrads aus Stahl würde etwa 23.000 US-Dollar kosten, verglichen mit 27.000 US-Dollar aus Verbundwerkstoff.Die Kosten können je nach Maschine variieren.Und die Kosten für Verbundbauteile würden bei höheren Stückzahlen erheblich sinken, wenn Formen wiederverwendet werden könnten.
Forscher haben bereits den Bau von Turbinenlaufrädern aus Verbundwerkstoffen untersucht.8 Diese Studie befasste sich jedoch nicht mit Kavitationserosion und der Machbarkeit des Baus.Der nächste Schritt für Verbundturbinen besteht darin, ein maßstabsgetreues Modell zu entwerfen und zu bauen, das den Nachweis der Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit der Herstellung ermöglicht.Diese Einheit kann dann getestet werden, um Effizienz und Anwendbarkeit sowie Methoden zur Verhinderung übermäßiger Kavitationserosion zu bestimmen.
Postzeit: 15. Februar 2022
