Los materiales compuestos se están consolidando en la construcción de equipos para la industria hidroeléctrica. Una investigación sobre la resistencia de los materiales y otros criterios revela muchas más aplicaciones, en particular para unidades pequeñas y micro.
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El auge de nuevos materiales ofrece interesantes oportunidades para la industria hidroeléctrica. La madera, utilizada en las ruedas hidráulicas y tuberías forzadas originales, fue sustituida en parte por componentes de acero a principios del siglo XIX. El acero conserva su resistencia a altas cargas de fatiga y resiste la erosión por cavitación y la corrosión. Sus propiedades son bien conocidas y los procesos de fabricación de componentes están bien desarrollados. Para unidades de gran tamaño, es probable que el acero siga siendo el material predilecto.
Sin embargo, dado el auge de las turbinas pequeñas (de menos de 10 MW) a microturbinas (de menos de 100 kW), los compuestos pueden utilizarse para reducir el peso, los costes de fabricación y el impacto ambiental. Esto cobra especial relevancia dada la continua necesidad de crecimiento del suministro eléctrico. La capacidad hidroeléctrica mundial instalada, cercana a los 800.000 MW según un estudio de 2009 de Norwegian Renewable Energy Partners, representa tan solo el 10% de la energía hidroeléctrica económicamente viable y el 6% de la técnicamente viable. El potencial de convertir la energía hidroeléctrica técnicamente viable en económicamente viable aumenta con la capacidad de los componentes compuestos para generar economías de escala.
Fabricación de componentes compuestos
Para fabricar la tubería forzada de forma económica y con una resistencia alta y constante, el mejor método es el bobinado de filamentos. Un mandril grande se envuelve con cabos de fibra que se han sumergido en un baño de resina. Los cabos se envuelven en patrones de aro y helicoidales para aumentar la resistencia a la presión interna, la flexión longitudinal y la manipulación. La sección de resultados a continuación muestra el costo y el peso por pie para los dos tamaños de tubería forzada, según un presupuesto de proveedores locales. El presupuesto mostró que el espesor de diseño se debió a los requisitos de instalación y manipulación, más que a la carga de presión relativamente baja, y para ambos fue de 2,28 cm.
Se consideraron dos métodos de fabricación para las compuertas y los álabes de soporte: laminado húmedo e infusión al vacío. El laminado húmedo utiliza tela seca, que se impregna vertiendo resina sobre ella y utilizando rodillos para introducirla en ella. Este proceso no es tan limpio como la infusión al vacío y no siempre produce la estructura más óptima en cuanto a la relación fibra-resina, pero requiere menos tiempo. La infusión al vacío deposita la fibra seca en la orientación correcta. A continuación, la pila seca se envasa al vacío y se le instalan accesorios adicionales que conducen a un suministro de resina, que se introduce en la pieza al aplicar el vacío. El vacío ayuda a mantener la cantidad óptima de resina y reduce la liberación de compuestos orgánicos volátiles.
La caja espiral se fabricará mediante laminado manual en dos mitades separadas sobre un molde macho para garantizar una superficie interior lisa. Estas dos mitades se unirán posteriormente con fibra añadida al exterior en el punto de unión para garantizar la resistencia adecuada. La carga de presión en la caja espiral no requiere un compuesto avanzado de alta resistencia, por lo que un laminado húmedo de fibra de vidrio con resina epoxi será suficiente. El espesor de la caja espiral se basó en el mismo parámetro de diseño que la tubería forzada. La unidad de 250 kW es una máquina de flujo axial, por lo que no tiene caja espiral.
Un rodete de turbina combina una geometría compleja con requisitos de carga elevados. Estudios recientes han demostrado que se pueden fabricar componentes estructurales de alta resistencia a partir de un SMC preimpregnado troceado con excelente resistencia y rigidez.<sup>5</sup> El brazo de suspensión del Lamborghini Gallardo se diseñó utilizando múltiples capas de un SMC preimpregnado troceado, conocido como compuesto forjado, moldeado por compresión para alcanzar el espesor requerido. El mismo método se puede aplicar a los rodetes Francis y de la hélice. El rodete Francis no se puede fabricar como una sola unidad, ya que la complejidad del solapamiento de las palas impediría la extracción de la pieza del molde. Por lo tanto, las palas del rodete, la corona y la banda se fabrican por separado y luego se unen y refuerzan con pernos a través del exterior de la corona y la banda.
Si bien el tubo de aspiración se fabrica más fácilmente mediante el bobinado de filamentos, este proceso no se ha comercializado con fibras naturales. Por lo tanto, se optó por el laminado manual, ya que es el método estándar de fabricación, a pesar de los mayores costos de mano de obra. Utilizando un molde macho similar a un mandril, el laminado puede completarse con el molde horizontal y luego en posición vertical para el curado, evitando así el descuelgue en un lado. El peso de las piezas compuestas variará ligeramente según la cantidad de resina en la pieza terminada. Estas cifras se basan en un peso de fibra del 50 %.
Los pesos totales de las turbinas de acero y composite de 2 MW son de 9888 kg y 7016 kg, respectivamente. Las turbinas de acero y composite de 250 kW pesan 3734 kg y 1927 kg, respectivamente. Los totales suponen 20 compuertas por cada turbina y una tubería forzada de longitud igual a la altura de la turbina. Es probable que la tubería forzada sea más larga y requiera accesorios, pero esta cifra proporciona una estimación básica del peso de la unidad y sus periféricos. El generador, los pernos y los herrajes de accionamiento de las compuertas no están incluidos y se supone que son similares entre las unidades composite y de acero. Cabe destacar también que el rediseño del rodete, necesario para tener en cuenta las concentraciones de tensiones observadas en el análisis de elementos finitos (FEA), añadiría peso a las unidades composite, pero se supone que la cantidad es mínima, del orden de 5 kg, para reforzar los puntos con concentración de tensiones.
Con los pesos indicados, la turbina compuesta de 2 MW y su tubería forzada podrían ser izados por el rápido V-22 Osprey, mientras que la máquina de acero requeriría un helicóptero Chinook de dos rotores, más lento y menos maniobrable. Además, la turbina compuesta de 2 MW y su tubería forzada podrían ser remolcados por un F-250 4x4, mientras que la unidad de acero requeriría un camión más grande, difícil de maniobrar en caminos forestales si la instalación estuviera en una zona remota.
Conclusiones
Es factible construir turbinas con materiales compuestos, y se observó una reducción de peso de entre el 50 % y el 70 % en comparación con los componentes de acero convencionales. Esta reducción de peso permite la instalación de turbinas compuestas en ubicaciones remotas. Además, el ensamblaje de estas estructuras compuestas no requiere equipos de soldadura. Los componentes también requieren menos piezas para atornillar, ya que cada pieza puede fabricarse en una o dos secciones. En las pequeñas series de producción modeladas en este estudio, el costo de los moldes y otras herramientas predomina en el costo del componente.
Las pequeñas series indicadas aquí muestran el costo de iniciar investigaciones adicionales sobre estos materiales. Esta investigación puede abordar la erosión por cavitación y la protección UV de los componentes después de la instalación. Es posible utilizar recubrimientos de elastómero o cerámica para reducir la cavitación o garantizar que la turbina funcione en los regímenes de caudal y altura de caída que la previenen. Será importante probar y resolver estos y otros problemas para garantizar que las unidades alcancen una fiabilidad similar a la de las turbinas de acero, especialmente si se instalarán en zonas con poco mantenimiento.
Incluso en estas series cortas, algunos componentes compuestos pueden resultar rentables gracias a la menor mano de obra necesaria para su fabricación. Por ejemplo, soldar una carcasa espiral para la unidad Francis de 2 MW costaría 80 000 dólares en acero, en comparación con los 25 000 dólares que costaría fabricarla con materiales compuestos. Sin embargo, suponiendo un diseño exitoso de los rodetes de la turbina, el coste de moldear los rodetes compuestos es superior al de los componentes de acero equivalentes. Fabricar el rodete de 2 MW con acero costaría unos 23 000 dólares, en comparación con los 27 000 dólares que cuesta fabricar con materiales compuestos. Los costes pueden variar según la máquina. Además, el coste de los componentes compuestos se reduciría considerablemente en series de producción más altas si se pudieran reutilizar los moldes.
Los investigadores ya han estudiado la construcción de rodetes de turbinas con materiales compuestos.8 Sin embargo, este estudio no abordó la erosión por cavitación ni la viabilidad de su construcción. El siguiente paso para las turbinas compuestas es diseñar y construir un modelo a escala que permita demostrar la viabilidad y la economía de fabricación. Esta unidad podrá probarse posteriormente para determinar su eficiencia y aplicabilidad, así como para encontrar métodos para prevenir la erosión por cavitación excesiva.
Hora de publicación: 15 de febrero de 2022
