Los materiales compuestos están ganando terreno en la construcción de equipos para la industria hidroeléctrica. Una investigación sobre la resistencia de los materiales y otros criterios revela muchas más aplicaciones, especialmente 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 parcialmente por componentes de acero a principios del siglo XIX. El acero conserva su resistencia ante 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 las grandes centrales, es probable que el acero siga siendo el material preferido.
Sin embargo, dado el auge de las turbinas pequeñas (de menos de 10 MW) y microturbinas (de menos de 100 kW), los materiales compuestos pueden utilizarse para ahorrar peso y reducir los costes de fabricación y el impacto ambiental. Esto cobra especial relevancia ante la continua necesidad de aumentar el 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 para convertir una mayor parte de la energía hidroeléctrica técnicamente viable en económicamente viable aumenta gracias a 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 uniforme, el mejor método es el bobinado de filamentos. Un mandril grande se envuelve con haces de fibra que han pasado por un baño de resina. Los haces se enrollan en patrones circulares y helicoidales para crear 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 estaba determinado por los requisitos de instalación y manipulación, más que por la carga de presión relativamente baja, y para ambos fue de 2,28 cm.
Para las compuertas y los tirantes se consideraron dos métodos de fabricación: laminado húmedo e infusión al vacío. El laminado húmedo utiliza tejido seco, que se impregna vertiendo resina sobre él y utilizando rodillos para empujarla hacia el interior. Este proceso no es tan limpio como la infusión al vacío y no siempre produce la estructura más óptima en términos de proporción fibra-resina, pero requiere menos tiempo. La infusión al vacío coloca la fibra seca en la orientación correcta, y el conjunto se envasa al vacío y se le añaden accesorios que conducen al suministro de resina, la cual se introduce en la pieza al aplicar el vacío. El vacío ayuda a mantener la cantidad de resina en un nivel óptimo y reduce la liberación de compuestos orgánicos volátiles.
La carcasa del espiral se fabricará mediante laminado manual en dos mitades separadas sobre un molde macho para asegurar una superficie interior lisa. Estas dos mitades se unirán posteriormente, añadiendo fibra en el exterior en el punto de unión para garantizar una resistencia adecuada. La carga de presión en la carcasa del espiral no requiere un compuesto avanzado de alta resistencia, por lo que bastará con un laminado húmedo de tejido de fibra de vidrio con resina epoxi. El espesor de la carcasa del 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 lleva carcasa del espiral.
Un rodete de turbina combina una geometría compleja con altos requisitos de carga. Trabajos recientes han demostrado que se pueden fabricar componentes estructurales de alta resistencia a partir de un SMC preimpregnado picado con excelente resistencia y rigidez.⁵ El brazo de suspensión del Lamborghini Gallardo se diseñó utilizando múltiples capas de un SMC preimpregnado picado conocido como compuesto forjado, moldeado por compresión para producir el espesor requerido. El mismo método se puede aplicar a los rodetes Francis y de hélice. El rodete Francis no se puede fabricar como una sola unidad, ya que la complejidad del solapamiento de las palas impediría extraer la pieza del molde. Por lo tanto, las palas, la corona y la banda del rodete 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 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 de fabricación estándar, a pesar de los mayores costos laborales. Utilizando un molde macho similar a un mandril, el laminado se puede completar con el molde en posición horizontal y luego girarlo verticalmente para el curado, evitando así el pandeo 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 50 % de peso de fibra.
Los pesos totales de las turbinas de acero y de material compuesto de 2 MW son 9.888 kg y 7.016 kg, respectivamente. Las turbinas de acero y de material compuesto de 250 kW pesan 3.734 kg y 1.927 kg, respectivamente. Los totales se basan en la suposición de 20 compuertas para cada turbina y una longitud de tubería forzada 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 asociados. El generador, los pernos y el mecanismo de accionamiento de las compuertas no están incluidos y se supone que son similares entre las unidades de material compuesto y de acero. Cabe destacar también que el rediseño del rodete necesario para tener en cuenta las concentraciones de tensión observadas en el análisis de elementos finitos (FEA) añadiría peso a las unidades de material compuesto, pero se supone que la cantidad es mínima, del orden de 5 kg, para reforzar los puntos con concentración de tensión.
Con los pesos indicados, la turbina compuesta de 2 MW y su tubería forzada podrían ser elevadas por el rápido V-22 Osprey, mientras que la máquina de acero requeriría un helicóptero Chinook de doble rotor, más lento y menos maniobrable. Asimismo, la turbina compuesta de 2 MW y la tubería forzada podrían ser remolcadas por un F-250 4×4, mientras que la unidad de acero requeriría un camión más grande que sería 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 del 50 % al 70 % en comparación con los componentes de acero convencionales. Este menor peso permite instalar 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 series de producción pequeñas modeladas en este estudio, el costo de los moldes y otras herramientas representa la mayor parte del costo del componente.
Las pruebas de pequeña escala aquí indicadas muestran el coste que supondría iniciar una investigación más profunda sobre estos materiales. Esta investigación puede abordar la erosión por cavitación y la protección UV de los componentes tras su instalación. Es posible utilizar recubrimientos de elastómero o cerámica para reducir la cavitación o garantizar que la turbina funcione con los regímenes de flujo y presión que la eviten. Será importante probar y resolver estos y otros problemas para asegurar que las unidades alcancen una fiabilidad similar a la de las turbinas de acero, especialmente si se van a instalar en zonas donde el mantenimiento será poco frecuente.
Incluso en series pequeñas, algunos componentes compuestos pueden resultar rentables debido a la menor mano de obra necesaria para su fabricación. Por ejemplo, una carcasa de espiral para la unidad Francis de 2 MW costaría 80 000 dólares soldada en acero, frente a los 25 000 dólares de su fabricación en material compuesto. Sin embargo, suponiendo un diseño exitoso de los rotores de la turbina, el coste de moldear los rotores compuestos es superior al de componentes de acero equivalentes. El rotor de 2 MW costaría unos 23 000 dólares fabricado en acero, frente a los 27 000 dólares del material compuesto. Los costes pueden variar según la máquina. Además, el coste de los componentes compuestos se reduciría considerablemente en series de producción más grandes si se pudieran reutilizar los moldes.
Los investigadores ya han estudiado la construcción de rotores de turbina con materiales compuestos.⁸ Sin embargo, este estudio no abordó la erosión por cavitación ni la viabilidad de la construcción. El siguiente paso para las turbinas de materiales compuestos es diseñar y construir un modelo a escala que permita demostrar la viabilidad y la economía de fabricación. Esta unidad podrá entonces someterse a pruebas para determinar su eficiencia y aplicabilidad, así como los métodos para prevenir la erosión excesiva por cavitación.
Fecha de publicación: 15 de febrero de 2022
