Komposiitmaterjalid teevad läbimurde hüdroelektrijaamade seadmete ehitamisel. Materjalide tugevuse ja muude kriteeriumide uurimine näitab palju uusi rakendusi, eriti väikeste ja mikroüksuste puhul.
Seda artiklit on hinnatud ja toimetatud vastavalt kahe või enama asjakohase kogemusega spetsialisti poolt läbi viidud arvustustele. Need retsensendid hindavad käsikirju tehnilise täpsuse, kasulikkuse ja üldise olulisuse alusel hüdroelektrijaamade valdkonnas.
Uute materjalide esiletõus pakub hüdroelektrijaamadele põnevaid võimalusi. Puit – mida kasutati algsetes vesiratastes ja survetorudes – asendati 19. sajandi alguses osaliselt teraskomponentidega. Teras säilitab oma tugevuse ka suure väsimuskoormuse korral ning on vastupidav kavitatsioonist tingitud erosioonile ja korrosioonile. Selle omadused on hästi teada ja komponentide tootmisprotsessid on hästi välja töötatud. Suurte seadmete puhul jääb teras tõenäoliselt eelistatud materjaliks.
Arvestades aga väikeste (alla 10 MW) ja mikrosuuruses (alla 100 kW) turbiinide populaarsuse kasvu, saab komposiite kasutada kaalu kokkuhoiuks ning tootmiskulude ja keskkonnamõju vähendamiseks. See on eriti oluline, arvestades elektrienergia pakkumise jätkuvat kasvuvajadust. Norwegian Renewable Energy Partnersi 2009. aasta uuringu kohaselt on maailma paigaldatud hüdroenergia võimsus ligi 800 000 MW, mis on vaid 10% majanduslikult teostatavast ja 6% tehniliselt teostatavast hüdroenergiast. Potentsiaal tuua rohkem tehniliselt teostatavat hüdroenergiat majanduslikult teostatavasse valdkonda suureneb koos komposiitkomponentide võimega pakkuda mastaabisäästu.
Komposiitkomponentide tootmine
Sulgurvarda ökonoomseks ja ühtlaselt suure tugevusega tootmiseks on parim meetod filamentmähkimine. Suur südamik mähitakse vaiguvannist läbi lastud kiudtakkidesse. Takid mähitakse rõnga- ja spiraalmustritesse, et luua tugevus siserõhu, pikisuunalise painutamise ja käsitsemise jaoks. Allolev tulemuste osa näitab kahe sulgurvarda suuruse maksumust ja kaalu jala kohta, mis põhineb kohalike tarnijate hinnapakkumisel. Hinnapakkumisest selgus, et projekteeritud paksust tingisid pigem paigaldus- ja käsitsemisnõuded kui suhteliselt madal rõhukoormus ning mõlema puhul oli see 2,28 cm.
Väravaväravate ja tugilabade jaoks kaaluti kahte tootmismeetodit: märgkihtimine ja vaakuminfusioon. Märgkihis kasutatakse kuiva kangast, mis immutatakse vaigu valamise teel kangale ja seejärel rullide abil vaigu kangasse surumise teel. See protsess ei ole nii puhas kui vaakuminfusioon ega anna alati kiudude ja vaigu suhte osas kõige optimaalsemat struktuuri, kuid see võtab vähem aega kui vaakuminfusioonprotsess. Vaakuminfusiooniga paigutatakse kuivkiud õiges orientatsioonis ja seejärel pakitakse kuiv virn vaakumkottidesse ning kinnitatakse lisaliitmikud, mis viivad vaiguvarustuseni, mis vaakumi rakendamisel detaili sisse tõmmatakse. Vaakum aitab hoida vaigu kogust optimaalsel tasemel ja vähendab lenduvate orgaaniliste ühendite eraldumist.
Rullkorpus laotakse käsitsi kaheks eraldi pooleks isasvormil, et tagada sile sisepind. Seejärel liimitakse need kaks poolt kokku, lisades liimimispunkti välisküljele kiudaineid piisava tugevuse tagamiseks. Rullkorpuse rõhukoormus ei vaja ülitugevat täiustatud komposiiti, seega piisab klaaskiudkanga ja epoksüvaigu märgühendusest. Rullkorpuse paksus põhines samal projekteerimisparameetril kui survetoru. 250 kW seade on aksiaalvoolumasin, seega rullkorpust pole.
Turbiini jooksuratas ühendab keerulise geomeetria suurte koormusnõuetega. Hiljutised tööd on näidanud, et tükeldatud prepreg-SMC-st saab toota ülitugevaid konstruktsioonielemente, millel on suurepärane tugevus ja jäikus.5 Lamborghini Gallardo õõtshoob konstrueeriti, kasutades mitut kihti tükeldatud prepreg-SMC-d, mida tuntakse sepistatud komposiidina, mis survevormiti vajaliku paksuse saavutamiseks. Sama meetodit saab rakendada Francise ja propelleri jooksurataste puhul. Francise jooksuratast ei saa valmistada ühes tükis, kuna labade kattumise keerukus takistaks detaili vormist väljavõtmist. Seega valmistatakse jooksuratta labad, kroon ja lint eraldi ning seejärel liimitakse kokku ja tugevdatakse poltidega läbi krooni ja lindi väliskülje.
Kuigi tõmbetoru on kõige lihtsam valmistada filamentmähise abil, pole seda protsessi looduslike kiudude kasutamisel kommertsialiseerunud. Seega valiti käsitsi ladumine, kuna see on standardne tootmismeetod, hoolimata kõrgematest tööjõukuludest. Kasutades isasvormi, mis sarnaneb mandreliga, saab ladumist teostada vormi horisontaalasendis ja seejärel pöörata see kõvenemiseks vertikaalselt, vältides ühe külje läbivajumist. Komposiitdetailide kaal varieerub veidi sõltuvalt vaigu hulgast valmisdetailis. Need arvud põhinevad 50% kiu kaalul.
Terasest ja komposiitmaterjalist 2 MW turbiini kogukaal on vastavalt 9888 kg ja 7016 kg. 250 kW teras- ja komposiitturbiinide kogukaal on vastavalt 3734 kg ja 1927 kg. Koguarvud eeldavad, et iga turbiini kohta on 20 väravat ja survetoru pikkus on võrdne turbiini peaga. On tõenäoline, et survetoru on pikem ja vajab liitmikke, kuid see arv annab seadme ja sellega seotud välisseadmete kaalu kohta põhihinnangu. Generaator, poldid ja värava ajami riistvara ei ole kaasatud ja eeldatakse, et need on komposiit- ja terasseadmetes sarnased. Samuti väärib märkimist, et lõpplahendusanalüüsis (FEA) täheldatud pingekontsentratsioonide arvessevõtmiseks vajalik jala ümberprojekteerimine lisaks komposiitseadmetele kaalu, kuid eeldatakse, et see kogus on minimaalne, umbes 5 kg pingekontsentratsiooniga punktide tugevdamiseks.
Antud kaalude juures saaks 2 MW komposiitturbiini ja selle survelaengut tõsta kiire V-22 Osprey abil, samas kui terasest masina jaoks oleks vaja aeglasemat ja vähem manööverdatavat Chinooki kaksikrootoriga helikopterit. Samuti saaks 2 MW komposiitturbiini ja survelaengut pukseerida F-250 4×4-ga, samas kui terasest seade vajaks suuremat veoautot, mida oleks metsateedel keeruline manööverdada, kui paigalduskoht oleks kaugel.
Järeldused
Turbiine on võimalik ehitada komposiitmaterjalidest ning võrreldes tavapäraste teraskomponentidega täheldati 50–70% kaalu vähenemist. Väiksem kaal võimaldab komposiitturbiine paigaldada kaugematesse kohtadesse. Lisaks ei vaja nende komposiitstruktuuride kokkupanek keevitusseadmeid. Samuti vajavad komponendid poltidega ühendamiseks vähem osi, kuna iga tükki saab valmistada ühes või kahes osas. Käesolevas uuringus modelleeritud väikeste tootmispartiide puhul domineerib vormide ja muude tööriistade maksumus komponentide maksumuses.
Siin näidatud väikesed tiraažid näitavad, kui palju maksaks nende materjalide edasine uurimine. See uuring saab käsitleda komponentide kavitatsioonierosiooni ja UV-kaitset pärast paigaldamist. Kavitatsiooni vähendamiseks või turbiini töötamise tagamiseks voolu- ja rõhurežiimides, mis takistavad kavitatsiooni tekkimist, võib olla võimalik kasutada elastomeer- või keraamilisi katteid. Oluline on testida ja lahendada need ja muud probleemid, et tagada seadmete sarnane töökindlus terasturbiinidega, eriti kui need paigaldatakse piirkondadesse, kus hooldus on haruldane.
Isegi nende väikeste partiide puhul võivad mõned komposiitkomponendid olla kulutõhusad tänu väiksemale tootmiseks vajalikule tööjõule. Näiteks 2 MW Francise seadme spiraalkorpuse keevitamine terasest maksaks 80 000 dollarit, võrreldes komposiitmaterjalide tootmise 25 000 dollariga. Eduka turbiinijooksjate disaini eeldusel on komposiitjooksjate vormimise kulud aga suuremad kui samaväärsete teraskomponentide puhul. 2 MW jooksja tootmine terasest maksaks umbes 23 000 dollarit, võrreldes komposiitmaterjalide tootmise 27 000 dollariga. Kulud võivad masinati erineda. Ja komposiitkomponentide maksumus langeks suuremate tootmispartiide korral märkimisväärselt, kui vorme saaks taaskasutada.
Teadlased on juba uurinud turbiinijooksude ehitamist komposiitmaterjalidest.8 See uuring ei käsitlenud aga kavitatsioonierosiooni ega ehitamise teostatavust. Järgmine samm komposiitturbiinide puhul on kavandada ja ehitada makett, mis võimaldab tõestada tootmise teostatavust ja ökonoomsust. Seejärel saab seda seadet testida, et teha kindlaks selle efektiivsus ja rakendatavus, samuti meetodid liigse kavitatsioonierosiooni vältimiseks.
Postituse aeg: 15. veebruar 2022
