مواد کامپوزیتی در ساخت تجهیزات صنعت برق آبی جایگاه ویژهای پیدا کردهاند. بررسی مقاومت مواد و سایر معیارها، کاربردهای بسیار بیشتری را، به ویژه برای واحدهای کوچک و ریز، آشکار میکند.
این مقاله مطابق با بررسیهای انجام شده توسط دو یا چند متخصص که تخصص مرتبط دارند، ارزیابی و ویرایش شده است. این داوران همتا، نسخههای خطی را از نظر دقت فنی، مفید بودن و اهمیت کلی در صنعت برق آبی داوری میکنند.
ظهور مواد جدید فرصتهای هیجانانگیزی را برای صنعت برق آبی فراهم میکند. چوب - که در چرخهای آبی و دریچههای اصلی استفاده میشد - در اوایل دهه 1800 تا حدودی با اجزای فولادی جایگزین شد. فولاد استحکام خود را در برابر بارگذاری خستگی بالا حفظ میکند و در برابر فرسایش و خوردگی ناشی از کاویتاسیون مقاومت میکند. خواص آن به خوبی شناخته شده است و فرآیندهای تولید قطعات به خوبی توسعه یافتهاند. برای واحدهای بزرگ، فولاد احتمالاً ماده انتخابی باقی خواهد ماند.
با این حال، با توجه به افزایش توربینهای کوچک (زیر 10 مگاوات) تا توربینهای میکرو (زیر 100 کیلووات)، میتوان از کامپوزیتها برای صرفهجویی در وزن و کاهش هزینه تولید و اثرات زیستمحیطی استفاده کرد. این امر به ویژه با توجه به نیاز مداوم به رشد در تأمین برق، اهمیت دارد. ظرفیت برقآبی نصبشده در جهان، که طبق مطالعهای در سال 2009 توسط شرکای انرژی تجدیدپذیر نروژ، نزدیک به 800000 مگاوات است، تنها 10٪ از ظرفیت اقتصادی و 6٪ از ظرفیت فنی برقآبی است. پتانسیل ورود بیشتر برقآبی که از نظر فنی امکانپذیر است به عرصه اقتصادی، با توانایی اجزای کامپوزیتی در ایجاد صرفه اقتصادی ناشی از مقیاس، افزایش مییابد.
ساخت قطعات کامپوزیتی
برای تولید اقتصادی و با استحکام بالای پایدار، بهترین روش، روش پیچاندن رشتهای است. یک مندرل بزرگ با دستههایی از الیاف که از حمام رزین عبور داده شدهاند، پیچیده میشود. دستهها به صورت حلقهای و مارپیچی پیچیده میشوند تا استحکام لازم برای فشار داخلی، خمش طولی و جابجایی ایجاد شود. بخش نتایج زیر، هزینه و وزن به ازای هر فوت را برای دو اندازه دریچه، بر اساس نقل قول از تأمینکنندگان محلی، نشان میدهد. این نقل قول نشان داد که ضخامت طراحی به جای بار فشار نسبتاً کم، توسط الزامات نصب و جابجایی تعیین شده است و برای هر دو، 2.28 سانتیمتر بود.
دو روش تولید برای دریچهها و پرههای نگهدارنده در نظر گرفته شد؛ لایهگذاری مرطوب و تزریق خلاء. لایهگذاری مرطوب از پارچه خشک استفاده میکند که با ریختن رزین روی پارچه و استفاده از غلتکها برای فشار دادن رزین به داخل پارچه، آغشته میشود. این فرآیند به اندازه تزریق خلاء تمیز نیست و همیشه بهینهترین ساختار را از نظر نسبت الیاف به رزین تولید نمیکند، اما زمان کمتری نسبت به فرآیند تزریق خلاء میبرد. تزریق خلاء، الیاف خشک را در جهتهای صحیح لایهگذاری میکند و سپس توده خشک در کیسههای خلاء قرار میگیرد و اتصالات اضافی متصل میشوند که به منبع رزین منتهی میشوند و هنگام اعمال خلاء به داخل قطعه کشیده میشوند. خلاء به حفظ مقدار رزین در سطح بهینه کمک میکند و انتشار مواد آلی فرار را کاهش میدهد.
محفظه اسکرول از یک لایه گذاری دستی در دو نیمه جداگانه روی یک قالب نر استفاده میکند تا سطح داخلی صافی ایجاد شود. سپس این دو نیمه با فیبر اضافه شده به قسمت بیرونی در نقطه اتصال به هم متصل میشوند تا استحکام کافی تضمین شود. بار فشاری در محفظه اسکرول نیازی به کامپوزیت پیشرفته با استحکام بالا ندارد، بنابراین یک لایه گذاری مرطوب از پارچه فایبرگلاس با رزین اپوکسی کافی خواهد بود. ضخامت محفظه اسکرول بر اساس همان پارامتر طراحی پنستاک بود. واحد ۲۵۰ کیلوواتی یک ماشین جریان محوری است، بنابراین محفظه اسکرول وجود ندارد.
یک رانر توربین، هندسه پیچیدهای را با الزامات بار بالا ترکیب میکند. تحقیقات اخیر نشان داده است که اجزای سازهای با مقاومت بالا را میتوان از یک SMC پیشپرگ خرد شده با مقاومت و سختی عالی تولید کرد.5 بازوی تعلیق لامبورگینی گالاردو با استفاده از چندین لایه از یک SMC پیشپرگ خرد شده که به عنوان کامپوزیت آهنگری شناخته میشود، طراحی شده و برای تولید ضخامت مورد نیاز، قالبگیری فشاری شده است. همین روش را میتوان برای رانرهای فرانسیس و پروانه نیز اعمال کرد. رانر فرانسیس را نمیتوان به صورت یک واحد ساخت، زیرا پیچیدگی همپوشانی تیغهها مانع از خارج شدن قطعه از قالب میشود. بنابراین، تیغههای رانر، تاج و نوار به طور جداگانه تولید میشوند و سپس به هم متصل شده و با پیچ و مهره از طریق قسمت بیرونی تاج و نوار تقویت میشوند.
در حالی که لوله پیش ساخته با استفاده از روش پیچیدن رشته به راحتی تولید میشود، این فرآیند با استفاده از الیاف طبیعی تجاری نشده است. بنابراین، لایه گذاری دستی انتخاب شد، زیرا این روش استاندارد تولید است، با وجود هزینههای بالاتر نیروی کار. با استفاده از یک قالب نر مشابه مندرل، لایه گذاری را میتوان با قالب افقی تکمیل کرد و سپس برای پخت به صورت عمودی چرخاند و از افتادگی در یک طرف جلوگیری کرد. وزن قطعات کامپوزیت بسته به مقدار رزین در قطعه نهایی کمی متفاوت خواهد بود. این اعداد بر اساس 50٪ وزن الیاف هستند.
وزن کل توربین ۲ مگاواتی فولادی و کامپوزیتی به ترتیب ۹,۸۸۸ کیلوگرم و ۷,۰۱۶ کیلوگرم است. توربینهای ۲۵۰ کیلوواتی فولادی و کامپوزیتی به ترتیب ۳,۷۳۴ کیلوگرم و ۱,۹۲۷ کیلوگرم هستند. در مجموع، ۲۰ دریچه ویکت برای هر توربین و طول پنستاک برابر با سر توربین در نظر گرفته شده است. احتمالاً پنستاک بلندتر خواهد بود و نیاز به اتصالات دارد، اما این عدد تخمین اولیهای از وزن واحد و لوازم جانبی مرتبط ارائه میدهد. ژنراتور، پیچها و سختافزار محرک دریچه در نظر گرفته نشدهاند و فرض میشود که بین واحدهای کامپوزیتی و فولادی مشابه باشند. همچنین شایان ذکر است که طراحی مجدد رانر مورد نیاز برای در نظر گرفتن تمرکز تنش مشاهده شده در FEA، وزن واحدهای کامپوزیتی را افزایش میدهد، اما این مقدار حداقل، در حدود ۵ کیلوگرم برای تقویت نقاط با تمرکز تنش، فرض میشود.
با وزنهای داده شده، توربین کامپوزیتی ۲ مگاواتی و پنستاک آن میتوانند توسط هواپیمای سریع V-22 Osprey بلند شوند، در حالی که دستگاه فولادی به یک هلیکوپتر دو ملخه Chinook کندتر و با مانورپذیری کمتر نیاز دارد. همچنین، توربین کامپوزیتی ۲ مگاواتی و پنستاک را میتوان توسط یک F-250 4×4 یدک کشید، در حالی که واحد فولادی به یک کامیون بزرگتر نیاز دارد که در صورت دور بودن محل نصب، مانور آن در جادههای جنگلی دشوار خواهد بود.
نتیجهگیری
ساخت توربینها از مواد کامپوزیتی امکانپذیر است و در مقایسه با اجزای فولادی معمولی، کاهش وزن ۵۰ تا ۷۰ درصدی مشاهده شده است. این کاهش وزن میتواند امکان نصب توربینهای کامپوزیتی را در مکانهای دورافتاده فراهم کند. علاوه بر این، مونتاژ این سازههای کامپوزیتی نیازی به تجهیزات جوشکاری ندارد. همچنین قطعات کمتری برای اتصال به یکدیگر نیاز دارند، زیرا هر قطعه را میتوان در یک یا دو بخش ساخت. در تیراژهای تولید کوچک مدلسازی شده در این مطالعه، هزینه قالبها و سایر ابزارها بر هزینه قطعه غالب است.
مقادیر کم نشان داده شده در اینجا نشان میدهد که شروع تحقیقات بیشتر در مورد این مواد چقدر هزینه خواهد داشت. این تحقیق میتواند به فرسایش کاویتاسیون و محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش قطعات پس از نصب بپردازد. ممکن است بتوان از پوششهای الاستومر یا سرامیکی برای کاهش کاویتاسیون یا اطمینان از کارکرد توربین در رژیمهای جریان و هد که از وقوع کاویتاسیون جلوگیری میکنند، استفاده کرد. آزمایش و حل این مسائل و سایر موارد برای اطمینان از اینکه واحدها میتوانند به قابلیت اطمینان مشابهی با توربینهای فولادی دست یابند، مهم خواهد بود، به خصوص اگر قرار باشد در مناطقی نصب شوند که تعمیر و نگهداری به ندرت انجام میشود.
حتی در این تیراژهای کوچک، برخی از اجزای کامپوزیتی میتوانند به دلیل کاهش نیروی کار مورد نیاز برای تولید، مقرون به صرفه باشند. به عنوان مثال، یک محفظه طوماری برای واحد فرانسیس ۲ مگاواتی، ۸۰۰۰۰ دلار برای جوشکاری از فولاد هزینه خواهد داشت، در حالی که این هزینه برای ساخت کامپوزیت ۲۵۰۰۰ دلار است. با این حال، با فرض طراحی موفقیتآمیز رانرهای توربین، هزینه قالبگیری رانرهای کامپوزیتی بیشتر از اجزای فولادی معادل است. ساخت رانر ۲ مگاواتی از فولاد حدود ۲۳۰۰۰ دلار هزینه خواهد داشت، در حالی که ساخت آن از کامپوزیت ۲۷۰۰۰ دلار هزینه خواهد داشت. هزینهها ممکن است بسته به دستگاه متفاوت باشد. و اگر بتوان از قالبها دوباره استفاده کرد، هزینه اجزای کامپوزیتی در تیراژهای تولید بالاتر به طور قابل توجهی کاهش مییابد.
محققان پیش از این ساخت چرخهای توربین از مواد کامپوزیتی را بررسی کردهاند.8 با این حال، این مطالعه به فرسایش کاویتاسیون و امکانسنجی ساخت آن نپرداخته است. گام بعدی برای توربینهای کامپوزیتی، طراحی و ساخت یک مدل مقیاسبندی شده است که امکان اثبات امکانسنجی و صرفه اقتصادی تولید را فراهم کند. سپس میتوان این واحد را برای تعیین راندمان و کاربردپذیری و همچنین روشهای جلوگیری از فرسایش کاویتاسیون اضافی آزمایش کرد.
زمان ارسال: ۱۵ فوریه ۲۰۲۲
