Komposiittimateriaalit tekevät läpimurtoa vesivoimateollisuuden laitteiden rakentamisessa. Materiaalien lujuuden ja muiden kriteerien tutkimus paljastaa monia uusia sovelluksia, erityisesti pienissä ja mikroyksiköissä.
Tätä artikkelia on arvioitu ja muokattu kahden tai useamman asiaankuuluvan asiantuntemuksen omaavan ammattilaisen tekemien arviointien mukaisesti. Nämä vertaisarvioijat arvioivat käsikirjoituksia teknisen tarkkuuden, hyödyllisyyden ja yleisen merkityksen perusteella vesivoimateollisuudelle.
Uusien materiaalien nousu tarjoaa jännittäviä mahdollisuuksia vesivoimateollisuudelle. Alkuperäisissä vesirattaissa ja sulkuventtiileissä käytetty puu korvautui osittain teräskomponenteilla 1800-luvun alussa. Teräs säilyttää lujuutensa suuren väsymiskuormituksen läpi ja kestää kavitaatioeroosiota ja korroosiota. Sen ominaisuudet tunnetaan hyvin ja komponenttien valmistusprosessit ovat hyvin kehittyneitä. Suurten yksiköiden osalta teräs tulee todennäköisesti pysymään ensisijaisena materiaalina.
Pienten (alle 10 MW) ja mikrokokoisten (alle 100 kW) turbiinien yleistymisen myötä komposiitteja voidaan käyttää painon säästämiseen sekä valmistuskustannusten ja ympäristövaikutusten vähentämiseen. Tämä on erityisen tärkeää, kun otetaan huomioon sähköntuotannon jatkuva kasvutarve. Norwegian Renewable Energy Partnersin vuonna 2009 tekemän tutkimuksen mukaan maailman asennettu vesivoimakapasiteetti on lähes 800 000 MW, mikä on vain 10 % taloudellisesti toteuttamiskelpoisesta ja 6 % teknisesti toteuttamiskelpoisesta vesivoimasta. Mahdollisuus tuoda enemmän teknisesti toteuttamiskelpoista vesivoimaa taloudellisesti toteuttamiskelpoiseksi kasvaa, kun komposiittikomponentit tarjoavat mittakaavaetuja.
Komposiittikomponenttien valmistus
Paras menetelmä paineensäätimen valmistamiseksi taloudellisesti ja tasaisen lujana on filamenttikelaus. Suuri kara kääritään hartsikylvyn läpi ajetuilla kuitutouveilla. Touvit kiedotaan vanne- ja kierrekuvioihin, jotta ne kestävät sisäistä painetta, pitkittäistä taivutusta ja käsittelyä. Alla oleva tulososio näyttää kahden paineensäätimen koon kustannukset ja painon jalkaa kohden paikallisten toimittajien tarjouksen perusteella. Tarjous osoitti, että suunnittelupaksuus johtui asennus- ja käsittelyvaatimuksista eikä suhteellisen alhaisesta painekuormasta, ja molemmilla se oli 2,28 cm.
Käyntiporttien ja tukisiipien valmistusmenetelmiä harkittiin kahdella tavalla: märkäkerrostus ja tyhjiöinfuusio. Märkäkerrostus käyttää kuivaa kangasta, joka kyllästetään kaatamalla hartsia kankaan päälle ja painamalla hartsi kankaaseen telojen avulla. Tämä prosessi ei ole yhtä puhdas kuin tyhjiöinfuusio eikä aina tuota optimaalisinta rakennetta kuitu-hartsisuhteen suhteen, mutta se vie vähemmän aikaa kuin tyhjiöinfuusioprosessi. Tyhjiöinfuusio kerää kuivat kuidut oikeisiin suuntiin, ja kuiva pino tyhjiöpussoidaan ja siihen kiinnitetään lisäliittimiä, jotka johtavat hartsisyöttöön, joka imetään osaan tyhjiön vaikutuksesta. Tyhjiö auttaa pitämään hartsin määrän optimaalisella tasolla ja vähentää haihtuvien orgaanisten yhdisteiden vapautumista.
Vierityskotelossa käytetään käsin tehtyä ladontaa kahteen erilliseen puolikkaaseen urosmuottiin sileän sisäpinnan varmistamiseksi. Nämä kaksi puoliskoa liimataan sitten yhteen lisäämällä kuitua ulkopuolelle liimauspisteeseen riittävän lujuuden varmistamiseksi. Vierityskotelon painekuormitus ei vaadi erittäin lujaa edistynyttä komposiittia, joten lasikuitukankaan ja epoksihartsin märkäladonta riittää. Vierityskotelon paksuus perustui samaan suunnitteluparametriin kuin paineilmaventtiili. 250 kW:n yksikkö on aksiaalivirtauskone, joten siinä ei ole vierityskoteloa.
Turbiinin juoksuputkessa yhdistyvät monimutkainen geometria ja suuret kuormitusvaatimukset. Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että erittäin lujia rakenneosia voidaan valmistaa silputusta prepreg-SMC:stä, jolla on erinomainen lujuus ja jäykkyys.5 Lamborghini Gallardon tukivarsi suunniteltiin käyttämällä useita kerroksia silputtua prepreg-SMC:tä, joka tunnetaan nimellä taottu komposiitti, ja puristusmuovattiin vaaditun paksuuden aikaansaamiseksi. Samaa menetelmää voidaan soveltaa Francis- ja potkurijuoksuputkiin. Francis-juoksuputkea ei voida valmistaa yhtenä yksikkönä, koska lapojen päällekkäisyyden monimutkaisuus estäisi osan irrottamisen muotista. Siksi juoksuputken lavat, kruunu ja nauha valmistetaan erikseen ja sitten liimataan yhteen ja vahvistetaan pulteilla kruunun ja nauhan ulkopuolella.
Vaikka vetoputki on helpoin valmistaa filamenttikelauksella, tätä prosessia ei ole kaupallistettu luonnonkuitujen avulla. Siksi valittiin käsin ladonta, koska se on standardi valmistusmenetelmä korkeammista työvoimakustannuksista huolimatta. Käyttämällä tuurnan kaltaista koirasmuottia ladonta voidaan suorittaa muotin ollessa vaakasuorassa ja kääntämällä se sitten pystysuoraan kovettumista varten, mikä estää toiselta puolelta roikkumisen. Komposiittiosien paino vaihtelee hieman valmiin osan hartsimäärän mukaan. Nämä luvut perustuvat 50 %:n kuitupainoon.
Teräksestä ja komposiitista valmistetun 2 MW:n turbiinin kokonaispainot ovat vastaavasti 9 888 kg ja 7 016 kg. 250 kW:n teräs- ja komposiittiturbiinien kokonaispainot ovat 3 734 kg ja 1 927 kg. Kokonaisluvut olettavat, että kutakin turbiinia kohden on 20 porttia ja että sulkuputken pituus on yhtä suuri kuin turbiinin pää. On todennäköistä, että sulkuputki olisi pidempi ja vaatisi liittimiä, mutta tämä luku antaa perusarvion yksikön ja siihen liittyvien oheislaitteiden painosta. Generaattoria, pultteja ja portin käyttölaitteita ei ole sisällytetty, ja niiden oletetaan olevan samanlaisia komposiitti- ja teräsyksiköissä. On myös syytä huomata, että FEA:ssa havaittujen jännityskeskittymien huomioon ottamiseksi tarvittava juoksuputken uudelleensuunnittelu lisäisi komposiittiyksiköiden painoa, mutta määrän oletetaan olevan minimaalinen, noin 5 kg jännityskeskittymien vahvistamiseksi.
Annetuilla painoilla 2 MW:n komposiittiturbiini ja sen tukirunko voitaisiin nostaa nopealla V-22 Osprey -koneella, kun taas teräskone vaatisi hitaamman ja vähemmän ketterän Chinook-kaksoisroottorisen helikopterin. Myös 2 MW:n komposiittiturbiini ja tukirunko voitaisiin hinata F-250 4×4 -koneella, kun taas teräsyksikkö vaatisi suuremman kuorma-auton, jota olisi vaikea ohjata metsäteillä, jos asennuspaikka olisi syrjässä.
Johtopäätökset
Turbiinien rakentaminen komposiittimateriaaleista on mahdollista, ja niiden painossa havaittiin 50–70 prosentin vähennys perinteisiin teräskomponentteihin verrattuna. Pienempi paino voi mahdollistaa komposiittiturbiinien asentamisen syrjäisiin paikkoihin. Lisäksi näiden komposiittirakenteiden kokoonpano ei vaadi hitsauslaitteita. Komponentit vaativat myös vähemmän pulttikiinnitettäviä osia, koska jokainen kappale voidaan valmistaa yhdestä tai kahdesta osasta. Tässä tutkimuksessa mallinnetuissa pienissä tuotantoerissä muottien ja muiden työkalujen kustannukset hallitsevat komponenttien kustannuksia.
Tässä ilmoitetut pienet tuotantoerät osoittavat, mitä näiden materiaalien lisätutkimuksen aloittaminen maksaisi. Tässä tutkimuksessa voidaan käsitellä komponenttien kavitaatioeroosiota ja UV-suojausta asennuksen jälkeen. Kavitaation vähentämiseksi tai sen varmistamiseksi, että turbiini toimii virtaus- ja nostokorkeudella, joka estää kavitaation syntymisen, voidaan mahdollisesti käyttää elastomeeria tai keraamisia pinnoitteita. On tärkeää testata ja ratkaista nämä ja muut ongelmat sen varmistamiseksi, että yksiköt saavuttavat samanlaisen luotettavuuden kuin terästurbiinit, erityisesti jos ne asennetaan alueille, joilla huolto on harvinaista.
Jopa näillä pienillä sarjoilla jotkin komposiittikomponentit voivat olla kustannustehokkaita valmistukseen tarvittavan työmäärän vähenemisen ansiosta. Esimerkiksi 2 MW:n Francis-yksikön spiraalikotelon hitsaus teräksestä maksaisi 80 000 dollaria verrattuna komposiittivalmistuksen 25 000 dollariin. Olettaen kuitenkin, että turbiinin juoksuputkien suunnittelu onnistuu, komposiittijuoksuputkien muovauskustannukset ovat suuremmat kuin vastaavien teräskomponenttien. 2 MW:n juoksuputken valmistus teräksestä maksaisi noin 23 000 dollaria verrattuna komposiittiputkien 27 000 dollariin. Kustannukset voivat vaihdella koneittain. Ja komposiittikomponenttien kustannukset laskisivat huomattavasti suuremmilla tuotantoerillä, jos muotteja voitaisiin käyttää uudelleen.
Tutkijat ovat jo tutkineet turbiinin juoksupyörien rakentamista komposiittimateriaaleista.8 Tässä tutkimuksessa ei kuitenkaan käsitelty kavitaatioeroosiota ja rakentamisen toteutettavuutta. Seuraava vaihe komposiittiturbiinien osalta on suunnitella ja rakentaa pienoismalli, jonka avulla voidaan todistaa valmistuksen toteutettavuus ja taloudellisuus. Tätä yksikköä voidaan sitten testata tehokkuuden ja sovellettavuuden sekä liiallisen kavitaatioeroosion estämismenetelmien määrittämiseksi.
Julkaisun aika: 15. helmikuuta 2022
