फोर्स्टर लघु हाइड्रो टर्बाइनों के लिए मिश्रित सामग्रियों का उपयोग कैसे किया जा सकता है

जलविद्युत ऊर्जा उद्योग के लिए उपकरणों के निर्माण में मिश्रित सामग्रियों का उपयोग बढ़ रहा है। सामग्री की मजबूती और अन्य मानदंडों की जांच से पता चलता है कि इसके कई और अनुप्रयोग हैं, खासकर छोटी और सूक्ष्म इकाइयों के लिए।
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नई सामग्रियों का उदय जलविद्युत उद्योग के लिए रोमांचक अवसर प्रदान करता है। लकड़ी - जिसका उपयोग मूल जलचक्रों और पेनस्टॉक्स में किया जाता था - को 1800 के दशक की शुरुआत में स्टील के घटकों द्वारा आंशिक रूप से प्रतिस्थापित किया गया था। स्टील उच्च थकान भार के माध्यम से अपनी ताकत बनाए रखता है और गुहिकायन क्षरण और जंग का प्रतिरोध करता है। इसके गुणों को अच्छी तरह से समझा जाता है और घटक निर्माण की प्रक्रियाएँ अच्छी तरह से विकसित हैं। बड़ी इकाइयों के लिए, स्टील संभवतः पसंदीदा सामग्री बनी रहेगी।
हालांकि, छोटे (10 मेगावाट से कम) से लेकर सूक्ष्म आकार (100 किलोवाट से कम) वाले टर्बाइनों के बढ़ते चलन को देखते हुए, वजन कम करने और विनिर्माण लागत तथा पर्यावरणीय प्रभाव को कम करने के लिए कंपोजिट का उपयोग किया जा सकता है। बिजली आपूर्ति में वृद्धि की निरंतर आवश्यकता को देखते हुए यह विशेष रूप से प्रासंगिक है। नॉर्वेजियन रिन्यूएबल एनर्जी पार्टनर्स द्वारा 2009 में किए गए एक अध्ययन के अनुसार, स्थापित विश्व पनबिजली क्षमता, लगभग 800,000 मेगावाट है, जो आर्थिक रूप से व्यवहार्य पनबिजली का केवल 10% और तकनीकी रूप से व्यवहार्य पनबिजली का 6% है। आर्थिक रूप से व्यवहार्य के दायरे में तकनीकी रूप से व्यवहार्य पनबिजली को लाने की क्षमता, पैमाने की अर्थव्यवस्था प्रदान करने के लिए कंपोजिट घटकों की क्षमता के साथ बढ़ती है।

मिश्रित घटक निर्माण
पेनस्टॉक को किफायती तरीके से और लगातार उच्च शक्ति के साथ बनाने के लिए, सबसे अच्छी विधि फिलामेंट वाइंडिंग है। एक बड़े मैंड्रेल को फाइबर के टो के साथ लपेटा जाता है जिसे रेजिन बाथ के माध्यम से चलाया जाता है। टो को आंतरिक दबाव, अनुदैर्ध्य झुकने और हैंडलिंग के लिए ताकत बनाने के लिए हुप और हेलिकल पैटर्न में लपेटा जाता है। नीचे दिए गए परिणाम अनुभाग में स्थानीय आपूर्तिकर्ताओं के उद्धरण के आधार पर दो पेनस्टॉक आकारों के लिए प्रति फुट लागत और वजन दिखाया गया है। उद्धरण से पता चला कि डिजाइन की मोटाई अपेक्षाकृत कम दबाव भार के बजाय स्थापना और हैंडलिंग आवश्यकताओं से प्रेरित थी, और दोनों के लिए यह 2.28 सेमी थी।
विकेट गेट और स्टे वेन के लिए दो विनिर्माण विधियों पर विचार किया गया; वेट लेअप और वैक्यूम इन्फ्यूजन। वेट लेअप में सूखे कपड़े का उपयोग किया जाता है, जिसे कपड़े पर राल डालकर और रोलर्स का उपयोग करके राल को कपड़े में धकेलकर लगाया जाता है। यह प्रक्रिया वैक्यूम इन्फ्यूजन जितनी साफ नहीं है और फाइबर-टू-रेजिन अनुपात के मामले में हमेशा सबसे अनुकूलित संरचना का उत्पादन नहीं करती है, लेकिन इसमें वैक्यूम इन्फ्यूजन प्रक्रिया की तुलना में कम समय लगता है। वैक्यूम इन्फ्यूजन सूखे फाइबर को सही दिशा में बिछाता है, और फिर सूखे स्टैक को वैक्यूम बैग में भर दिया जाता है और अतिरिक्त फिटिंग को जोड़ा जाता है जो राल की आपूर्ति की ओर ले जाता है, जिसे वैक्यूम लागू होने पर भाग में खींचा जाता है। वैक्यूम राल की मात्रा को इष्टतम स्तर पर बनाए रखने में मदद करता है और वाष्पशील कार्बनिक पदार्थों की रिहाई को कम करता है।
स्क्रॉल केस में एक चिकनी आंतरिक सतह सुनिश्चित करने के लिए एक पुरुष मोल्ड पर दो अलग-अलग हिस्सों में एक हाथ लेअप का उपयोग किया जाएगा। इन दो हिस्सों को फिर एक साथ जोड़ा जाएगा और पर्याप्त ताकत सुनिश्चित करने के लिए बॉन्डिंग पॉइंट पर बाहर की तरफ फाइबर जोड़ा जाएगा। स्क्रॉल केस में दबाव भार के लिए उच्च-शक्ति वाले उन्नत कंपोजिट की आवश्यकता नहीं होती है, इसलिए एपॉक्सी राल के साथ फाइबरग्लास कपड़े का गीला लेअप पर्याप्त होगा। स्क्रॉल केस की मोटाई पेनस्टॉक के समान डिज़ाइन पैरामीटर पर आधारित थी। 250-kW इकाई एक अक्षीय प्रवाह मशीन है, इसलिए कोई स्क्रॉल केस नहीं है।

टर्बाइन रनर में जटिल ज्यामिति के साथ उच्च भार की आवश्यकताएँ शामिल होती हैं। हाल ही में किए गए शोध से पता चला है कि उच्च शक्ति वाले संरचनात्मक घटकों को एक कटे हुए प्रीप्रेग एसएमसी से उत्कृष्ट शक्ति और कठोरता के साथ निर्मित किया जा सकता है।5 लेम्बोर्गिनी गैलार्डो के सस्पेंशन आर्म को एक कटे हुए प्रीप्रेग एसएमसी की कई परतों का उपयोग करके डिज़ाइन किया गया था जिसे फोर्ज्ड कंपोजिट के रूप में जाना जाता है, जिसे आवश्यक मोटाई का उत्पादन करने के लिए संपीड़न मोल्ड किया जाता है। फ्रांसिस और प्रोपेलर रनर पर भी यही तरीका लागू किया जा सकता है। फ्रांसिस रनर को एक इकाई के रूप में नहीं बनाया जा सकता है, क्योंकि ब्लेड ओवरलैप की जटिलता भाग को मोल्ड से निकालने से रोकती है। इस प्रकार, रनर ब्लेड, क्राउन और बैंड को अलग-अलग बनाया जाता है और फिर एक साथ जोड़ा जाता है और क्राउन और बैंड के बाहर बोल्ट के साथ मजबूत किया जाता है।
जबकि ड्राफ्ट ट्यूब को फिलामेंट वाइंडिंग का उपयोग करके सबसे आसानी से निर्मित किया जाता है, इस प्रक्रिया को प्राकृतिक फाइबर का उपयोग करके व्यावसायीकृत नहीं किया गया है। इस प्रकार, हाथ से ले-अप को चुना गया, क्योंकि यह उच्च श्रम लागत के बावजूद निर्माण की मानक विधि है। एक मंडल के समान एक पुरुष मोल्ड का उपयोग करके, ले-अप को मोल्ड क्षैतिज के साथ पूरा किया जा सकता है और फिर इलाज के लिए लंबवत घुमाया जा सकता है, जिससे एक तरफ से झुकाव को रोका जा सकता है। मिश्रित भागों का वजन तैयार भाग में राल की मात्रा के आधार पर थोड़ा भिन्न होगा। ये संख्याएँ 50% फाइबर वजन पर आधारित हैं।
स्टील और कम्पोजिट 2-मेगावाट टरबाइन का कुल वजन क्रमशः 9,888 किलोग्राम और 7,016 किलोग्राम है। 250-किलोवाट स्टील और कम्पोजिट टरबाइन का वजन क्रमशः 3,734 किलोग्राम और 1,927 किलोग्राम है। कुल योग में प्रत्येक टरबाइन के लिए 20 विकेट गेट और टरबाइन के हेड के बराबर पेनस्टॉक की लंबाई मानी गई है। यह संभावना है कि पेनस्टॉक लंबा होगा और फिटिंग की आवश्यकता होगी, लेकिन यह संख्या इकाई और संबंधित बाह्य उपकरणों के वजन का एक बुनियादी अनुमान देती है। जनरेटर, बोल्ट और गेट एक्ट्यूएटिंग हार्डवेयर शामिल नहीं हैं और माना जाता है कि कम्पोजिट और स्टील इकाइयों के बीच समान हैं। यह भी ध्यान देने योग्य है कि FEA में देखे गए तनाव सांद्रता के लिए रनर रीडिज़ाइन की आवश्यकता है, जो कम्पोजिट इकाइयों में वजन बढ़ाएगा, लेकिन यह राशि न्यूनतम मानी जाती है, तनाव सांद्रता वाले बिंदुओं को मजबूत करने के लिए 5 किलोग्राम के क्रम में
दिए गए भार के साथ, 2-मेगावाट कम्पोजिट टरबाइन और उसके पेनस्टॉक को तेज़ वी-22 ऑस्प्रे द्वारा उठाया जा सकता है, जबकि स्टील मशीन को धीमे, कम गतिशील चिनूक ट्विन रोटर हेलीकॉप्टर की आवश्यकता होगी। इसके अलावा, 2-मेगावाट कम्पोजिट टरबाइन और पेनस्टॉक को F-250 4×4 द्वारा खींचा जा सकता है, जबकि स्टील यूनिट को एक बड़े ट्रक की आवश्यकता होगी जिसे जंगल की सड़कों पर चलाना मुश्किल होगा यदि स्थापना दूरस्थ हो।

निष्कर्ष
मिश्रित सामग्रियों से टर्बाइन बनाना संभव है, और पारंपरिक स्टील घटकों की तुलना में 50% से 70% तक वजन में कमी देखी गई। कम वजन के कारण कम्पोजिट टर्बाइन को दूरदराज के स्थानों पर स्थापित किया जा सकता है। इसके अलावा, इन मिश्रित संरचनाओं की असेंबली के लिए वेल्डिंग उपकरण की आवश्यकता नहीं होती है। घटकों को एक साथ बोल्ट करने के लिए कम भागों की भी आवश्यकता होती है, क्योंकि प्रत्येक टुकड़े को एक या दो खंडों में बनाया जा सकता है। इस अध्ययन में मॉडल किए गए छोटे उत्पादन रन में, मोल्ड और अन्य टूलिंग की लागत घटक लागत पर हावी होती है।
यहाँ दर्शाए गए छोटे रन दिखाते हैं कि इन सामग्रियों पर आगे अनुसंधान शुरू करने में कितना खर्च आएगा। यह शोध स्थापना के बाद घटकों के कैविटेशन क्षरण और यूवी संरक्षण को संबोधित कर सकता है। कैविटेशन को कम करने या यह सुनिश्चित करने के लिए कि टर्बाइन प्रवाह और हेड शासन में चलता है जो कैविटेशन को होने से रोकता है, इलास्टोमर या सिरेमिक कोटिंग्स का उपयोग करना संभव हो सकता है। इन और अन्य मुद्दों का परीक्षण और समाधान करना महत्वपूर्ण होगा ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि इकाइयाँ स्टील टर्बाइनों के समान विश्वसनीयता प्राप्त कर सकती हैं, खासकर यदि उन्हें ऐसे क्षेत्रों में स्थापित किया जाना है जहाँ रखरखाव कम होगा।
इन छोटे रन पर भी, निर्माण के लिए आवश्यक कम श्रम के कारण कुछ मिश्रित घटक लागत प्रभावी हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, 2-मेगावाट फ्रांसिस इकाई के लिए एक स्क्रॉल केस को स्टील से वेल्ड करने में $80,000 का खर्च आएगा, जबकि मिश्रित निर्माण के लिए $25,000 का खर्च आएगा। हालांकि, टर्बाइन रनर के सफल डिजाइन को मानते हुए, मिश्रित रनर को मोल्ड करने की लागत समकक्ष स्टील घटकों से अधिक है। 2-मेगावाट रनर को स्टील से बनाने में लगभग $23,000 का खर्च आएगा, जबकि मिश्रित से $27,000 का। लागत मशीन के अनुसार अलग-अलग हो सकती है। और यदि मोल्ड का पुनः उपयोग किया जा सकता है, तो मिश्रित घटकों की लागत उच्च उत्पादन रन पर काफी कम हो जाएगी।
शोधकर्ताओं ने पहले ही मिश्रित सामग्रियों से टर्बाइन रनर के निर्माण की जांच की है।8 हालांकि, इस अध्ययन में कैविटेशन क्षरण और निर्माण की व्यवहार्यता को संबोधित नहीं किया गया। मिश्रित टर्बाइनों के लिए अगला कदम एक स्केल मॉडल को डिजाइन और निर्माण करना है जो विनिर्माण की व्यवहार्यता और अर्थव्यवस्था का प्रमाण देगा। इस इकाई का परीक्षण तब दक्षता और प्रयोज्यता निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है, साथ ही अत्यधिक कैविटेशन क्षरण को रोकने के तरीके भी।