Kompozitni materijali sve su popularniji u izgradnji opreme za hidroelektrane. Istraživanje čvrstoće materijala i drugih kriterija otkriva mnogo više primjena, posebno za male i mikro jedinice.
Ovaj je članak ocijenjen i uređen u skladu s recenzijama koje su provela dva ili više stručnjaka s relevantnim stručnim znanjem. Ti recenzenti ocjenjuju rukopise s obzirom na tehničku točnost, korisnost i ukupnu važnost unutar hidroenergetske industrije.
Pojava novih materijala pruža uzbudljive mogućnosti za hidroenergetsku industriju. Drvo - korišteno u izvornim vodenim kotačima i cjevovodima - djelomično je zamijenjeno čeličnim komponentama početkom 19. stoljeća. Čelik zadržava svoju čvrstoću kroz visoka opterećenja umorom i otporan je na kavitacijsku eroziju i koroziju. Njegova svojstva su dobro shvaćena, a procesi za proizvodnju komponenti su dobro razvijeni. Za velike jedinice, čelik će vjerojatno ostati materijal izbora.
Međutim, s obzirom na porast broja malih (ispod 10 MW) do mikroturbina (ispod 100 kW), kompoziti se mogu koristiti za uštedu na težini i smanjenje troškova proizvodnje i utjecaja na okoliš. To je posebno važno s obzirom na kontinuiranu potrebu za rastom opskrbe električnom energijom. Instalirani svjetski hidroenergetski kapacitet, gotovo 800 000 MW prema studiji Norwegian Renewable Energy Partners iz 2009. godine, iznosi samo 10% ekonomski isplativog i 6% tehnički isplativog hidroenergetskog kapaciteta. Potencijal da se više tehnički isplativog hidroenergetskog kapaciteta dovede u područje ekonomski isplativog povećava se sa sposobnošću kompozitnih komponenti da ostvare ekonomiju razmjera.
Proizvodnja kompozitnih komponenti
Za ekonomičnu proizvodnju cjevovoda s dosljedno visokom čvrstoćom, najbolja metoda je namatanje niti. Veliki trn omotan je strunama vlakana koja su provučena kroz kupku od smole. Strune su omotane u obručne i spiralne uzorke kako bi se stvorila čvrstoća na unutarnji tlak, uzdužno savijanje i rukovanje. Odjeljak s rezultatima u nastavku prikazuje trošak i težinu po metru za dvije veličine cjevovoda, na temelju ponude lokalnih dobavljača. Ponuda je pokazala da je debljina dizajna bila uvjetovana zahtjevima za ugradnju i rukovanje, a ne relativno niskim tlačnim opterećenjem, te je za obje iznosila 2,28 cm.
Za vratašca i zaštitne krilca razmatrane su dvije metode proizvodnje: mokro slaganje i vakuumska infuzija. Mokro slaganje koristi suhu tkaninu koja se impregnira izlijevanjem smole preko tkanine i korištenjem valjaka za utiskivanje smole u tkaninu. Ovaj proces nije tako čist kao vakuumska infuzija i ne proizvodi uvijek najoptimiziraniju strukturu u smislu omjera vlakana i smole, ali traje kraće od procesa vakuumske infuzije. Vakuumska infuzija slaže suha vlakna u ispravne orijentacije, a suhi sloj se zatim vakuumski pakira u vreće i pričvršćuju se dodatni spojevi koji vode do dovoda smole, koja se uvlači u dio kada se primijeni vakuum. Vakuum pomaže u održavanju količine smole na optimalnoj razini i smanjuje oslobađanje hlapljivih organskih tvari.
Spiralno kućište će se ručno slagati u dvije odvojene polovice na muškom kalupu kako bi se osigurala glatka unutarnja površina. Ove dvije polovice će se zatim spojiti vlaknima dodanim na vanjsku stranu na mjestu spajanja kako bi se osigurala odgovarajuća čvrstoća. Tlačno opterećenje u spiralnom kućištu ne zahtijeva napredni kompozit visoke čvrstoće, tako da će biti dovoljno mokro slaganje tkanine od stakloplastike s epoksidnom smolom. Debljina spiralnog kućišta temeljila se na istom parametru dizajna kao i cjevovod. Jedinica od 250 kW je aksijalni stroj, tako da nema spiralnog kućišta.
Rotor turbine kombinira složenu geometriju s visokim zahtjevima za opterećenje. Nedavni rad pokazao je da se visokočvrste strukturne komponente mogu proizvesti od usitnjenog preprega SMC-a s izvrsnom čvrstoćom i krutošću.5 Vijak ovjesa Lamborghini Gallarda dizajniran je korištenjem više slojeva usitnjenog preprega SMC-a poznatog kao kovani kompozit, kompresijski oblikovanih kako bi se dobila potrebna debljina. Ista metoda može se primijeniti na Francisov rotor i rotore propelera. Francisov rotor ne može se izraditi kao jedna jedinica, jer bi složenost preklapanja lopatica spriječila vađenje dijela iz kalupa. Stoga se lopatice rotora, kruna i traka proizvode odvojeno, a zatim se spajaju i ojačavaju vijcima kroz vanjsku stranu krune i trake.
Iako se cijev za pročišćavanje najlakše proizvodi namotavanjem niti, ovaj postupak nije komercijaliziran korištenjem prirodnih vlakana. Stoga je odabrano ručno slaganje, jer je to standardna metoda proizvodnje, unatoč višim troškovima rada. Korištenjem muškog kalupa sličnog trnu, slaganje se može dovršiti s kalupom u horizontalnom položaju, a zatim okrenuti vertikalno za stvrdnjavanje, sprječavajući progib na jednoj strani. Težina kompozitnih dijelova malo će varirati ovisno o količini smole u gotovom dijelu. Ove brojke temelje se na 50% težine vlakana.
Ukupne težine čelične i kompozitne turbine od 2 MW iznose 9.888 kg, odnosno 7.016 kg. Čelične i kompozitne turbine od 250 kW teže 3.734 kg, odnosno 1.927 kg. Ukupne težine pretpostavljaju 20 vrata za svaku turbinu i duljinu cjevovoda jednaku glavi turbine. Vjerojatno bi cjevovod bio duži i zahtijevao bi spojnice, ali ovaj broj daje osnovnu procjenu težine jedinice i pripadajuće periferne opreme. Generator, vijci i hardver za aktiviranje vrata nisu uključeni i pretpostavlja se da su slični kod kompozitnih i čeličnih jedinica. Također vrijedi napomenuti da bi redizajn rotora potreban za uzimanje u obzir koncentracija naprezanja uočenih u FEA analizi dodao težinu kompozitnim jedinicama, ali se pretpostavlja da je količina minimalna, reda veličine 5 kg za ojačanje točaka s koncentracijom naprezanja.
S danim težinama, kompozitnu turbinu od 2 MW i njezin cjevovod mogao bi podići brzi V-22 Osprey, dok bi čelični stroj zahtijevao sporiji, manje upravljiv helikopter Chinook s dva rotora. Također, kompozitnu turbinu od 2 MW i cjevovod mogao bi vući F-250 4×4, dok bi čelična jedinica zahtijevala veći kamion kojim bi bilo teško manevrirati šumskim cestama ako bi instalacija bila udaljena.
Zaključci
Izvedivo je konstruirati turbine od kompozitnih materijala, a uočeno je smanjenje težine od 50% do 70% u usporedbi s konvencionalnim čeličnim komponentama. Smanjena težina omogućuje ugradnju kompozitnih turbina na udaljenim lokacijama. Osim toga, za sastavljanje ovih kompozitnih struktura nije potrebna oprema za zavarivanje. Komponente također zahtijevaju manje dijelova za spajanje vijcima, jer se svaki komad može izraditi u jednom ili dva dijela. Pri malim proizvodnim serijama modeliranim u ovoj studiji, trošak kalupa i ostalog alata dominira cijenom komponente.
Mali projekti prikazani ovdje pokazuju koliko bi koštalo daljnje istraživanje ovih materijala. Ovo istraživanje može se pozabaviti erozijom uslijed kavitacije i UV zaštitom komponenti nakon ugradnje. Moguće je koristiti elastomerne ili keramičke premaze za smanjenje kavitacije ili osigurati da turbina radi u režimima protoka i tlaka koji sprječavaju pojavu kavitacije. Bit će važno testirati i riješiti ova i druga pitanja kako bi se osiguralo da jedinice mogu postići sličnu pouzdanost kao čelične turbine, posebno ako će se ugrađivati u područjima gdje će održavanje biti rijetko.
Čak i kod ovih malih serija, neke kompozitne komponente mogu biti isplative zbog smanjenog rada potrebnog za proizvodnju. Na primjer, zavarivanje kućišta spiralne cijevi za Francisovu jedinicu od 2 MW koštalo bi 80.000 dolara od čelika u usporedbi s 25.000 dolara za proizvodnju od kompozita. Međutim, pod pretpostavkom uspješnog dizajna rotora turbine, trošak oblikovanja kompozitnih rotora veći je od troškova oblikovanja ekvivalentnih čeličnih komponenti. Rotor od 2 MW koštao bi oko 23.000 dolara za proizvodnju od čelika, u usporedbi s 27.000 dolara za proizvodnju od kompozita. Troškovi se mogu razlikovati ovisno o stroju. A trošak kompozitnih komponenti znatno bi pao pri većim proizvodnim serijama ako bi se kalupi mogli ponovno koristiti.
Istraživači su već istraživali konstrukciju rotora turbina od kompozitnih materijala.8 Međutim, ova studija nije se bavila kavitacijskom erozijom i izvedivošću konstrukcije. Sljedeći korak za kompozitne turbine je projektiranje i izgradnja modela u mjerilu koji će omogućiti dokaz izvedivosti i ekonomičnosti proizvodnje. Ova se jedinica zatim može testirati kako bi se utvrdila učinkovitost i primjenjivost, kao i metode za sprječavanje prekomjerne kavitacijske erozije.
Vrijeme objave: 15. veljače 2022.
