A kompozit anyagok egyre nagyobb teret hódítanak a vízerőmű-ipari berendezések gyártásában. Az anyagszilárdság és egyéb kritériumok vizsgálata számos további alkalmazási lehetőséget tárt fel, különösen a kis és mikro egységek esetében.
Ezt a cikket legalább két, releváns szakértelemmel rendelkező szakember értékelése és szerkesztése alapján értékelték és szerkesztették. Ezek a lektorok a kéziratokat technikai pontosság, hasznosság és a vízerőmű-iparon belüli általános fontosság szempontjából bírálják el.
Az új anyagok megjelenése izgalmas lehetőségeket kínál a vízerőmű-ipar számára. A fát – amelyet az eredeti vízikerekekben és nyomócsövekben használtak – az 1800-as évek elején részben acél alkatrészek váltották fel. Az acél nagy fárasztó terhelés mellett is megőrzi szilárdságát, és ellenáll a kavitációs eróziónak és korróziónak. Tulajdonságai jól ismertek, és az alkatrészgyártási folyamatok jól kidolgozottak. Nagy egységek esetében valószínűleg az acél marad a választott anyag.
Azonban a kis (10 MW alatti) és a mikroméretű (100 kW alatti) turbinák térnyerése miatt a kompozitok felhasználhatók a súlymegtakarítás, a gyártási költségek és a környezeti terhelés csökkentése érdekében. Ez különösen fontos a villamosenergia-ellátás folyamatos növekedésének igénye miatt. A világ beépített vízerőmű-kapacitása, amely a Norwegian Renewable Energy Partners 2009-es tanulmánya szerint közel 800 000 MW, a gazdaságilag megvalósítható vízenergia mindössze 10%-a, a műszakilag megvalósítható vízenergia pedig 6%-a. A kompozit alkatrészek méretgazdaságosságának biztosításával egyre nagyobb a potenciál arra, hogy a műszakilag megvalósítható vízerőművek nagyobb részét gazdaságilag megvalósíthatóvá tegyék.
Kompozit alkatrészgyártás
A nyomócső gazdaságos és állandóan nagy szilárdságú gyártásához a legjobb módszer a száltekercselés. Egy nagy tüskét gyantafürdőn átvezetett szálkócokkal tekercselnek be. A kócokat gyűrű és spirális mintákban tekerik fel, hogy szilárdságot hozzanak létre a belső nyomáshoz, a hosszirányú hajlításhoz és a kezeléshez. Az alábbi eredményrész a két nyomócső méret költségét és lábankénti súlyát mutatja, helyi beszállítóktól kapott árajánlat alapján. Az árajánlat szerint a tervezési vastagságot a telepítési és kezelési követelmények határozták meg, nem pedig a viszonylag alacsony nyomásterhelés, és mindkettő esetében 2,28 cm volt.
A kapuk és a kitámasztó lapátok esetében két gyártási módszert fontolóra vettek: a nedves rétegezést és a vákuumos infúziót. A nedves rétegezés száraz szövetet használ, amelyet úgy impregnálnak, hogy gyantát öntenek a szövetre, majd hengerekkel a gyantát a szövetbe nyomják. Ez az eljárás nem olyan tiszta, mint a vákuumos infúzió, és nem mindig eredményezi a legoptimálisabb szerkezetet a szál-gyanta arány tekintetében, de kevesebb időt vesz igénybe, mint a vákuumos infúziós eljárás. A vákuumos infúzió a száraz szálakat a megfelelő orientációban rétegezi, majd a száraz köteget vákuumzacskóba csomagolják, és extra szerelvényeket rögzítenek, amelyek gyantaellátáshoz vezetnek, amelyet a vákuum alkalmazásakor az alkatrész beszív. A vákuum segít a gyanta mennyiségét optimális szinten tartani, és csökkenti az illékony szerves anyagok kibocsátását.
A görgős burkolat két különálló feléből készül, kézzel ragasztva egy külső öntőformán, hogy sima belső felületet biztosítson. Ezt a két felet ezután összeragasztják, és a ragasztási ponton kívülre szálakat adnak hozzá a megfelelő szilárdság biztosítása érdekében. A görgős burkolatban fellépő nyomásterhelés nem igényel nagy szilárdságú, fejlett kompozitot, így az üvegszálas szövet és epoxigyanta nedves rétegezése elegendő. A görgős burkolat vastagságát ugyanazon a tervezési paraméteren alapulták, mint a nyomócső. A 250 kW-os egység egy axiális áramlású gép, így nincs görgős burkolat.
Egy turbina futómű összetett geometriát ötvöz nagy terhelési követelményekkel. Újabb kutatások kimutatták, hogy nagy szilárdságú szerkezeti elemek gyárthatók kiváló szilárdsággal és merevséggel rendelkező aprított prepreg SMC-ből.5 A Lamborghini Gallardo lengőkarját több réteg aprított prepreg SMC, más néven kovácsolt kompozit felhasználásával tervezték, majd kompressziós öntéssel érték el a kívánt vastagságot. Ugyanez a módszer alkalmazható a Francis és a propeller futóművekre is. A Francis futómű nem gyártható egyetlen egységként, mivel a lapátok átfedésének összetettsége megakadályozná az alkatrész kivételét a formából. Így a futómű lapátjait, a koronát és a szalagot külön gyártják, majd összeragasztják és csavarokkal erősítik meg a korona és a szalag külső oldalán keresztül.
Bár a huzatcsövet legegyszerűbben száltekerccsel lehet előállítani, ez az eljárás természetes szálak felhasználásával nem kereskedelmi forgalomba került. Ezért a kézi rétegezést választották, mivel ez a standard gyártási módszer, a magasabb munkaköltségek ellenére is. Egy tüskéhez hasonló külső öntőforma használatával a rétegezés elvégezhető úgy, hogy a forma vízszintes, majd függőlegesen állítható a kikeményedés érdekében, megakadályozva az egyik oldal megereszkedését. A kompozit alkatrészek súlya kismértékben változhat a kész alkatrészben lévő gyanta mennyiségétől függően. Ezek a számok 50%-os száltömegre vonatkoznak.
Az acél és a kompozit 2 MW-os turbina össztömege 9888 kg, illetve 7016 kg. A 250 kW-os acél és kompozit turbinák súlya 3734 kg, illetve 1927 kg. Az összegek 20 kaput feltételeznek turbinánként, és a turbinafejjel megegyező nyomócső hosszt. Valószínű, hogy a nyomócső hosszabb lesz, és szerelvényeket igényel, de ez a szám az egység és a kapcsolódó perifériák súlyának alapvető becslését adja. A generátor, a csavarok és a kapuműködtető szerelvények nincsenek benne, és feltételezzük, hogy hasonlóak a kompozit és az acél egységekben. Azt is érdemes megjegyezni, hogy a végeselemes elemzésben (FEA) látható feszültségkoncentrációk figyelembevételéhez szükséges futómű-áttervezés növelné a kompozit egységek súlyát, de a mennyiséget minimálisnak, nagyságrendileg 5 kg-nak feltételezzük a feszültségkoncentrációval rendelkező pontok megerősítéséhez.
Az adott súlyokkal a 2 MW-os kompozit turbinát és nyomófejét egy gyors V-22 Osprey felemelhetné, míg az acélszerkezetű géphez egy lassabb, kevésbé manőverezhető Chinook kétrotoros helikopterre lenne szükség. A 2 MW-os kompozit turbinát és nyomófejet egy F-250 4×4-es vontató is vontathatná, míg az acélszerkezetű egységhez egy nagyobb teherautóra lenne szükség, amelyet nehéz lenne manőverezni erdei utakon, ha a telepítés távoli helyen lenne.
Következtetések
Kompozit anyagokból turbinákat lehet építeni, és a hagyományos acél alkatrészekhez képest 50-70%-os súlycsökkenést tapasztaltak. A csökkentett súly lehetővé teszi a kompozit turbinák távoli helyszíneken történő telepítését. Ezenkívül ezeknek a kompozit szerkezeteknek az összeszerelése nem igényel hegesztőberendezést. Az alkatrészekhez kevesebb csavarozásra is szükség van, mivel minden darab egy vagy két részből gyártható. A tanulmányban modellezett kis gyártási sorozatoknál a formák és egyéb szerszámok költsége dominálja az alkatrész költségét.
Az itt feltüntetett kis példányszámok azt mutatják, hogy mennyibe kerülne további kutatásokat végezni ezekkel az anyagokkal kapcsolatban. Ez a kutatás a kavitációs erózióval és az alkatrészek UV-védelmével foglalkozhat a beszerelés után. Lehetséges elasztomer vagy kerámia bevonatok használata a kavitáció csökkentése vagy annak biztosítása érdekében, hogy a turbina olyan áramlási és nyomástartományban működjön, amely megakadályozza a kavitáció kialakulását. Fontos lesz ezen és más problémák tesztelése és megoldása annak biztosítása érdekében, hogy az egységek hasonló megbízhatóságot érjenek el, mint az acélturbinák, különösen akkor, ha olyan területeken telepítik őket, ahol a karbantartás ritka lesz.
Még ezeknél a kis sorozatoknál is egyes kompozit alkatrészek költséghatékonyak lehetnek a gyártáshoz szükséges csökkent munkaerő-igény miatt. Például a 2 MW-os Francis egység csigaházának acélból történő hegesztése 80 000 dollárba kerülne, szemben a kompozit gyártás 25 000 dollárjával. Feltételezve azonban, hogy a turbina járókerekeinek tervezése sikeres, a kompozit járókerekek öntésének költsége meghaladja a hasonló acél alkatrészekét. A 2 MW-os járókerek acélból történő gyártása körülbelül 23 000 dollárba kerülne, szemben a kompozitból történő 27 000 dollárral. A költségek gépenként eltérőek lehetnek. A kompozit alkatrészek költsége pedig jelentősen csökkenne nagyobb gyártási sorozatoknál, ha a formák újra felhasználhatók lennének.
A kutatók már vizsgálták a kompozit anyagokból készült turbinafutók építését.8 Ez a tanulmány azonban nem foglalkozott a kavitációs erózióval és a konstrukció megvalósíthatóságával. A kompozit turbinák következő lépése egy olyan méretarányos modell megtervezése és megépítése, amely lehetővé teszi a gyártás megvalósíthatóságának és gazdaságosságának igazolását. Ezt az egységet ezután tesztelni lehet a hatékonyság és az alkalmazhatóság, valamint a túlzott kavitációs erózió megelőzésének módszerei szempontjából.
Közzététel ideje: 2022. február 15.
