Ինչպես կարելի է օգտագործել կոմպոզիտային նյութեր Ֆորսթերի փոքր հիդրոէլեկտրակայանների տուրբինների համար

Կոմպոզիտային նյութերը մեծ տարածում են գտնում հիդրոէլեկտրակայանների համար սարքավորումների կառուցման մեջ: Նյութի ամրության և այլ չափանիշների ուսումնասիրությունը բացահայտում է շատ ավելի շատ կիրառություններ, մասնավորապես փոքր և միկրոկայանքների համար:
Այս հոդվածը գնահատվել և խմբագրվել է համապատասխան փորձ ունեցող երկու կամ ավելի մասնագետների կողմից անցկացված գրախոսությունների համաձայն: Այս գրախոսները ձեռագրերը գնահատում են տեխնիկական ճշգրտությամբ, օգտակարությամբ և հիդրոէլեկտրակայանների ոլորտում ընդհանուր կարևորությամբ:
Նոր նյութերի ի հայտ գալը հետաքրքիր հնարավորություններ է ընձեռում հիդրոէլեկտրակայանների արդյունաբերության համար: Փայտը, որն օգտագործվում էր սկզբնական ջրանիվներում և ջրատար խողովակներում, մասամբ փոխարինվեց պողպատե բաղադրիչներով 1800-ականների սկզբին: Պողպատը պահպանում է իր ամրությունը բարձր հոգնածության բեռնվածքի շնորհիվ և դիմադրում է կավիտացիոն էրոզիային և կոռոզիային: Դրա հատկությունները լավ հասկանալի են, և բաղադրիչների արտադրության գործընթացները լավ մշակված են: Մեծ բլոկների համար պողպատը, հավանաբար, կմնա նախընտրելի նյութը:
Այնուամենայնիվ, հաշվի առնելով փոքր (10 ՄՎտ-ից ցածր) միկրո (100 կՎտ-ից ցածր) տուրբիններից անցումը, կոմպոզիտային նյութերը կարող են օգտագործվել քաշը խնայելու, արտադրական ծախսերը և շրջակա միջավայրի վրա ազդեցությունը նվազեցնելու համար: Սա հատկապես կարևոր է՝ հաշվի առնելով էլեկտրաէներգիայի մատակարարման աճի շարունակական անհրաժեշտությունը: Համաշխարհային հիդրոէներգիայի տեղադրված հզորությունը, որը գրեթե 800,000 ՄՎտ է ըստ Norwegian Renewable Energy Partners-ի 2009 թվականի ուսումնասիրության, կազմում է տնտեսապես նպատակահարմար հիդրոէներգիայի միայն 10%-ը և տեխնիկապես նպատակահարմար հիդրոէներգիայի 6%-ը: Տեխնիկապես նպատակահարմար հիդրոէներգիայի ավելի շատ տեսակներ տնտեսապես նպատակահարմար դարձնելու ներուժը մեծանում է կոմպոզիտային բաղադրիչների մասշտաբի էկոնոմիա ապահովելու ունակության հետ մեկտեղ:

Կոմպոզիտային բաղադրիչների արտադրություն
Ջրատար խողովակը տնտեսապես և կայուն բարձր ամրությամբ արտադրելու համար լավագույն մեթոդը թելիկավոր փաթաթումն է: Մեծ մանդրելը փաթաթվում է մանրաթելային թելերով, որոնք անցկացվել են խեժային լոգարանի միջով: Թելերը փաթաթվում են օղակաձև և պարուրաձև նախշերով՝ ներքին ճնշման, երկայնական ծռման և բեռնաթափման համար ամրություն ստեղծելու համար: Ստորև բերված արդյունքների բաժինը ցույց է տալիս երկու չափսերի ջրատար խողովակների արժեքը և քաշը մեկ ոտնաչափի համար՝ հիմնվելով տեղական մատակարարների գնանշման վրա: Գնանշումը ցույց է տվել, որ նախագծային հաստությունը որոշվել է տեղադրման և բեռնաթափման պահանջներով, այլ ոչ թե համեմատաբար ցածր ճնշման բեռով, և երկուսի համար էլ այն կազմել է 2.28 սմ:
Դռնակային դարպասների և հենարանների համար դիտարկվել են երկու արտադրական մեթոդներ՝ թաց շերտավորում և վակուումային ներարկում: Թաց շերտավորման դեպքում օգտագործվում է չոր գործվածք, որը ներծծվում է գործվածքի վրա խեժ լցնելով և գլանների միջոցով խեժը գործվածքի մեջ մղելով: Այս գործընթացը այնքան մաքուր չէ, որքան վակուումային ներարկումը և միշտ չէ, որ ապահովում է մանրաթել-խեժ հարաբերակցության առումով առավելագույնս օպտիմալ կառուցվածք, բայց այն ավելի քիչ ժամանակ է պահանջում, քան վակուումային ներարկման գործընթացը: Վակուումային ներարկման դեպքում չոր մանրաթելը դասավորվում է ճիշտ կողմնորոշումներով, որից հետո չոր կույտը վակուումային տոպրակներով է լցվում և ամրացվում են լրացուցիչ միացումներ, որոնք հանգեցնում են խեժի մատակարարմանը, որը ներծծվում է մասի մեջ, երբ կիրառվում է վակուում: Վակուումը օգնում է պահպանել խեժի քանակը օպտիմալ մակարդակում և նվազեցնում է ցնդող օրգանական նյութերի արտանետումը:
Գլանաձև պատյանը ձեռքով կտեղադրվի երկու առանձին կեսերի մեջ՝ արական կաղապարի վրա՝ հարթ ներքին մակերես ապահովելու համար: Այնուհետև այս երկու կեսերը կկապվեն միմյանց՝ արտաքին մասում միացման կետում մանրաթել ավելացնելով՝ բավարար ամրություն ապահովելու համար: Գլանաձև պատյանի ճնշման բեռը չի պահանջում բարձր ամրության առաջադեմ կոմպոզիտ, ուստի ապակեպլաստե գործվածքի խոնավ շերտավորումը էպօքսիդային խեժով բավարար կլինի: Գլանաձև պատյանի հաստությունը հիմնված է նույն նախագծային պարամետրի վրա, ինչ ջրատար խողովակը: 250 կՎտ հզորությամբ բլոկը առանցքային հոսքի մեքենա է, ուստի գլանաձև պատյան չկա:

Տուրբինի շարժիչի վազքը համատեղում է բարդ երկրաչափությունը բարձր բեռի պահանջների հետ: Վերջերս կատարված աշխատանքները ցույց են տվել, որ բարձր ամրության կառուցվածքային բաղադրիչները կարող են արտադրվել կտրատած պրեպրեգնված SMC-ից՝ գերազանց ամրությամբ և կոշտությամբ:5 Lamborghini Gallardo-ի կախոցի լծակը նախագծվել է կտրատած պրեպրեգնված SMC-ի բազմակի շերտերով, որը հայտնի է որպես կռած կոմպոզիտ, սեղմված ձուլված՝ անհրաժեշտ հաստությունը ստանալու համար: Նույն մեթոդը կարող է կիրառվել նաև Francis-ի և պտուտակային շարժիչների վրա: Francis-ի շարժիչը չի կարող պատրաստվել որպես մեկ միավոր, քանի որ շեղբերի համընկնման բարդությունը կխանգարի մասի դուրսբերմանը ձուլվածքից: Այսպիսով, շարժիչի շեղբերը, պսակը և ժապավենը արտադրվում են առանձին, այնուհետև միացվում են միմյանց և ամրացվում պտուտակներով պսակի և ժապավենի արտաքին մասով:
Թեև նախագիծը ապահովող խողովակը ամենահեշտությամբ պատրաստվում է թելիկի փաթաթման միջոցով, այս գործընթացը դեռևս առևտրայնացված չէ բնական մանրաթելերի միջոցով: Հետևաբար, ընտրվել է ձեռքով դասավորումը, քանի որ սա արտադրության ստանդարտ մեթոդ է՝ չնայած աշխատանքի բարձր ծախսերին: Օգտագործելով մանդրելի նման արական կաղապար, դասավորումը կարող է ավարտվել կաղապարը հորիզոնական դիրքով, ապա ուղղահայաց պտտվելով՝ կարծրացնելու համար, կանխելով մի կողմի կախվելը: Կոմպոզիտային մասերի քաշը փոքր-ինչ կտատանվի՝ կախված պատրաստի մասում խեժի քանակից: Այս թվերը հիմնված են մանրաթելի 50% քաշի վրա:
Պողպատե և կոմպոզիտային 2 ՄՎտ հզորությամբ տուրբինների ընդհանուր քաշը համապատասխանաբար կազմում է 9,888 կգ և 7,016 կգ: 250 կՎտ հզորությամբ պողպատե և կոմպոզիտային տուրբինները համապատասխանաբար կազմում են 3,734 կգ և 1,927 կգ: Ընդհանուր արժեքը ենթադրում է յուրաքանչյուր տուրբինի համար 20 դարպաս և տուրբինի գլխիկին հավասար ջրատար խողովակի երկարություն: Հավանական է, որ ջրատար խողովակը կլինի ավելի երկար և կպահանջի միացումներ, բայց այս թիվը տալիս է բլոկի և դրան կից ծայրամասային սարքերի քաշի հիմնական գնահատականը: Գեներատորը, պտուտակները և դարպասի ակտիվացնող սարքավորումները չեն ներառվում և ենթադրվում է, որ կոմպոզիտային և պողպատե բլոկների համար նման են: Նաև հարկ է նշել, որ FEA-ում նկատված լարվածության կոնցենտրացիաները հաշվի առնելու համար անհրաժեշտ հոսքագծի վերաձևավորումը կավելացնի կոմպոզիտային բլոկների քաշը, բայց այդ քանակը ենթադրվում է նվազագույն՝ մոտ 5 կգ՝ լարվածության կոնցենտրացիայով կետերը ամրացնելու համար:
Տրված կշիռներով 2 ՄՎտ հզորությամբ կոմպոզիտային տուրբինը և դրա ջրատար խողովակը կարող էին բարձրացվել արագընթաց V-22 Osprey-ով, մինչդեռ պողպատե մեքենան կպահանջեր ավելի դանդաղ, պակաս մանևրելու Chinook երկռոտոր ուղղաթիռ։ Բացի այդ, 2 ՄՎտ հզորությամբ կոմպոզիտային տուրբինը և ջրատար խողովակը կարող էին քարշակվել F-250 4×4-ով, մինչդեռ պողպատե բլոկը կպահանջեր ավելի մեծ բեռնատար, որը դժվար կլիներ մանևրել անտառային ճանապարհներով, եթե տեղադրումը հեռակառավարվող լիներ։

Եզրակացություններ
Հնարավոր է տուրբիններ կառուցել կոմպոզիտային նյութերից, և նկատվել է 50%-ից 70% քաշի կրճատում՝ համեմատած ավանդական պողպատե բաղադրիչների հետ։ Քաշի կրճատումը թույլ է տալիս տեղադրել կոմպոզիտային տուրբիններ հեռավոր վայրերում։ Բացի այդ, այս կոմպոզիտային կառուցվածքների հավաքումը չի պահանջում եռակցման սարքավորումներ։ Բաղադրիչները նաև պահանջում են ավելի քիչ մասերի ամրացում, քանի որ յուրաքանչյուր կտոր կարող է պատրաստվել մեկ կամ երկու հատվածով։ Այս ուսումնասիրության մեջ մոդելավորված փոքր արտադրական ցիկլերում կաղապարների և այլ գործիքների արժեքը գերակշռում է բաղադրիչների արժեքին։
Այստեղ նշված փոքր վազքերը ցույց են տալիս, թե որքան կարժենա այս նյութերի վերաբերյալ հետագա հետազոտություններ սկսելը: Այս հետազոտությունը կարող է լուծել կավիտացիոն էրոզիայի և բաղադրիչների ուլտրամանուշակագույն ճառագայթներից պաշտպանության խնդիրը տեղադրումից հետո: Հնարավոր է օգտագործել էլաստոմերային կամ կերամիկական ծածկույթներ՝ կավիտացիան նվազեցնելու կամ ապահովելու համար, որ տուրբինը աշխատի հոսքի և գլխամասի ռեժիմներում, որոնք կանխում են կավիտացիայի առաջացումը: Կարևոր կլինի փորձարկել և լուծել այս և այլ խնդիրներ՝ ապահովելու համար, որ բլոկները կարողանան հասնել պողպատե տուրբինների նման հուսալիության, հատկապես, եթե դրանք տեղադրվելու են այնպիսի տարածքներում, որտեղ սպասարկումը հազվադեպ կլինի:
Նույնիսկ այս փոքր խմբաքանակների դեպքում, որոշ կոմպոզիտային բաղադրիչներ կարող են ծախսարդյունավետ լինել արտադրության համար անհրաժեշտ աշխատուժի կրճատման պատճառով: Օրինակ, 2 ՄՎտ հզորությամբ Ֆրենսիս բլոկի համար գլանաձև պատյանը պողպատից եռակցելու համար կարժենա 80,000 դոլար, համեմատած կոմպոզիտային արտադրության համար անհրաժեշտ 25,000 դոլարի հետ: Այնուամենայնիվ, ենթադրելով տուրբինային վազորդների հաջող նախագծում, կոմպոզիտային վազորդների ձուլման արժեքը ավելի թանկ է, քան համարժեք պողպատե բաղադրիչների: 2 ՄՎտ հզորությամբ վազորդը պողպատից արտադրելու համար կարժենա մոտ 23,000 դոլար, համեմատած կոմպոզիտային արտադրության համար անհրաժեշտ 27,000 դոլարի հետ: Արժեքը կարող է տարբեր լինել մեքենայից մեքենա: Եվ կոմպոզիտային բաղադրիչների արժեքը զգալիորեն կնվազի ավելի բարձր արտադրական խմբաքանակների դեպքում, եթե կաղապարները կարողանան վերօգտագործվել:
Հետազոտողներն արդեն ուսումնասիրել են կոմպոզիտային նյութերից տուրբինային վազորդների կառուցումը։8 Սակայն այս ուսումնասիրությունը չի անդրադարձել կավիտացիոն էրոզիային և կառուցման իրագործելիությանը։ Կոմպոզիտային տուրբինների հաջորդ քայլը մասշտաբային մոդելի նախագծումն ու կառուցումն է, որը թույլ կտա ապացուցել իրագործելիությունը և արտադրության տնտեսողությունը։ Այնուհետև այս միավորը կարող է փորձարկվել՝ արդյունավետությունն ու կիրառելիությունը, ինչպես նաև ավելորդ կավիտացիոն էրոզիան կանխելու մեթոդները որոշելու համար։