複合材料は水力発電産業の設備製造に広く利用され始めています。材料強度やその他の基準を調査すると、特に小型・超小型ユニットにおいて、より多くの用途が明らかになります。
本論文は、関連する専門知識を有する2名以上の専門家による査読に基づいて評価および編集されています。これらの査読者は、論文の技術的な正確性、有用性、そして水力発電業界における全体的な重要性について審査します。
新素材の台頭は、水力発電業界に刺激的な機会をもたらします。初期の水車や水圧鉄管には木材が使用されていましたが、1800年代初頭には一部が鋼鉄部品に置き換えられました。鋼鉄は高い疲労荷重にも強度を維持し、キャビテーション浸食や腐食にも耐性があります。その特性は十分に理解されており、部品製造プロセスも十分に開発されています。大型ユニットでは、鋼鉄が引き続き主要な材料として選ばれる可能性が高いでしょう。
しかし、小型（10MW未満）から超小型（100kW未満）のタービンの増加に伴い、複合材を使用することで軽量化、製造コストの削減、環境への影響の低減が可能になります。これは、電力供給の継続的な増加が求められる状況において特に重要です。ノルウェー再生可能エネルギーパートナーズによる2009年の調査によると、世界の水力発電設備容量は約80万MWですが、これは経済的に実現可能な水力発電のわずか10%、技術的に実現可能な水力発電の6%に過ぎません。技術的に実現可能な水力発電を経済的に実現可能な範囲にまで拡大する可能性は、複合材部品がスケールメリットをもたらす能力によって高まります。
複合部品製造
水圧管を経済的かつ一貫して高い強度で製造するには、フィラメントワインディング法が最適な方法です。大きなマンドレルに、樹脂浴に通した繊維の束を巻き付けます。束はフープ状とらせん状に巻き付けられ、内部圧力、縦方向の曲げ、そして取り扱いに対する強度を高めます。以下の結果セクションは、地元のサプライヤーからの見積もりに基づく、2種類の水圧管のサイズごとの1フィートあたりのコストと重量を示しています。見積もりによると、設計厚さは比較的低い圧力負荷ではなく、設置と取り扱いの要件によって決定され、どちらも2.28cmでした。
ウィケットゲートとステーベーンの製造には、ウェットレイアップと真空注入の2つが検討されました。ウェットレイアップでは、乾燥した布地に樹脂を注ぎ、ローラーで樹脂を押し込むことで含浸させます。このプロセスは真空注入ほどクリーンではなく、繊維と樹脂の比率の点で必ずしも最適な構造を生み出せるわけではありませんが、真空注入プロセスよりも時間がかかりません。真空注入では、乾燥した繊維を正しい方向に積層し、その後、乾燥したスタックを真空バッグに入れ、真空を適用したときに部品に引き込まれる樹脂供給につながる追加のフィッティングを取り付けます。真空は樹脂の量を最適なレベルに維持し、揮発性有機化合物の放出を減らすのに役立ちます。
スクロールケースは、滑らかな内面を確保するため、雄型を用いて2つの別々の半分に手作業で積層されます。その後、接合部の外側に繊維を追加することで十分な強度を確保し、接合します。スクロールケース内の圧力負荷には高強度の先進複合材は必要ないため、グラスファイバー織物とエポキシ樹脂をウェットレイアップすることで十分です。スクロールケースの厚さは、水圧管と同じ設計パラメータに基づいています。250kWユニットは軸流式であるため、スクロールケースは存在しません。
タービンランナーは、複雑な形状と高い負荷要件を兼ね備えています。最近の研究では、優れた強度と剛性を備えたチョップドプリプレグSMCから高強度構造部品を製造できることが実証されています。5 ランボルギーニ・ガヤルドのサスペンションアームは、鍛造複合材として知られるチョップドプリプレグSMCの多層構造を用いて設計され、必要な厚さに圧縮成形されています。同じ手法は、フランシスランナーとプロペラランナーにも適用できます。フランシスランナーは、ブレードの重なりが複雑であるため、金型から部品を取り出すことができないため、一体型に製造することはできません。そのため、ランナーブレード、クラウン、バンドはそれぞれ個別に製造され、クラウンとバンドの外側からボルトで接合・補強されています。
ドラフトチューブはフィラメントワインディング法で最も簡単に製造できますが、この方法は天然繊維を用いた商業化には至っていません。そのため、人件費は高いものの標準的な製造方法であるハンドレイアップ法が選択されました。マンドレルに似た雄型を使用することで、型を水平にした状態でレイアップを完了し、その後垂直に回転させて硬化させることで、片側のたるみを防ぐことができます。複合部品の重量は、完成品に含まれる樹脂の量によって若干異なります。これらの数値は、繊維重量が50%の場合の数値です。
鋼製2MWタービンと複合材製2MWタービンの総重量は、それぞれ9,888 kgと7,016 kgです。250kWの鋼製タービンと複合材製タービンは、それぞれ3,734 kgと1,927 kgです。この合計は、各タービンに20個のウィケットゲートがあり、水圧管路の長さがタービンのヘッドと等しいことを前提としています。水圧管路は長くなり、継手が必要になる可能性がありますが、この数値はユニットと関連周辺機器の重量の基本的な見積もりを示しています。発電機、ボルト、ゲート駆動ハードウェアは含まれておらず、複合材ユニットと鋼製ユニットで同等であると想定されています。また、FEAで確認された応力集中を考慮するために必要なランナーの再設計により、複合材ユニットの重量が増加しますが、その量は応力集中箇所を強化するための約5 kgと最小限であると想定されています。
与えられた重量であれば、2MW複合タービンとその水圧管は高速のV-22オスプレイで持ち上げられるが、鋼鉄製の機械は低速で機動性の低いチヌーク双発ローターヘリコプターが必要となる。また、2MW複合タービンと水圧管はF-250 4×4で牽引できるが、鋼鉄製のユニットは大型トラックが必要となり、設置場所が遠隔地であれば林道での操縦が困難となる。
結論
タービンは複合材料で製造可能であり、従来の鋼製部品と比較して50%から70%の軽量化が実現しました。軽量化により、複合材料製タービンは遠隔地への設置が可能になります。さらに、これらの複合構造の組み立てには溶接設備は不要です。また、各部品を1つまたは2つのセクションで構成できるため、ボルトで固定する部品数も少なくて済みます。本研究でモデル化した少量生産においては、金型やその他の工具のコストが部品コストの大部分を占めます。
ここで示した小規模な試験は、これらの材料に関する更なる研究を開始するためにどの程度の費用がかかるかを示しています。この研究は、キャビテーション侵食や設置後の部品の紫外線保護といった問題に対処することができます。キャビテーションを低減するために、エラストマーコーティングやセラミックコーティングを使用することや、キャビテーションの発生を防ぐ流量とヘッド条件でタービンが運転されることを保証することも可能かもしれません。特にメンテナンス頻度の低い地域に設置する場合は、これらの問題やその他の問題を試験し、解決することが重要です。これにより、ユニットが鋼製タービンと同等の信頼性を達成できるようになります。
このような少量生産でも、製造に必要な労働力の削減により、一部の複合材部品はコスト効率に優れています。例えば、2MWフランシスタービンのスクロールケースを鋼鉄で溶接すると80,000ドルかかるのに対し、複合材で製造すると25,000ドルかかります。しかし、タービンランナーの設計が成功すれば、複合材ランナーの成形コストは同等の鋼鉄部品よりも高くなります。2MWランナーを鋼鉄で製造すると約23,000ドルですが、複合材で製造すると27,000ドルになります。コストは機械によって異なる場合があります。また、金型を再利用できれば、生産量の増加に伴い複合材部品のコストは大幅に削減されます。
研究者らは既に複合材料を用いたタービンランナーの構造を研究している。8 しかし、この研究ではキャビテーション壊食と建設の実現可能性については検討されていない。複合材タービンの次のステップは、実現可能性と製造経済性を実証するためのスケールモデルを設計・製作することである。その後、このユニットを試験し、効率と適用性、そして過剰なキャビテーション壊食を防止する方法を決定することができる。
投稿日時: 2022年2月15日
