როგორ შეიძლება კომპოზიტური მასალების გამოყენება ფორსტერის მცირე ჰიდროელექტრო ტურბინებისთვის

კომპოზიტური მასალები სულ უფრო და უფრო პოპულარული ხდება ჰიდროელექტროსადგურებისთვის აღჭურვილობის მშენებლობაში. მასალის სიმტკიცისა და სხვა კრიტერიუმების შესწავლა ავლენს მრავალ სხვა გამოყენებას, განსაკუთრებით მცირე და მიკრო ერთეულებისთვის.
ეს სტატია შეფასდა და რედაქტირებულია ორი ან მეტი შესაბამისი ექსპერტის მიერ ჩატარებული მიმოხილვების შესაბამისად. ეს რეცენზენტები ხელნაწერებს აფასებენ ტექნიკური სიზუსტის, სარგებლიანობისა და ჰიდროელექტროსადგურების ინდუსტრიაში საერთო მნიშვნელობის მიხედვით.
ახალი მასალების გაჩენა ჰიდროელექტროსადგურების ინდუსტრიას საინტერესო შესაძლებლობებს უქმნის. ხე, რომელიც თავდაპირველად წყლის ბორბლებსა და მილსადენებში გამოიყენებოდა, XIX საუკუნის დასაწყისში ნაწილობრივ ფოლადის კომპონენტებმა ჩაანაცვლა. ფოლადი მაღალი დაღლილობის დატვირთვის გამო ინარჩუნებს სიმტკიცეს და ეწინააღმდეგება კავიტაციის ეროზიასა და კოროზიას. მისი თვისებები კარგად არის შესწავლილი და კომპონენტების წარმოების პროცესები კარგად არის შემუშავებული. დიდი დანადგარების შემთხვევაში, ფოლადი, სავარაუდოდ, კვლავაც სასურველი მასალა იქნება.
თუმცა, მცირე (10 მეგავატზე ნაკლები) მიკრო (100 კვტ-ზე ნაკლები) ტურბინებიდან გადასვლის გათვალისწინებით, კომპოზიტების გამოყენება შესაძლებელია წონის დაზოგვის, წარმოების ხარჯებისა და გარემოზე ზემოქმედების შესამცირებლად. ეს განსაკუთრებით აქტუალურია ელექტროენერგიის მიწოდების ზრდის მუდმივი საჭიროების გათვალისწინებით. დამონტაჟებული მსოფლიო ჰიდროენერგიის სიმძლავრე, რომელიც Norwegian Renewable Energy Partners-ის 2009 წლის კვლევის თანახმად, თითქმის 800,000 მეგავატია, ეკონომიკურად მიზანშეწონილობის მხოლოდ 10%-ს და ტექნიკურად მიზანშეწონილობის 6%-ს შეადგენს. ტექნიკურად მიზანშეწონილობის სფეროში მეტი ტექნიკურად მიზანშეწონილობის სფეროში მოქცევის პოტენციალი იზრდება კომპოზიტური კომპონენტების მასშტაბის ეკონომიის უზრუნველყოფის უნარით.

კომპოზიტური კომპონენტების წარმოება
მილსადენის ეკონომიური და მაღალი სიმტკიცის უზრუნველსაყოფად, საუკეთესო მეთოდი ძაფისებრი დახვევაა. დიდი მანდრელი შემოხვეულია ბოჭკოვანი ძაფებით, რომლებიც გატარებულია ფისის აბაზანაში. ძაფები შემოხვეულია რგოლისა და სპირალური ნიმუშებით, რათა შეიქმნას სიმტკიცე შიდა წნევის, გრძივი მოხრისა და დამუშავებისთვის. ქვემოთ მოცემული შედეგების განყოფილებაში ნაჩვენებია ღირებულება და წონა ფუტზე ორი ზომის მილსადენის მილისთვის, ადგილობრივი მომწოდებლების შეთავაზების საფუძველზე. შეთავაზებიდან ჩანს, რომ დიზაინის სისქე განპირობებული იყო მონტაჟისა და დამუშავების მოთხოვნებით და არა შედარებით დაბალი წნევის დატვირთვით და ორივესთვის ის 2.28 სმ იყო.
კარიბჭეებისა და საყრდენი ფრთების დამზადების ორი მეთოდი იქნა განხილული: სველი დამუშავება და ვაკუუმური ინფუზია. სველი დამუშავების დროს გამოიყენება მშრალი ქსოვილი, რომელიც გაჟღენთილია ქსოვილზე ფისის დასხმით და ლილვაკების გამოყენებით ფისის ქსოვილში შესხურებით. ეს პროცესი არ არის ისეთი სუფთა, როგორც ვაკუუმური ინფუზია და ყოველთვის არ იძლევა ყველაზე ოპტიმიზებულ სტრუქტურას ბოჭკოსა და ფისის თანაფარდობის თვალსაზრისით, მაგრამ ვაკუუმური ინფუზიის პროცესთან შედარებით ნაკლებ დროს მოითხოვს. ვაკუუმური ინფუზია მშრალ ბოჭკოს სწორი ორიენტაციით ათავსებს, შემდეგ მშრალი დასტა ვაკუუმურ პარკებში იდება და მასზე დამატებითი ფიტინგები მაგრდება, რაც ფისის მიწოდებას იწვევს, რომელიც ვაკუუმის გამოყენებისას ნაწილში შედის. ვაკუუმი ხელს უწყობს ფისის რაოდენობის ოპტიმალურ დონეზე შენარჩუნებას და ამცირებს აქროლადი ორგანული ნივთიერებების გამოყოფას.
სპირალური კორპუსი ხელით იქნება დაწყობილი ორ ცალკეულ ნაწილად მამრობითი მილის ყალიბზე გლუვი შიდა ზედაპირის უზრუნველსაყოფად. შემდეგ ეს ორი ნახევარი ერთმანეთთან შეერთდება გარედან შეერთების წერტილში ბოჭკოვანი მასალით, რათა უზრუნველყოფილი იყოს საკმარისი სიმტკიცე. სპირალურ კორპუსში წნევის დატვირთვა არ საჭიროებს მაღალი სიმტკიცის მოწინავე კომპოზიტს, ამიტომ საკმარისი იქნება მინაბოჭკოვანი ქსოვილის სველი დაწყობა ეპოქსიდური ფისით. სპირალური კორპუსის სისქე დაფუძნებულია იმავე დიზაინის პარამეტრზე, როგორც მილსადენის მილსადენი. 250 კვტ სიმძლავრის აგრეგატი არის ღერძული ნაკადის მანქანა, ამიტომ სპირალური კორპუსი არ არსებობს.

ტურბინის ძრავის ძრავა აერთიანებს რთულ გეომეტრიას მაღალი დატვირთვის მოთხოვნებთან. ბოლოდროინდელმა კვლევებმა აჩვენა, რომ მაღალი სიმტკიცის სტრუქტურული კომპონენტების დამზადება შესაძლებელია დაჭრილი პრეპრეგირებული SMC-სგან, შესანიშნავი სიმტკიცითა და სიმტკიცით.5 Lamborghini Gallardo-ს საკიდარი მკლავი დაპროექტდა დაჭრილი პრეპრეგირებული SMC-ის მრავალი ფენის გამოყენებით, რომელიც ცნობილია როგორც ჭედური კომპოზიტი, რომელიც შეკუმშვით არის ჩამოსხმული საჭირო სისქის მისაღებად. იგივე მეთოდის გამოყენება შესაძლებელია Francis-ის და პროპელერის ძრავის ძრავებზე. Francis-ის ძრავის ძრავა არ შეიძლება დამზადდეს ერთ ერთეულად, რადგან პირების გადაფარვის სირთულე ხელს შეუშლის ნაწილის ყალიბიდან ამოღებას. ამრიგად, ძრავის პირები, გვირგვინი და ზოლი მზადდება ცალ-ცალკე, შემდეგ კი ერთმანეთთან შეერთება და გამაგრება ხდება ჭანჭიკებით გვირგვინისა და ზოლის გარედან.
მიუხედავად იმისა, რომ გამწოვი მილი ყველაზე მარტივად იწარმოება ძაფის დახვევის გამოყენებით, ეს პროცესი არ არის კომერციალიზებული ბუნებრივი ბოჭკოების გამოყენებით. ამრიგად, შერჩეული იქნა ხელით განლაგება, რადგან ეს წარმოების სტანდარტული მეთოდია, შრომის მაღალი ხარჯების მიუხედავად. მანდრელის მსგავსი მამრობითი ყალიბის გამოყენებით, განლაგება შეიძლება დასრულდეს ყალიბის ჰორიზონტალურად და შემდეგ ვერტიკალურად გასამაგრებლად, რაც თავიდან აიცილებს ერთ მხარეს ჩამოშვებას. კომპოზიტური ნაწილების წონა ოდნავ განსხვავდება დასრულებულ ნაწილში ფისის რაოდენობის მიხედვით. ეს რიცხვები დაფუძნებულია ბოჭკოს წონის 50%-ზე.
ფოლადის და კომპოზიტური 2 მეგავატიანი ტურბინის საერთო წონა შესაბამისად 9,888 კგ და 7,016 კგ-ია. 250 კვტ სიმძლავრის ფოლადის და კომპოზიტური ტურბინების წონა შესაბამისად 3,734 კგ და 1,927 კგ-ია. ჯამური მაჩვენებლები თითოეული ტურბინისთვის 20 კარიბჭეს და ტურბინის წნეხის ტოლ წყალსადენის სიგრძეს გულისხმობს. სავარაუდოა, რომ წყალსადენის მილსადენი უფრო გრძელი იქნება და ფიტინგებს საჭიროებს, მაგრამ ეს რიცხვი აგრეგატისა და მასთან დაკავშირებული პერიფერიული მოწყობილობების წონის ძირითად შეფასებას იძლევა. გენერატორი, ჭანჭიკები და კარიბჭის ამძრავი აპარატურა არ შედის და კომპოზიტურ და ფოლადის აგრეგატებს შორის მსგავსია. ასევე აღსანიშნავია, რომ FEA-ში დაფიქსირებული დაძაბულობის კონცენტრაციის გათვალისწინებით საჭირო ლილვის რედიზაინი კომპოზიტურ აგრეგატებს წონას დაამატებს, მაგრამ ეს რაოდენობა მინიმალურია, დაახლოებით 5 კგ დაძაბულობის კონცენტრაციის მქონე წერტილების გასამაგრებლად.
მოცემული წონებით, 2 მეგავატიანი კომპოზიტური ტურბინისა და მისი წყალსადენი მილის აწევა შესაძლებელი იქნებოდა სწრაფი V-22 Osprey-ით, მაშინ როცა ფოლადის დანადგარს დასჭირდებოდა უფრო ნელი, ნაკლებად მანევრირებადი Chinook-ის ორბორტიანი ვერტმფრენი. ასევე, 2 მეგავატიანი კომპოზიტური ტურბინისა და წყალსადენი მილის ბუქსირება შესაძლებელი იქნებოდა F-250 4×4-ით, მაშინ როცა ფოლადის აგრეგატს დასჭირდებოდა უფრო დიდი სატვირთო მანქანა, რომლის მანევრირება ტყის გზებზე რთული იქნებოდა, თუ მონტაჟი დისტანციურად განხორციელდებოდა.

დასკვნები
კომპოზიტური მასალებისგან ტურბინების აწყობა შესაძლებელია და ჩვეულებრივ ფოლადის კომპონენტებთან შედარებით, მათი წონა 50%-დან 70%-მდე შემცირდა. შემცირებული წონა საშუალებას იძლევა კომპოზიტური ტურბინები დამონტაჟდეს შორეულ ადგილებში. გარდა ამისა, ამ კომპოზიტური სტრუქტურების აწყობას არ სჭირდება შედუღების მოწყობილობა. კომპონენტები ასევე საჭიროებენ ნაკლები ნაწილის ჭანჭიკებით დამაგრებას, რადგან თითოეული ნაწილის დამზადება შესაძლებელია ერთ ან ორ სექციად. ამ კვლევაში მოდელირებული მცირე წარმოების ეტაპებზე, ყალიბებისა და სხვა ხელსაწყოების ღირებულება დომინირებს კომპონენტების ღირებულებაში.
აქ მითითებული მცირე გარბენი აჩვენებს, თუ რა დაჯდება ამ მასალების შემდგომი კვლევის დაწყება. ამ კვლევას შეუძლია გაუმკლავდეს კომპონენტების კავიტაციის ეროზიას და მონტაჟის შემდეგ ულტრაიისფერი გამოსხივებისგან დაცვას. შესაძლებელია ელასტომერის ან კერამიკული საფარის გამოყენება კავიტაციის შესამცირებლად ან იმის უზრუნველსაყოფად, რომ ტურბინა იმ ნაკადისა და წნევის რეჟიმებში მუშაობდეს, რომლებიც ხელს უშლის კავიტაციის წარმოქმნას. მნიშვნელოვანი იქნება ამ და სხვა პრობლემების ტესტირება და მოგვარება, რათა უზრუნველყოფილი იყოს, რომ აგრეგატებმა მიაღწიონ ფოლადის ტურბინების მსგავს საიმედოობას, განსაკუთრებით თუ ისინი დამონტაჟდება ისეთ ადგილებში, სადაც ტექნიკური მომსახურება იშვიათი იქნება.
ასეთ მცირე ეტაპებზეც კი, ზოგიერთი კომპოზიტური კომპონენტი შეიძლება ეკონომიური იყოს წარმოების შემცირებული შრომის ხარჯის გამო. მაგალითად, 2 მეგავატიანი ფრენსისის აგრეგატის სპირალური კორპუსის ფოლადისგან შედუღება 80,000 აშშ დოლარი დაჯდება კომპოზიტური წარმოების 25,000 აშშ დოლართან შედარებით. თუმცა, ტურბინის მორბენალი ელემენტების წარმატებული დიზაინის გათვალისწინებით, კომპოზიტური მორბენალი ელემენტების ჩამოსხმის ღირებულება ეკვივალენტურ ფოლადის კომპონენტებთან შედარებით მეტია. 2 მეგავატიანი მორბენალი ელემენტების ფოლადისგან დამზადება დაახლოებით 23,000 აშშ დოლარი დაჯდება, კომპოზიტური მასალისგან დამზადების 27,000 აშშ დოლართან შედარებით. ხარჯები შეიძლება განსხვავდებოდეს დანადგარებზე. კომპოზიტური კომპონენტების ღირებულება მნიშვნელოვნად შემცირდება უფრო მაღალი წარმოების ეტაპებზე, თუ ყალიბების ხელახლა გამოყენება იქნება შესაძლებელი.
მკვლევრებმა უკვე შეისწავლეს კომპოზიტური მასალებისგან ტურბინის მორბენლების კონსტრუქცია.8 თუმცა, ამ კვლევაში არ განხილულა კავიტაციური ეროზია და მშენებლობის მიზანშეწონილობა. კომპოზიტური ტურბინების შემდეგი ნაბიჯი არის მასშტაბური მოდელის დაპროექტება და აშენება, რომელიც საშუალებას მოგვცემს დაამტკიცოთ წარმოების მიზანშეწონილობა და ეკონომიურობა. შემდეგ შესაძლებელია ამ ერთეულის ტესტირება ეფექტურობისა და გამოყენებადობის, ასევე ჭარბი კავიტაციური ეროზიის თავიდან აცილების მეთოდების დასადგენად.