복합 소재는 수력 발전 산업 장비 제작에 진출하고 있습니다. 재료 강도 및 기타 기준에 대한 연구를 통해 특히 소형 및 초소형 장비 분야에서 더욱 다양한 응용 분야가 발견되었습니다.
본 논문은 관련 전문 지식을 갖춘 두 명 이상의 전문가가 수행한 검토를 바탕으로 평가 및 편집되었습니다. 이러한 동료 검토자들은 원고의 기술적 정확성, 유용성, 그리고 수력 발전 산업 내 전반적인 중요성을 평가합니다.
신소재의 부상은 수력 발전 산업에 흥미로운 기회를 제공합니다. 초기 수차와 수압관에 사용되었던 목재는 1800년대 초 강철 부품으로 일부 대체되었습니다. 강철은 높은 피로 하중에도 강도를 유지하며 캐비테이션 침식 및 부식에 강합니다. 강철의 특성은 잘 알려져 있으며 부품 제조 공정도 잘 개발되어 있습니다. 대형 장치의 경우, 강철은 앞으로도 선호되는 소재로 남을 가능성이 높습니다.
그러나 소형(10MW 미만)에서 초소형(100kW 미만) 터빈의 증가를 고려할 때, 복합소재를 사용하면 무게를 줄이고 제조 비용과 환경 영향을 줄일 수 있습니다. 이는 전력 공급 증가에 대한 지속적인 필요성을 고려할 때 특히 중요합니다. 노르웨이 재생에너지 파트너스(Norwegian Renewable Energy Partners)의 2009년 연구에 따르면 전 세계 수력 발전 설비 용량은 약 80만 MW로, 경제적으로 실현 가능한 용량의 10%, 기술적으로 실현 가능한 용량의 6%에 불과합니다. 복합소재 부품이 규모의 경제를 제공할 수 있게 되면 기술적으로 실현 가능한 용량의 더 많은 부분을 경제적으로 실현 가능한 용량으로 끌어올릴 수 있는 잠재력이 커집니다.
복합소재 부품 제조
펜스톡을 경제적으로, 그리고 일관되게 높은 강도로 제작하는 가장 좋은 방법은 필라멘트 와인딩입니다. 큰 맨드렐은 수지조에 통과시킨 섬유 토우(tow)로 감쌉니다. 토우는 후프(hoop)와 나선형 패턴으로 감겨 내부 압력, 세로 굽힘 및 취급에 대한 강도를 확보합니다. 아래 결과 섹션은 현지 공급업체의 견적을 기반으로 두 가지 펜스톡 크기에 대한 피트당 비용과 무게를 보여줍니다. 견적에 따르면 설계 두께는 상대적으로 낮은 압력 하중보다는 설치 및 취급 요건에 따라 결정되었으며, 두 가지 모두 2.28cm였습니다.
위켓 게이트와 스테이 베인에는 습식 레이업과 진공 주입, 두 가지 제조 방법이 고려되었습니다. 습식 레이업은 건식 직물을 사용하며, 직물 위에 수지를 붓고 롤러를 사용하여 수지를 직물 안으로 밀어 넣어 함침시킵니다. 이 공정은 진공 주입만큼 깨끗하지는 않으며 섬유 대 수지 비율 측면에서 항상 최적의 구조를 생성하는 것은 아니지만, 진공 주입 공정보다 시간이 덜 걸립니다. 진공 주입은 건식 섬유를 올바른 방향으로 레이업하고, 건식 스택을 진공 백에 담근 후 추가 피팅을 부착하여 수지를 공급합니다. 이 수지는 진공이 가해지면 부품 내부로 유입됩니다. 진공은 수지의 양을 최적의 수준으로 유지하고 휘발성 유기물의 방출을 줄이는 데 도움이 됩니다.
스크롤 케이스는 매끄러운 내부 표면을 확보하기 위해 수형(male mold) 위에 두 부분으로 나누어 수작업으로 적층합니다. 그런 다음, 접합 지점에서 외부에 섬유를 추가하여 두 부분을 접합하여 충분한 강도를 확보합니다. 스크롤 케이스의 압력 하중에는 고강도 고급 복합재가 필요하지 않으므로, 에폭시 수지를 사용한 유리 섬유 직물의 습식 적층으로도 충분합니다. 스크롤 케이스의 두께는 펜스톡과 동일한 설계 매개변수를 기반으로 합니다. 250kW 장치는 축류식 기계이므로 스크롤 케이스가 없습니다.
터빈 러너는 복잡한 형상과 높은 하중 요건을 결합합니다. 최근 연구에 따르면 우수한 강도와 강성을 가진 초핑 프리프레그 SMC(SMC)를 사용하여 고강도 구조 부품을 제조할 수 있음이 입증되었습니다.5 람보르기니 갤러르도의 서스펜션 암은 단조 복합재라고 알려진 초핑 프리프레그 SMC를 여러 겹 사용하여 설계되었으며, 필요한 두께를 얻기 위해 압축 성형되었습니다. 프랜시스 러너와 프로펠러 러너에도 동일한 방법을 적용할 수 있습니다. 프랜시스 러너는 블레이드 겹침의 복잡성으로 인해 금형에서 부품을 추출할 수 없기 때문에 하나의 부품으로 제작할 수 없습니다. 따라서 러너 블레이드, 크라운, 밴드는 별도로 제작한 후 크라운과 밴드 외부를 통해 볼트로 접합하고 보강합니다.
드래프트 튜브는 필라멘트 와인딩을 사용하여 가장 쉽게 제작되지만, 천연 섬유를 사용하는 이 공정은 아직 상용화되지 않았습니다. 따라서 인건비가 높음에도 불구하고 표준 제조 방식인 수작업 레이업을 선택했습니다. 맨드렐과 유사한 수형 몰드를 사용하여 몰드를 수평으로 놓고 레이업을 완료한 후 수직으로 돌려 경화시켜 한쪽 면이 처지는 것을 방지할 수 있습니다. 복합재 부품의 무게는 완성된 부품의 수지 함량에 따라 약간씩 달라집니다. 이 수치는 섬유 중량의 50%를 기준으로 합니다.
강철 및 복합재 2MW 터빈의 총 중량은 각각 9,888kg과 7,016kg입니다. 250kW 강철 및 복합재 터빈은 각각 3,734kg과 1,927kg입니다. 총 중량은 각 터빈당 20개의 위켓 게이트와 터빈 헤드와 동일한 펜스톡 길이를 가정합니다. 펜스톡이 더 길어지고 부속품이 필요할 가능성이 있지만, 이 수치는 장치 및 관련 주변 장치의 무게에 대한 기본적인 추정치입니다. 발전기, 볼트 및 게이트 작동 하드웨어는 포함되지 않았으며 복합재 및 강철 장치 간에 유사한 것으로 가정합니다. 또한 FEA에서 확인된 응력 집중을 고려하기 위해 필요한 러너 재설계가 복합재 장치의 무게를 증가시키지만, 응력 집중이 있는 지점을 강화하기 위해 그 양은 5kg 정도로 최소화될 것으로 가정합니다.
주어진 무게를 고려하면, 2MW 복합 터빈과 펜스톡은 빠른 V-22 오스프리로 운반할 수 있는 반면, 강철 터빈은 더 느리고 기동성이 떨어지는 치누크 쌍회전 헬리콥터가 필요합니다. 또한, 2MW 복합 터빈과 펜스톡은 F-250 4륜구동차로 견인할 수 있는 반면, 강철 터빈은 더 큰 트럭이 필요하며, 설치 장소가 외딴 곳일 경우 산림 도로에서 기동하기 어려울 것입니다.
결론
복합 재료로 터빈을 제작하는 것이 가능하며, 기존 강철 부품에 비해 무게가 50%에서 70%까지 감소했습니다. 무게가 감소함에 따라 복합 터빈을 원격지에 설치할 수 있습니다. 또한, 이러한 복합 구조물의 조립에는 용접 장비가 필요하지 않습니다. 또한 각 부품을 한두 개의 섹션으로 제작할 수 있으므로 볼트로 조립해야 하는 부품의 수도 줄어듭니다. 본 연구에서 모델링한 소규모 생산 라인에서는 금형 및 기타 공구 비용이 부품 비용의 대부분을 차지합니다.
여기에 표시된 소규모 실험은 이러한 재료에 대한 추가 연구를 시작하는 데 드는 비용을 보여줍니다. 이 연구는 캐비테이션 침식 및 설치 후 구성품의 자외선 차단 문제를 해결할 수 있습니다. 엘라스토머 또는 세라믹 코팅을 사용하여 캐비테이션을 줄이거나, 터빈이 캐비테이션 발생을 방지하는 유량 및 수두 영역에서 작동하도록 할 수 있습니다. 특히 유지 보수가 빈번하지 않은 지역에 설치되는 경우, 이러한 문제 및 기타 문제를 테스트하고 해결하여 장치가 강철 터빈과 유사한 신뢰성을 달성할 수 있는지 확인하는 것이 중요합니다.
이처럼 소량 생산에서도 일부 복합소재 부품은 제조에 필요한 노동력이 감소하여 비용 효율적일 수 있습니다. 예를 들어, 2MW 프랜시스 유닛의 스크롤 케이스를 강철로 용접하는 데는 8만 달러가 소요되는 반면, 복합소재로 제작하는 데는 2만 5천 달러가 소요됩니다. 그러나 터빈 러너의 성공적인 설계를 가정할 때, 복합소재 러너 성형 비용은 동등한 강철 부품보다 더 높습니다. 2MW 러너를 강철로 제작하는 데는 약 2만 3천 달러가 소요되는 반면, 복합소재로 제작하는 데는 2만 7천 달러가 소요됩니다. 비용은 기계마다 다를 수 있습니다. 또한, 금형을 재사용할 수 있다면 생산량이 증가함에 따라 복합소재 부품의 비용이 상당히 절감될 것입니다.
연구자들은 이미 복합 재료를 이용한 터빈 러너 제작에 대한 연구를 수행했습니다.8 그러나 이 연구에서는 캐비테이션 침식과 제작 타당성을 다루지 않았습니다. 복합 터빈의 다음 단계는 제작 타당성과 경제성을 입증할 수 있는 축소 모형을 설계하고 제작하는 것입니다. 이후 이 장치를 시험하여 효율성과 적용 가능성을 확인하고, 과도한 캐비테이션 침식을 방지하는 방법을 모색할 수 있습니다.
게시 시간: 2022년 2월 15일
