복합재료는 수력 발전 산업용 장비 제작 분야에서 점차 활용도가 높아지고 있습니다. 재료 강도 및 기타 기준에 대한 연구를 통해 특히 소형 및 초소형 장비에 적용할 수 있는 가능성이 더욱 확대되고 있습니다.
본 논문은 관련 분야 전문 지식을 갖춘 두 명 이상의 전문가의 검토를 거쳐 평가 및 편집되었습니다. 이 동료 검토자들은 원고의 기술적 정확성, 유용성 및 수력 발전 산업 내에서의 전반적인 중요성을 평가합니다.
신소재의 등장은 수력 발전 산업에 흥미로운 기회를 제공합니다. 초기 수차와 수압관에 사용되었던 목재는 1800년대 초에 부분적으로 강철 부품으로 대체되었습니다. 강철은 높은 피로 하중에도 강도를 유지하고 캐비테이션 침식 및 부식에 강합니다. 또한, 강철의 특성은 잘 알려져 있고 부품 제조 공정도 잘 개발되어 있습니다. 대형 설비의 경우, 강철은 앞으로도 가장 선호되는 소재로 남을 가능성이 높습니다.
하지만 소형(10MW 미만) 및 초소형(100kW 미만) 터빈의 등장으로 복합 소재를 활용하면 무게를 줄이고 제조 비용과 환경 영향을 최소화할 수 있습니다. 이는 지속적인 전력 공급 증가에 대한 요구를 고려할 때 특히 중요합니다. 노르웨이 재생에너지 파트너스의 2009년 연구에 따르면 전 세계 수력 발전 설비 용량은 약 80만 MW에 달하지만, 이는 경제적으로 실현 가능한 용량의 10%, 기술적으로 실현 가능한 용량의 6%에 불과합니다. 복합 소재 부품이 규모의 경제를 실현할 수 있게 됨에 따라 기술적으로 실현 가능한 수력 발전을 경제적으로 실현 가능한 수준으로 끌어올릴 수 있는 잠재력이 커지고 있습니다.
복합재 부품 제조
경제적이고 일관되게 높은 강도를 가진 수압관을 제조하는 최적의 방법은 필라멘트 와인딩입니다. 대형 맨드릴에 수지 욕조를 통과시킨 섬유 다발을 감습니다. 섬유 다발은 내부 압력, 종방향 굽힘 및 취급에 대한 강도를 확보하기 위해 고리형 및 나선형 패턴으로 감깁니다. 아래 결과 섹션은 지역 공급업체의 견적을 기반으로 두 가지 수압관 크기에 대한 피트당 비용과 무게를 보여줍니다. 견적서에 따르면 설계 두께는 상대적으로 낮은 압력 하중보다는 설치 및 취급 요구 사항에 따라 결정되며, 두 경우 모두 2.28cm입니다.
수문과 지지대 제작에는 습식 적층법과 진공 주입법 두 가지 제조 방식이 고려되었습니다. 습식 적층법은 건조된 섬유에 수지를 붓고 롤러를 사용하여 섬유 속으로 밀어 넣어 함침시키는 방식입니다. 이 공정은 진공 주입법만큼 깨끗하지 않고 섬유 대 수지 비율 측면에서 최적의 구조를 항상 구현하지는 못하지만, 진공 주입법보다 시간이 적게 소요됩니다. 진공 주입법은 건조된 섬유를 올바른 방향으로 적층한 후 진공 백에 넣고 수지 공급 장치로 연결되는 추가 부속품을 부착합니다. 진공이 가해지면 수지가 부품 내부로 흡입됩니다. 진공은 수지량을 최적 수준으로 유지하고 휘발성 유기화합물의 방출을 줄이는 데 도움이 됩니다.
스크롤 케이스는 매끄러운 내부 표면을 확보하기 위해 수형 금형에 두 개의 분리된 반쪽으로 수작업 적층 방식을 사용합니다. 이 두 반쪽은 접합 부위 외부에 섬유를 추가하여 충분한 강도를 확보한 후 접합됩니다. 스크롤 케이스의 압력 하중은 고강도 첨단 복합재를 필요로 하지 않으므로 에폭시 수지를 사용한 유리 섬유 직물의 습식 적층으로도 충분합니다. 스크롤 케이스의 두께는 수압관과 동일한 설계 매개변수를 기준으로 결정되었습니다. 250kW급 발전기는 축류형 발전기이므로 스크롤 케이스가 없습니다.
터빈 러너는 복잡한 형상과 높은 하중 요구 사항을 모두 충족해야 합니다. 최근 연구에 따르면 고강도 구조 부품은 우수한 강도와 강성을 지닌 잘게 자른 SMC 프리프레그로 제작할 수 있음이 입증되었습니다.5 람보르기니 가야르도의 서스펜션 암은 단조 복합재로 알려진 잘게 자른 SMC 프리프레그를 여러 겹으로 쌓아 압축 성형하여 필요한 두께를 얻도록 설계되었습니다. 동일한 방법을 프랜시스 러너와 프로펠러 러너에도 적용할 수 있습니다. 프랜시스 러너는 블레이드 겹침의 복잡성 때문에 금형에서 부품을 추출할 수 없으므로 한 번에 제작할 수 없습니다. 따라서 러너 블레이드, 크라운 및 밴드는 별도로 제작한 후 접착하고 크라운과 밴드 외부를 통해 볼트로 보강합니다.
드래프트 튜브는 필라멘트 와인딩 방식으로 가장 쉽게 제조할 수 있지만, 이 공정은 천연 섬유를 사용하여 상용화되지는 않았습니다. 따라서 인건비가 더 높더라도 표준 제조 방식인 핸드 레이업 방식을 선택했습니다. 맨드릴과 유사한 수형 금형을 사용하여 금형을 수평으로 놓고 적층을 완료한 다음 수직으로 돌려 경화시키면 한쪽으로 처지는 것을 방지할 수 있습니다. 복합재 부품의 무게는 완성품에 포함된 수지의 양에 따라 약간씩 달라집니다. 이 수치는 섬유 함량 50%를 기준으로 합니다.
2MW급 강철 터빈과 복합재 터빈의 총 중량은 각각 9,888kg과 7,016kg입니다. 250kW급 강철 터빈과 복합재 터빈의 총 중량은 각각 3,734kg과 1,927kg입니다. 이 총 중량은 각 터빈에 20개의 수문이 있고, 수압관의 길이는 터빈 낙차와 동일하다고 가정한 값입니다. 실제 수압관은 더 길고 부속품이 필요할 수 있지만, 이 수치는 터빈 본체와 관련 주변 장치의 기본적인 중량을 추정한 것입니다. 발전기, 볼트 및 수문 작동 장치는 포함되지 않았으며, 복합재 터빈과 강철 터빈 모두 유사한 것으로 가정했습니다. 또한 유한 요소 해석(FEA)에서 나타난 응력 집중을 고려하여 러너를 재설계하면 복합재 터빈의 중량이 증가하지만, 응력 집중 지점을 보강하기 위한 최소한의 무게(약 5kg)로 가정했습니다.
주어진 무게를 고려할 때, 2MW급 복합재 터빈과 수압관은 고속 V-22 오스프리 헬기로 운반할 수 있지만, 강철로 제작된 장치는 속도가 느리고 기동성이 떨어지는 치누크 쌍발 로터 헬기가 필요합니다. 또한, 2MW급 복합재 터빈과 수압관은 F-250 4×4 차량으로 견인할 수 있지만, 강철 장치는 더 큰 트럭이 필요하며, 설치 장소가 외딴 곳일 경우 산림 도로에서 기동하기 어려울 것입니다.
결론
복합재료로 터빈을 제작하는 것은 실현 가능하며, 기존 강철 부품에 비해 50%에서 70%까지 무게를 줄일 수 있습니다. 무게 감소 덕분에 복합재료 터빈은 외딴 지역에도 설치할 수 있습니다. 또한, 이러한 복합재료 구조물은 용접 장비 없이 조립할 수 있습니다. 각 부품을 한두 부분으로 제작할 수 있으므로 조립에 필요한 부품 수도 줄어듭니다. 본 연구에서 모델링한 소량 생산의 경우, 금형 및 기타 공구 비용이 부품 비용에서 가장 큰 비중을 차지합니다.
여기에 제시된 소규모 시험 결과는 이러한 재료에 대한 추가 연구를 시작하는 데 드는 비용을 보여줍니다. 이 연구는 설치 후 부품의 캐비테이션 침식 및 자외선 차단 문제를 해결할 수 있습니다. 엘라스토머 또는 세라믹 코팅을 사용하여 캐비테이션을 줄이거나 터빈이 캐비테이션 발생을 방지하는 유동 및 수두 조건에서 작동하도록 할 수 있습니다. 이러한 문제들을 비롯한 여러 문제를 시험하고 해결하여, 특히 유지보수 빈도가 낮은 지역에 설치될 경우 강철 터빈과 유사한 신뢰성을 확보하는 것이 중요합니다.
소량 생산에서도 일부 복합재 부품은 제조에 필요한 노동력이 감소하기 때문에 비용 효율적일 수 있습니다. 예를 들어, 2MW 프랜시스 터빈의 스크롤 케이스를 강철로 용접할 경우 8만 달러가 드는 반면, 복합재로 제작할 경우 2만 5천 달러에 불과합니다. 그러나 터빈 러너 설계가 성공적이라고 가정할 때, 복합재 러너 성형 비용은 동일한 강철 부품보다 더 높습니다. 2MW 러너를 강철로 제작할 경우 약 2만 3천 달러가 드는 반면, 복합재로 제작할 경우 2만 7천 달러가 듭니다. 비용은 기종에 따라 달라질 수 있습니다. 또한 금형을 재사용할 수 있다면 생산량이 증가함에 따라 복합재 부품 비용은 크게 절감될 것입니다.
연구자들은 이미 복합재료로 터빈 러너를 제작하는 것에 대해 연구해 왔습니다.8 그러나 이 연구에서는 캐비테이션 침식과 제작 가능성에 대해서는 다루지 않았습니다. 복합재료 터빈의 다음 단계는 제작 가능성과 경제성을 입증할 수 있는 축소 모형을 설계하고 제작하는 것입니다. 이 모형을 사용하여 효율성과 적용 가능성을 시험하고, 과도한 캐비테이션 침식을 방지하는 방법을 모색할 수 있습니다.
게시 시간: 2022년 2월 15일
