Kompositmaterialien maachen ëmmer méi Fortschrëtter an der Konstruktioun vun Ausrüstung fir d'Waasserkraaftindustrie. Eng Untersuchung vun der Materialstäerkt an aner Critèren weist vill méi Uwendungen op, besonnesch fir kleng a Mikrounitéiten.
Dësen Artikel gouf am Aklang mat de Rezensiounen vun zwou oder méi Fachleit mat relevanter Expertise evaluéiert an iwwerschafft. Dës Kollegen iwwerpréiwen Manuskripter op technesch Genauegkeet, Notzbarkeet a generell Wichtegkeet an der Waasserkraaftindustrie.
Den Opstig vun neie Materialien bitt spannend Méiglechkeeten fir d'Waasserkraaftindustrie. Holz - dat an den urspréngleche Waasserrieder a Päifleitungen benotzt gouf - gouf am fréien 19. Joerhonnert deelweis duerch Stolkomponenten ersat. Stol behält seng Stäerkt duerch héich Middegkeetsbelaaschtung a hält sech duerch Kavitatiounserosioun a Korrosioun widder. Seng Eegeschafte si gutt verstanen an d'Prozesser fir d'Komponentefabrikatioun si gutt entwéckelt. Fir grouss Eenheeten wäert Stol wahrscheinlech dat bevorzugt Material bleiwen.
Wéinst dem Opstig vu klenge (ënner 10 MW) bis Mikro-Turbinnen (ënner 100 kW) kënne Kompositmaterialien awer benotzt ginn, fir Gewiicht ze spueren, d'Produktiounskäschten an den Ëmweltimpakt ze reduzéieren. Dëst ass besonnesch relevant wéinst dem weidere Besoin u Wuesstem vun der Stroumversuergung. Déi installéiert weltwäit Waasserkraaft, bal 800.000 MW laut enger Studie vun Norwegian Renewable Energy Partners aus dem Joer 2009, ass nëmmen 10% vun der wirtschaftlech machbarer an 6% vun der technesch machbarer Waasserkraaft. De Potenzial, méi vun der technesch machbarer Waasserkraaft an de Beräich vun der wirtschaftlech machbarer Energie ze bréngen, klëmmt mat der Fäegkeet vu Kompositkomponenten, Skalevirdeeler ze bidden.
Produktioun vu Kompositkomponenten
Fir d'Päifleitung wirtschaftlech a mat konsequent héijer Festigkeit ze produzéieren, ass déi bescht Method d'Filamentwicklung. E grousse Dorn gëtt mat Fasersträifen gewéckelt, déi duerch e Harzbad gelaf sinn. D'Sträifen ginn a Réng- a Schraufmuster gewéckelt, fir Festigkeit fir internen Drock, Längsbiegen an Handhabung ze schafen. D'Resultatssektioun hei ënnendrënner weist d'Käschten an d'Gewiicht pro Fouss fir déi zwou Gréissten vun der Päifleitung, baséiert op engem Devis vu lokale Fournisseuren. D'Devis huet gewisen, datt d'Designdicke vun den Installatiouns- an Handhabungsufuerderunge bestëmmt gouf, anstatt vun der relativ gerénger Drockbelaaschtung, a fir béid war se 2,28 cm.
Fir d'Gängeschützer an d'Stäiplamellen goufen zwou Fabrikatiounsmethoden a Betruecht gezunn: naass Layup a Vakuuminfusioun. Beim naass Layup gëtt dréchent Stoff imprägnéiert, dat andeems Harz iwwer de Stoff gegoss gëtt an d'Harz mat Rollen an de Stoff gedréckt gëtt. Dëse Prozess ass net sou propper wéi d'Vakuuminfusioun a produzéiert net ëmmer déi optiméiertst Struktur wat d'Verhältnes vu Faseren zu Harz ugeet, awer et dauert manner Zäit wéi de Vakuuminfusiounsprozess. Bei der Vakuuminfusioun ginn dréchen Faseren an de richtegen Orientéierungen opgeluecht, an den dréchene Stapel gëtt dann a Vakuumbeutel verpackt an extra Fittings ginn ugeschloss, déi zu enger Harzversuergung féieren, déi beim Vakuum an d'Deel agezunn gëtt. De Vakuum hëlleft d'Quantitéit un Harz op engem optimalen Niveau ze halen a reduzéiert d'Verëffentlechung vu flüchtege organesche Substanzen.
De Scrollgehäuse gëtt manuell an zwou separaten Hälften op enger männlecher Form opgeluecht, fir eng glat bannenzeg Uewerfläch ze garantéieren. Dës zwou Hälften ginn dann zesummegebonnen, woubäi Faseren um Bindungspunkt bäigefüügt ginn, fir eng adäquat Stäerkt ze garantéieren. D'Drockbelaaschtung am Scrollgehäuse erfuerdert keen héichfeste Kompositmaterial, dofir ass eng naass Oplag aus Glasfasergewebe mat engem Epoxyharz duer. D'Dicke vum Scrollgehäuse baséiert op dem selwechte Konstruktiounsparameter wéi de Päifleiter. D'250-kW Eenheet ass eng Axialstroummaschinn, dofir gëtt et kee Scrollgehäuse.
En Turbinnelaufer kombinéiert eng komplex Geometrie mat héijen Ufuerderungen un d'Laascht. Rezent Aarbechte weisen datt héichfeste Strukturkomponenten aus engem gehackte Prepreg-SMC mat exzellenter Stäerkt a Steifheet hiergestallt kënne ginn.5 Den Ophängearm vum Lamborghini Gallardo gouf mat verschiddene Schichten vun engem gehackte Prepreg-SMC, bekannt als geschmiedte Komposit, entwéckelt, deen duerch Kompressioun gegoss gouf fir déi gewënscht Déckt ze produzéieren. Déiselwecht Method kann op de Francis- an de Propellerlaufer ugewannt ginn. De Francis-Lafer kann net als eng Eenheet hiergestallt ginn, well d'Komplexitéit vun der Iwwerlappung vun de Blieder verhënnert, datt den Deel aus der Form erausgeholl gëtt. Dofir ginn d'Laferblieder, d'Kroun an de Band separat hiergestallt an dann zesummegebonnen a mat Schrauwen duerch d'Äussersäit vun der Kroun a vum Band verstäerkt.
Obwuel den Zuchröhr am einfachsten mat Filamentwicklung hiergestallt ka ginn, gouf dëse Prozess mat Naturfaseren nach net kommerzialiséiert. Dofir gouf fir den Handlayup gewielt, well dëst eng Standardmethod vun der Fabrikatioun ass, trotz den héije Aarbechtskäschten. Mat enger männlecher Form ähnlech wéi engem Dorn kann den Layup mat der Form horizontal ofgeschloss ginn an dann vertikal gedréit ginn fir ze härten, sou datt op enger Säit net duerchgesackt gëtt. D'Gewiicht vun de Kompositdeeler variéiert liicht jee no der Quantitéit vum Harz am fäerdegen Deel. Dës Zuele baséieren op 50% Fasergewiicht.
Déi total Gewiichter fir d'Stol- a Komposit-Turbinn vun 2 MW sinn 9.888 kg respektiv 7.016 kg. Déi 250 kW Stol- a Komposit-Turbinnen weien 3.734 kg respektiv 1.927 kg. D'Totaler ginn dovun aus, datt 20 Lächer fir all Turbinn an eng Päifleitungslängt gläich wéi d'Längt vun der Turbinn sinn. Et ass wahrscheinlech, datt d'Päifleitung méi laang wier a Befestigungen erfuerdert, awer dës Zuel gëtt eng Basisschätzung vum Gewiicht vun der Eenheet an den zougehéieregen Peripheriegeräter. De Generator, d'Bolzen an d'Bedienungshardware fir d'Lächer sinn net abegraff a ginn ugeholl, datt se tëscht de Komposit- a Stahleenheeten ähnlech sinn. Et ass och derwäert ze bemierken, datt d'Neigestaltung vum Lafkanal, deen néideg ass, fir d'Spannungskonzentratiounen ze berücksichtegen, déi an der FEA ze gesi sinn, Gewiicht zu de Kompositeenheeten bäifüge géif, awer et gëtt ugeholl, datt d'Quantitéit minimal ass, an der Gréisstenuerdnung vu 5 kg, fir Punkten mat Spannungskonzentratioun ze verstäerken.
Mat de gegebene Gewiichter kéinten déi 2-MW Kompositturbinn an hir Päifleitung vum schnelle V-22 Osprey gehuewe ginn, während d'Stolmaschinn en méi luesen, manner manövrierbaren Chinook Duebelrotorhelikopter erfuerdert. Ausserdeem kéinten déi 2-MW Kompositturbinn an hir Päifleitung vun engem F-250 4×4 geschleeft ginn, während d'Stolunitéit e gréissere Camion erfuerdert, deen op Bëschstroossen schwéier ze manövréiere wier, wann d'Installatioun ofgeleeën wier.
Conclusiounen
Et ass machbar, Turbinnen aus Kompositmaterialien ze bauen, an et gouf eng Gewiichtsreduktioun vu 50% bis 70% am Verglach mat konventionelle Stolkomponenten festgestallt. Dat reduzéiert Gewiicht erlaabt d'Installatioun vu Kompositturbinnen op ofgeleeëne Plazen. Zousätzlech erfuerdert d'Montage vun dëse Kompositstrukturen keng Schweessausrüstung. D'Komponenten brauchen och manner Deeler fir zesummen ze schrauwen, well all Stéck an enger oder zwou Sektiounen hiergestallt ka ginn. Bei de klenge Produktiounsserien, déi an dëser Studie modeléiert goufen, dominéieren d'Käschte vun de Formen an aner Tools d'Komponentekäschte.
Déi kleng Lafzäiten, déi hei uginn sinn, weisen, wat et kaschte géif, fir weider Fuerschung iwwer dës Materialien unzefänken. Dës Fuerschung kann d'Kavitationserosioun an den UV-Schutz vun de Komponenten no der Installatioun adresséieren. Et kéint méiglech sinn, Elastomer- oder Keramikbeschichtungen ze benotzen, fir d'Kavitation ze reduzéieren oder sécherzestellen, datt d'Turbin an de Flow- a Kappregime leeft, déi d'Kavitation verhënneren. Et wäert wichteg sinn, dës an aner Problemer ze testen an ze léisen, fir sécherzestellen, datt d'Eenheeten eng ähnlech Zouverlässegkeet wéi Stahlturbinnen erreechen kënnen, besonnesch wa se a Beräicher installéiert solle ginn, wou d'Ënnerhaltsaarbechten net dacks stattfannen.
Och bei dëse klenge Serien kënnen e puer Kompositkomponenten käschtegënschteg sinn, well d'Aarbechtskraaft fir d'Produktioun reduzéiert gëtt. Zum Beispill géif e Scrollgehäuse fir d'2-MW Francis-Eenheet 80.000 Dollar kaschten, fir aus Stol geschweesst ze ginn, am Verglach zu 25.000 Dollar fir d'Kompositproduktioun. Wann een awer vun engem erfollegräichen Design vun Turbinenläifer ausgoe kann, sinn d'Käschte fir d'Formen vun de Kompositläifer méi héich wéi déi vun gläichwäertege Stolkomponenten. D'Produktioun vun engem 2-MW-Laf géif ongeféier 23.000 Dollar aus Stol kaschten, am Verglach zu 27.000 Dollar fir Komposit. D'Käschte kënne jee no Maschinn variéieren. An d'Käschte fir Kompositkomponenten géifen bei méi héije Produktiounsserieën däitlech falen, wa Formen nei benotzt kéinte ginn.
Fuerscher hunn de Bau vun Turbinneleefer aus Kompositmaterialien schonn ënnersicht.8 Dës Studie huet sech awer net mat der Kavitatiounserosioun an der Machbarkeet vum Bau beschäftegt. Den nächste Schrëtt fir Kompositturbinnen ass et, e Skalamodell ze designen an ze bauen, deen d'Machbarkeet an d'wirtschaftlech Produktioun noweise kann. Dës Eenheet kann dann getest ginn, fir d'Effizienz an d'Uwendbarkeet ze bestëmmen, souwéi Methoden fir exzessiv Kavitatiounserosioun ze vermeiden.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 15. Februar 2022
