Kompositmaterialien maachen Entreeën am Bau vun Ausrüstung fir d'Hydroelektresch Kraaftindustrie.Eng Enquête iwwer d'Materialstäerkt an aner Critèren weist vill méi Uwendungen op, besonnesch fir kleng a Mikrounitéiten.
Dësen Artikel gouf evaluéiert a geännert am Aklang mat Bewäertunge vun zwee oder méi Fachleit déi relevant Expertise hunn.Dës Peer Rezensiounen beurteelen Manuskripter fir technesch Genauegkeet, Nëtzlechkeet, an allgemeng Wichtegkeet bannent der hydroelektrescher Industrie.
Den Opstig vun neie Materialien bitt spannend Méiglechkeeten fir d'Hydroelektresch Industrie.Holz - benotzt an der Original waterwheels an penstocks - war am fréie 1800s Deel vun Stol Komponente ersat.Stol behält seng Kraaft duerch héich Middegkeet Belaaschtung a widderstoen Kavitatioun Erosioun a Korrosioun.Seng Eegeschafte si gutt verstanen an d'Prozesser fir d'Komponenteproduktioun si gutt entwéckelt.Fir grouss Eenheeten wäert Stol wahrscheinlech d'Material vun der Wiel bleiwen.
Wéi och ëmmer, wéinst dem Opstig vu klengen (ënner 10 MW) bis Mikro-Gréisst (ënner 100 kW) Turbinen, kënne Komposite benotzt ginn fir Gewiicht ze spueren an d'Fabrikatiounskäschten an d'Ëmweltimpakt ze reduzéieren.Dëst ass besonnesch relevant wéinst dem kontinuéierleche Bedierfnes fir Wuesstum an der Stroumversuergung.Déi installéiert Weltwaasserkapazitéit, bal 800.000 MW no enger 2009 Studie vun Norwegian Renewable Energy Partners, ass nëmmen 10% vun der wirtschaftlech machbarer a 6% vun der technesch machbarer Waasserkraaft.D'Potenzial fir méi vun der technesch machbarer Hydro an d'Räich vu wirtschaftlech machbaren ze bréngen erhéicht mat der Fäegkeet vu Kompositkomponenten fir Skalawirtschaft ze bidden.
Komposit Komponent Fabrikatioun
Fir de Penstock wirtschaftlech a mat konsequent héijer Kraaft ze fabrizéieren, ass déi bescht Method Filamentwindung.E grousse Dorn ass mat Faserfaseren gewéckelt, déi duerch e Harzbad gelaf sinn.D'Tows ginn an Hoop an helical Mustere gewéckelt fir Kraaft fir internen Drock, Längsbéi an Handhabung ze kreéieren.D'Resultater Rubrik ënnert weist d'Käschten a Gewiicht pro Fouss fir déi zwee Penstock Gréissten, baséiert op engem Zitat vun lokal Fournisseuren.D'Zitat huet gewisen datt d'Designdicke duerch Installatiouns- an Handhabungsfuerderunge gedriwwe gouf, anstatt déi relativ niddereg Drockbelaaschtung, a fir béid war et 2,28 cm.
Zwou Fabrikatioun Methode goufen fir d'Wicket Gates an bleiwen Vanes considéréiert;naass Layup a Vakuuminfusioun.Naass Layup benotzt trockenem Stoff, deen imprägnéiert gëtt andeems d'Harz iwwer de Stoff gegoss gëtt a Roller benotzt fir den Harz an de Stoff ze drécken.Dëse Prozess ass net sou propper wéi Vakuuminfusioun a produzéiert net ëmmer déi optimiséiert Struktur a punkto Faser-zu-Harz Verhältnis, awer et hëlt manner Zäit wéi de Vakuuminfusiounsprozess.Vakuum Infusioun leet dréchen Faser an déi richteg Orientéierungen op, an den dréchene Stack gëtt dann Vakuumbeutel gepackt an extra Armaturen ginn befestegt, déi zu enger Harzversuergung féieren, déi an den Deel gezunn gëtt wann de Vakuum ugewannt gëtt.De Vakuum hëlleft d'Quantitéit vum Harz op engem optimalen Niveau ze halen a reduzéiert d'Verëffentlechung vu flüchtege Organer.
De Scrollkoffer benotzt eng Handlayup an zwou getrennten Hälschen op enger männlecher Schimmel fir eng glat bannescht Uewerfläch ze garantéieren.Dës zwou Hälfte ginn dann zesumme mat Faser, déi no baussen um Bindungspunkt bäigefüügt ginn, gebonnen fir adäquat Kraaft ze garantéieren.D'Drockbelaaschtung am Scrollkoffer erfuerdert keng héichstäerkt fortgeschratt Komposit, sou datt e naass Layup vu Glasfaserstoff mat engem Epoxyharz genuch ass.D'Dicke vum Scrollkoffer baséiert op deemselwechten Designparameter wéi de Penstock.D'250-kW Eenheet ass eng axial Flow Maschinn, sou datt et kee Scroll Fall ass.
En turbine Leefer kombinéiert eng komplex Geometrie mat héich Laascht Ufuerderunge.Rezent Aarbecht huet bewisen, datt héich-Kraaft strukturell Komponente kann aus engem gehackt prepreg SMC mat excellent Kraaft a stiffness hiergestallt ginn.5 D'Suspension Aarm vun der Lamborghini Gallardo war entworf mat Multiple Schichten vun engem gehackt prepreg SMC bekannt als geschmied Komposit, Kompressioun geformt fir déi erfuerderlech Dicke ze produzéieren.Déi selwecht Method kann op de Francis a Propeller Leefer applizéiert ginn.De Francis Runner kann net als eng Eenheet gemaach ginn, well d'Komplexitéit vun der Blade Iwwerlappung verhënnert datt den Deel aus der Schimmel extrahéiert gëtt.Sou sinn d'Läferblieder, d'Kroun an d'Band getrennt fabrizéiert an dann matenee verbonnen a mat Bolzen duerch d'Äussere vun der Kroun a Band verstäerkt.
Wärend den Entworfröhre am einfachsten mat Filamentwindung hiergestallt gëtt, ass dëse Prozess net kommerzialiséiert mat natierleche Faseren.Sou gouf d'Handlayup gewielt, well dëst ass d'Standard-Fabrikatiounsmethod, trotz de méi héije Aarbechtskäschte.Mat enger männlecher Schimmel ähnlech wéi e Dorn, kann d'Layup mat der Schimmel horizontal ofgeschloss ginn an dann vertikal gedréint ginn fir ze heelen, a verhënnert datt d'Säit op enger Säit klappt.D'Gewiicht vun de Kompositdeeler variéiere liicht ofhängeg vun der Quantitéit vum Harz am fäerdegen Deel.Dës Zuelen baséieren op 50% Fasergewiicht.
D'Gesamtgewichte fir d'Stol- a Komposit 2-MW-Turbine sinn 9.888 kg respektiv 7.016 kg.D'250-kW Stol- a Kompositturbinen sinn 3.734 kg respektiv 1.927 kg.D'Gesamtzuel huelen un 20 Wicket Paarte fir all Turbin an eng Penstocklängt gläich wéi de Kapp vun der Turbin.Et ass méiglech datt de Penstock méi laang wier an Armaturen erfuerderen, awer dës Zuel gëtt eng Basisschätzung vum Gewiicht vun der Eenheet an assoziéierten Peripheriegeräter.De Generator, d'Bolzen an d'Gate-aktuéierend Hardware sinn net abegraff a ginn ugeholl datt se ähnlech sinn tëscht de Komposit- a Stolunitéiten.Et ass och derwäert ze bemierken datt de Leefer Redesign erfuerderlech fir Stresskonzentratioune gesi an der FEA ze berechnen, d'Gewiicht un d'Kompositeenheeten ze addéieren, awer de Betrag gëtt ugeholl minimal ze sinn, an der Uerdnung vu 5 kg fir Punkte mat Stresskonzentratioun ze verstäerken.
Mat de gegebene Gewiichter konnt d'2-MW Kompositturbin a säi Penstock vum schnelle V-22 Osprey opgehuewe ginn, wärend d'Stolmaschinn e méi luesen, manner manöverbaren Chinook Zwilling Rotor Helikopter erfuerdert.Och d'2-MW Composite Turbine a Penstock konnten vun engem F-250 4×4 geschleeft ginn, wärend d'Stol Eenheet e gréissere Camion erfuerdert, dee schwéier op Bëschstroossen ze manoeuvréiere wier wann d'Installatioun wäit ewech wier.
Conclusiounen
Et ass machbar Turbinen aus Kompositmaterial ze bauen, an eng Gewiichtreduktioun vu 50% bis 70% gouf am Verglach mat konventionelle Stolkomponenten gesi.De reduzéierte Gewiicht kann et erlaben datt Kompositturbinen op Fernplazen installéiert ginn.Zousätzlech erfuerdert d'Versammlung vun dëse Kompositstrukturen keng Schweißausrüstung.D'Komponente erfuerderen och manner Deeler fir zesummen ze schrauwen, well all Stéck kann an een oder zwee Sektiounen gemaach ginn.Bei de klenge Produktiounslafen, déi an dëser Etude modelléiert sinn, dominéieren d'Käschte vun de Schimmel an aner Tooling d'Komponentkäschte.
Déi kleng Lafen, déi hei uginn, weisen wat et kascht fir weider Fuerschung an dës Materialien unzefänken.Dës Fuerschung kann Kavitatioun Erosioun an UV Schutz vun de Komponente no Installatioun Adress.Et kann méiglech sinn, Elastomer oder Keramikbeschichtungen ze benotzen fir Kavitatioun ze reduzéieren oder sécherzestellen datt d'Turbine an de Stroum- a Kappregime leeft, déi Kavitatioun verhënneren.Et wäert wichteg sinn dës an aner Themen ze testen an ze léisen fir sécherzestellen datt d'Eenheeten ähnlech Zouverlässegkeet wéi Stahlturbinen erreechen kënnen, besonnesch wa se a Gebidder installéiert ginn wou Ënnerhalt selten ass.
Och bei dëse klenge Runen kënnen e puer Kompositkomponente kosteneffektiv sinn wéinst der reduzéierter Aarbecht, déi fir d'Fabrikatioun erfuerderlech ass.Zum Beispill, e Scrollkoffer fir d'2-MW Francis Eenheet kascht $ 80.000 fir aus Stahl geschweest ze ginn am Verglach zu $ 25.000 fir Kompositfabrikatioun.Wéi och ëmmer, unzehuelen erfollegräichen Design vun Turbine Leefer, sinn d'Käschte fir d'Komposit Leefer méi wéi gläichwäerteg Stahlkomponenten ze formen.Den 2-MW Leefer kascht ongeféier $ 23.000 fir aus Stol ze fabrizéieren, am Verglach zu $ 27.000 aus Komposit.Käschten kënne vun Maschinn variéieren.An d'Käschte fir Composite Komponente géifen erheblech erofgoen bei méi héijer Produktiounslafe wa Schimmel erëmbenotzt kënne ginn.
Fuerscher hu schonn d'Konstruktioun vun turbine Leefer aus Komposit Material ënnersicht.8 Allerdéngs huet dës Etude net Kavitatioun Erosioun an d'Machbarkeet vun Bau Adress.De nächste Schrëtt fir Kompositturbinen ass e Skalamodell ze designen an ze bauen deen de Beweis vun der Machbarkeet an der Fabrikatiounswirtschaft erlaabt.Dës Eenheet kann dann getest ginn fir d'Effizienz an d'Uwendbarkeet ze bestëmmen, souwéi Methoden fir iwwerschësseg Kavitatiounserosioun ze vermeiden.
Post Zäit: Februar-15-2022
