Kompozitinės medžiagos skinasi kelią hidroelektrinės pramonės įrangos gamyboje. Medžiagų stiprumo ir kitų kriterijų tyrimas atskleidžia daug daugiau pritaikymo galimybių, ypač mažiems ir labai mažiems įrenginiams.
Šis straipsnis buvo įvertintas ir redaguotas remiantis dviejų ar daugiau atitinkamos patirties turinčių specialistų atliktomis recenzijomis. Šie recenzentai vertina rankraščius pagal techninį tikslumą, naudingumą ir bendrą svarbą hidroelektrinių pramonei.
Naujų medžiagų atsiradimas atveria įdomių galimybių hidroelektrinių pramonei. Mediena, naudota originaliuose vandens ratuose ir sklendėse, XIX a. pradžioje buvo iš dalies pakeista plieniniais komponentais. Plienas išlaiko savo stiprumą esant dideliam nuovargio apkrovimui ir yra atsparus kavitacijos erozijai bei korozijai. Jo savybės yra gerai suprantamos, o komponentų gamybos procesai yra gerai išvystyti. Dideliems įrenginiams plienas greičiausiai išliks pasirinkimo medžiaga.
Tačiau, atsižvelgiant į mažų (mažesnių nei 10 MW) ir mikro dydžio (mažesnių nei 100 kW) turbinų skaičiaus augimą, kompozitai gali būti naudojami siekiant sumažinti svorį, gamybos sąnaudas ir poveikį aplinkai. Tai ypač aktualu atsižvelgiant į nuolatinį elektros energijos tiekimo augimo poreikį. Įrengta pasaulyje hidroelektrinių galia, beveik 800 000 MW, remiantis 2009 m. „Norwegian Renewable Energy Partners“ atliktu tyrimu, sudaro tik 10 % ekonomiškai pagrįstos ir 6 % techniškai pagrįstos hidroenergijos. Galimybė daugiau techniškai pagrįstos hidroelektrinės paversti ekonomiškai pagrįstos didėja, kai kompozitiniai komponentai gali užtikrinti masto ekonomiją.
Kompozitinių komponentų gamyba
Norint pagaminti slėginį vožtuvą ekonomiškai ir išlaikant pastovų didelį stiprumą, geriausias metodas yra gijų vyniojimas. Didelis įtvaras apvyniojamas pluošto kuodeliais, kurie buvo perleisti per dervos vonią. Kuodeliai apvyniojami lankų ir spiralės formos raštais, kad būtų sukurtas stiprumas, atlaikantis vidinį slėgį, išilginį lenkimą ir tvarkymą. Žemiau pateiktoje rezultatų skiltyje parodyta dviejų dydžių slėginio vožtuvo kaina ir svoris vienai pėdai, remiantis vietinių tiekėjų kainos pasiūlymu. Kaina parodė, kad projektinį storį lėmė montavimo ir tvarkymo reikalavimai, o ne santykinai maža slėgio apkrova, ir abiem atvejais jis buvo 2,28 cm.
Buvo apsvarstyti du vartelių užtvarų ir atraminių menčių gamybos metodai: šlapias klojimas ir vakuuminė infuzija. Šlapiam klojimui naudojamas sausas audinys, kuris impregnuojamas užpilant dervą ant audinio ir voleliais įspaudžiant dervą į audinį. Šis procesas nėra toks švarus kaip vakuuminė infuzija ir ne visada sukuria optimizuotą struktūrą pluošto ir dervos santykio atžvilgiu, tačiau jis trunka trumpiau nei vakuuminės infuzijos procesas. Vakuuminės infuzijos metu sausas pluoštas klojamas teisinga orientacija, o sausas pluošto sluoksnis supakuojamas į vakuuminius maišelius ir pritvirtinamos papildomos jungtys, kurios tiekia dervą, kuri įtraukiama į detalę, kai taikomas vakuumas. Vakuumas padeda palaikyti optimalų dervos kiekį ir sumažina lakiųjų organinių medžiagų išsiskyrimą.
Spiralinis korpusas bus rankomis sudėliotas į dvi atskiras puses ant vyriškos formos, kad būtų užtikrintas lygus vidinis paviršius. Šios dvi pusės bus suklijuotos, o išorinėje sujungimo vietoje bus pridėta pluošto, kad būtų užtikrintas pakankamas stiprumas. Slėgio apkrovai spiraliniame korpuse nereikia didelio stiprumo pažangaus kompozito, todėl pakaks šlapio stiklo pluošto audinio ir epoksidinės dervos sluoksnio. Spiralinio korpuso storis buvo pagrįstas tuo pačiu projektavimo parametru kaip ir slėgio mažinimo įtaisas. 250 kW agregatas yra ašinio srauto mašina, todėl spiralinio korpuso nėra.
Turbinos važiuoklė pasižymi sudėtinga geometrija ir dideliais apkrovos reikalavimais. Naujausi darbai parodė, kad iš susmulkinto prepreginio SMC galima pagaminti didelio stiprumo konstrukcinius komponentus, pasižyminčius puikiu stiprumu ir standumu.5 „Lamborghini Gallardo“ pakabos svirtis buvo suprojektuota naudojant kelis susmulkinto prepreginio SMC, vadinamo kaltiniu kompozitu, sluoksnius, kurie buvo suformuoti presavimo būdu, kad būtų pasiektas reikiamas storis. Tas pats metodas gali būti taikomas „Francis“ ir sraigto važiuoklėms. „Francis“ važiuoklės negalima pagaminti kaip vieno vieneto, nes dėl sudėtingo menčių persidengimo detalės nebūtų galima ištraukti iš formos. Todėl važiuoklės mentės, vainikėlis ir juosta gaminami atskirai, o po to sujungiami ir sutvirtinami varžtais per vainikėlio ir juostos išorę.
Nors traukos vamzdį lengviausia pagaminti naudojant gijų vyniojimo metodą, šis procesas nebuvo komercializuotas naudojant natūralius pluoštus. Todėl buvo pasirinktas rankinis išdėstymas, nes tai yra standartinis gamybos būdas, nepaisant didesnių darbo sąnaudų. Naudojant vyrišką formą, panašią į įtvarą, išdėstymą galima atlikti formą pastatant horizontaliai, o tada pasukant vertikaliai, kad sukietėtų, taip išvengiant vienos pusės įdubimo. Kompozitinių dalių svoris šiek tiek skirsis priklausomai nuo dervos kiekio gatavoje dalyje. Šie skaičiai pagrįsti 50 % pluošto svoriu.
Bendras plieninės ir kompozitinės 2 MW turbinos svoris yra atitinkamai 9 888 kg ir 7 016 kg. 250 kW plieninės ir kompozitinės turbinos sveria atitinkamai 3 734 kg ir 1 927 kg. Bendras svoris apskaičiuotas darant prielaidą, kad kiekvienai turbinai yra 20 vartų, o ventiliacijos vamzdžio ilgis lygus turbinos galvutei. Tikėtina, kad ventiliacijos vamzdžio ilgis bus ilgesnis ir reikės jungiamųjų detalių, tačiau šis skaičius yra bazinis įrenginio ir susijusių periferinių įrenginių svorio įvertis. Generatorius, varžtai ir vartų valdymo mechanizmai neįtraukti ir laikomi panašiais kompozitiniuose ir plieniniuose įrenginiuose. Taip pat verta paminėti, kad bėgelių perprojektavimas, reikalingas atsižvelgiant į įtempių koncentracijas, matomas baigtinių elementų analizėje (BEA), padidintų kompozitinių įrenginių svorį, tačiau manoma, kad šis kiekis bus minimalus – apie 5 kg, siekiant sustiprinti taškus su įtempių koncentracija.
Esant nurodytam svoriui, 2 MW kompozicinę turbiną ir jos slėginį veleną galėtų pakelti greitasis V-22 „Osprey“, o plieninei mašinai reikėtų lėtesnio, mažiau manevringo „Chinook“ dviejų rotorių sraigtasparnio. Be to, 2 MW kompozicinę turbiną ir slėginį veleną galėtų vilkti F-250 4×4, o plieniniam agregatui reikėtų didesnio sunkvežimio, kurį būtų sunku manevruoti miško keliais, jei įrenginys būtų atokioje vietoje.
Išvados
Turbinas galima pagaminti iš kompozicinių medžiagų, o palyginti su įprastais plieniniais komponentais, svoris sumažėjo 50–70 %. Sumažintas svoris leidžia kompozitines turbinas montuoti atokiose vietose. Be to, šių kompozitinių konstrukcijų surinkimui nereikia suvirinimo įrangos. Komponentams taip pat reikia mažiau varžtais sujungiamų dalių, nes kiekviena dalis gali būti pagaminta iš vienos ar dviejų dalių. Šiame tyrime modeliuojamuose mažuose gamybos etapuose formų ir kitų įrankių kaina dominuoja komponentų kainoje.
Čia nurodyti nedideli tiražai rodo, kiek kainuotų tolesni šių medžiagų tyrimai. Šie tyrimai gali spręsti kavitacijos erozijos ir komponentų apsaugos nuo UV spindulių problemas po įrengimo. Gali būti įmanoma naudoti elastomero arba keramines dangas, kad būtų sumažinta kavitacija, arba užtikrinti, kad turbina veiktų tokiu srauto ir slėgio režimu, kuris neleidžia atsirasti kavitacijai. Bus svarbu išbandyti ir išspręsti šias ir kitas problemas, siekiant užtikrinti, kad agregatai pasiektų panašų patikimumą kaip ir plieninės turbinos, ypač jei jie bus montuojami tose vietose, kur techninė priežiūra bus reta.
Net ir gaminant tokius mažus kiekius, kai kurie kompozitiniai komponentai gali būti ekonomiškai efektyvūs dėl mažesnio gamybai reikalingo darbo. Pavyzdžiui, 2 MW „Francis“ įrenginio spiralinio korpuso suvirinimas iš plieno kainuotų 80 000 USD, palyginti su 25 000 USD kompozito gamyba. Tačiau darant prielaidą, kad turbinos vamzdžių projektavimas bus sėkmingas, kompozitinių vamzdžių liejimo kaina bus didesnė nei lygiaverčių plieninių komponentų. 2 MW vamzdžio gamyba iš plieno kainuotų apie 23 000 USD, palyginti su 27 000 USD iš kompozito. Kainos gali skirtis priklausomai nuo mašinos. O kompozitinių komponentų kaina gerokai sumažėtų gaminant didesnius kiekius, jei formas būtų galima pakartotinai naudoti.
Tyrėjai jau tyrė turbinų važiuoklių konstrukciją iš kompozicinių medžiagų.8 Tačiau šiame tyrime nebuvo nagrinėjama kavitacijos erozija ir konstrukcijos įgyvendinamumas. Kitas žingsnis kuriant kompozitines turbinas – suprojektuoti ir pagaminti mastelio modelį, kuris leistų įrodyti gamybos įgyvendinamumą ir ekonomiškumą. Tada šį įrenginį galima išbandyti, siekiant nustatyti efektyvumą ir pritaikomumą, taip pat metodus, kaip išvengti per didelės kavitacijos erozijos.
Įrašo laikas: 2022 m. vasario 15 d.
