Kompozītmateriāli iekaro hidroelektrostaciju iekārtu konstrukciju. Materiālu izturības un citu kritēriju izpēte atklāj daudz jaunus pielietojumus, īpaši mazām un mikroiekārtām.
Šis raksts ir izvērtēts un rediģēts saskaņā ar divu vai vairāku attiecīgās pieredzes speciālistu veiktajām atsauksmēm. Šie recenzenti vērtē manuskriptus pēc tehniskās precizitātes, lietderības un kopējās nozīmes hidroelektroenerģijas nozarē.
Jaunu materiālu parādīšanās paver aizraujošas iespējas hidroelektroenerģijas nozarei. Koksni, ko izmantoja sākotnējos ūdensratos un spiedvārstos, 19. gadsimta sākumā daļēji aizstāja tērauda komponenti. Tērauds saglabā savu izturību pie lielas noguruma slodzes un ir izturīgs pret kavitācijas eroziju un koroziju. Tā īpašības ir labi izprastas, un komponentu ražošanas procesi ir labi izstrādāti. Lielām iekārtām tērauds, visticamāk, joprojām būs izvēles materiāls.
Tomēr, ņemot vērā mazo (zem 10 MW) un mikroizmēra (zem 100 kW) turbīnu pieaugumu, kompozītmateriālus var izmantot, lai ietaupītu svaru un samazinātu ražošanas izmaksas un ietekmi uz vidi. Tas ir īpaši svarīgi, ņemot vērā pastāvīgo nepieciešamību pēc elektroenerģijas piegādes pieauguma. Uzstādītā hidroelektrostaciju jauda pasaulē, kas saskaņā ar Norvēģijas Atjaunojamās enerģijas partneru 2009. gada pētījumu ir gandrīz 800 000 MW, ir tikai 10% no ekonomiski iespējamās un 6% no tehniski iespējamās hidroenerģijas. Potenciāls palielināt tehniski iespējamās hidroenerģijas jaudu līdz ekonomiski iespējamās jaudas līmenim palielinās, pateicoties kompozītmateriālu komponentu spējai nodrošināt apjomradītus ietaupījumus.
Kompozītmateriālu komponentu ražošana
Lai ražotu spiediena devēju ekonomiski un ar nemainīgi augstu izturību, labākā metode ir kvēldiega tīšana. Liels serdenis tiek aptīts ar šķiedru pakulas, kas ir izvilktas caur sveķu vannu. Pakas tiek aptītas stīpu un spirālveida rakstos, lai radītu izturību iekšējam spiedienam, gareniskajai locīšanai un apstrādei. Zemāk esošajā rezultātu sadaļā ir parādītas abu spiediena devēja izmēru izmaksas un svars uz pēdu, pamatojoties uz vietējo piegādātāju cenu piedāvājumu. Cenas piedāvājumā bija norādīts, ka projektēto biezumu noteica uzstādīšanas un apstrādes prasības, nevis relatīvi zemā spiediena slodze, un abiem tas bija 2,28 cm.
Vārtu un atbalsta lāpstiņu izgatavošanai tika apsvērtas divas ražošanas metodes: mitrā klāšana un vakuuma infūzija. Mitrā klāšanā tiek izmantots sauss audums, kas tiek piesūcināts, uzlejot sveķus pāri audumam un izmantojot veltņus, lai iespiestu sveķus audumā. Šis process nav tik tīrs kā vakuuma infūzija un ne vienmēr rada visoptimālāko struktūru šķiedru un sveķu attiecības ziņā, taču tas aizņem mazāk laika nekā vakuuma infūzijas process. Vakuuma infūzijas laikā sausās šķiedras tiek klāsta pareizā orientācijā, un pēc tam sausā kaudze tiek iepakota vakuuma maisos un piestiprināti papildu savienojumi, kas nodrošina sveķu padevi, kas tiek iesūkta detaļā, kad tiek pielietots vakuums. Vakuums palīdz uzturēt sveķu daudzumu optimālā līmenī un samazina gaistošo organisko vielu izdalīšanos.
Spirālveida korpuss tiks veidots divās atsevišķās pusēs ar manuālu klājumu uz vīriešu veidnes, lai nodrošinātu gludu iekšējo virsmu. Pēc tam šīs divas puses tiks salīmētas kopā, savienošanas vietā ārpusē pievienojot šķiedru, lai nodrošinātu pietiekamu izturību. Spiediena slodzei spirālveida korpusā nav nepieciešams augstas stiprības uzlabots kompozītmateriāls, tāpēc pietiks ar stiklšķiedras auduma un epoksīdsveķu mitru klājumu. Spirālveida korpusa biezums tika noteikts, pamatojoties uz to pašu konstrukcijas parametru kā spiediena devējam. 250 kW iekārta ir aksiālas plūsmas mašīna, tāpēc spirālveida korpusa nav.
Turbīnas rotors apvieno sarežģītu ģeometriju ar augstām slodzes prasībām. Jaunākie darbi ir parādījuši, ka no sasmalcināta preprega SMC var izgatavot augstas stiprības konstrukcijas komponentus ar izcilu izturību un stingrību.5 Lamborghini Gallardo piekares svira tika konstruēta, izmantojot vairākus sasmalcināta preprega SMC slāņus, kas pazīstams kā kalts kompozītmateriāls, un presēti, lai iegūtu nepieciešamo biezumu. To pašu metodi var izmantot Francis un propelleru rotoriem. Francis rotoru nevar izgatavot kā vienu vienību, jo lāpstiņu pārklāšanās sarežģītība neļautu detaļu izņemt no veidnes. Tādēļ rotora lāpstiņas, vainags un lente tiek ražoti atsevišķi un pēc tam savienoti kopā un pastiprināti ar skrūvēm caur vainaga un lentes ārpusi.
Lai gan iegrimes cauruli visvieglāk ir izgatavot, izmantojot kvēldiega tīšanu, šis process, izmantojot dabiskās šķiedras, nav komercializēts. Tādēļ tika izvēlēta manuāla klāšana, jo šī ir standarta ražošanas metode, neskatoties uz augstākām darbaspēka izmaksām. Izmantojot vīriešu veidni, kas līdzīga stienim, klāšanu var veikt, veidnei atrodoties horizontāli, un pēc tam pagriežot to vertikāli, lai sacietētu, novēršot vienas puses noslīdēšanu. Kompozītmateriālu detaļu svars nedaudz atšķirsies atkarībā no sveķu daudzuma gatavajā detaļā. Šie skaitļi ir balstīti uz 50% šķiedru svaru.
Tērauda un kompozītmateriālu 2 MW turbīnu kopējais svars ir attiecīgi 9888 kg un 7016 kg. 250 kW tērauda un kompozītmateriālu turbīnu svars ir attiecīgi 3734 kg un 1927 kg. Kopējie skaitļi ir aprēķināti, pieņemot, ka katrai turbīnai ir 20 vārti un vārstules garums ir vienāds ar turbīnas galvu. Visticamāk, ka vārstules leņķa garums būs garāks un tam būs nepieciešami stiprinājumi, taču šis skaitlis sniedz aptuvenu aplēsi par iekārtas un saistīto perifērijas ierīču svaru. Ģenerators, skrūves un vārtu piedziņas aparatūra nav iekļauta, un tiek pieņemts, ka kompozītmateriālu un tērauda iekārtās tās ir līdzīgas. Ir arī vērts atzīmēt, ka skrūvju pārprojektēšana, kas nepieciešama, lai ņemtu vērā sprieguma koncentrācijas, kas redzamas galīgo elementu analīzē (FEA), palielinātu kompozītmateriālu iekārtu svaru, taču tiek pieņemts, ka šis daudzums ir minimāls, aptuveni 5 kg, lai nostiprinātu punktus ar sprieguma koncentrāciju.
Ar doto svaru 2 MW kompozītmateriālu turbīnu un tās spiedvadu varētu pacelt ātrais V-22 Osprey, savukārt tērauda mašīnai būtu nepieciešams lēnāks, mazāk manevrējams Chinook divu rotoru helikopters. Arī 2 MW kompozītmateriālu turbīnu un spiedvadu varētu vilkt ar F-250 4x4, savukārt tērauda iekārtai būtu nepieciešams lielāks kravas automobilis, kuru būtu grūti manevrēt pa meža ceļiem, ja iekārta atrastos attālā vietā.
Secinājumi
Turbīnas ir iespējams izgatavot no kompozītmateriāliem, un salīdzinājumā ar tradicionālajām tērauda detaļām tika novērots svara samazinājums par 50–70%. Samazinātais svars ļauj uzstādīt kompozītmateriālu turbīnas attālās vietās. Turklāt šo kompozītmateriālu konstrukciju montāžai nav nepieciešamas metināšanas iekārtas. Detaļām ir nepieciešams arī mazāk detaļu, kas jāsavieno kopā ar skrūvēm, jo katru gabalu var izgatavot vienā vai divās daļās. Šajā pētījumā modelētajās mazajās ražošanas partijās veidņu un citu instrumentu izmaksas dominē komponentu izmaksās.
Šeit norādītie nelielie ražošanas apjomi parāda, cik izmaksātu turpmāka šo materiālu izpēte. Šis pētījums var risināt kavitācijas erozijas un komponentu UV aizsardzības problēmas pēc uzstādīšanas. Varētu būt iespējams izmantot elastomēra vai keramikas pārklājumus, lai samazinātu kavitāciju vai nodrošinātu, ka turbīna darbojas plūsmas un spiediena režīmos, kas novērš kavitācijas rašanos. Būs svarīgi pārbaudīt un atrisināt šīs un citas problēmas, lai nodrošinātu, ka iekārtas var sasniegt līdzīgu uzticamību kā tērauda turbīnas, īpaši, ja tās tiks uzstādītas vietās, kur apkope būs reta.
Pat šādos mazos apjomos daži kompozītmateriālu komponenti var būt rentabli, pateicoties samazinātajam ražošanā nepieciešamajam darbaspēkam. Piemēram, 2 MW Francis iekārtas spirālveida korpusa metināšana no tērauda izmaksātu 80 000 ASV dolāru, salīdzinot ar 25 000 ASV dolāru kompozītmateriālu ražošanai. Tomēr, pieņemot, ka turbīnu skrejriteņu konstrukcija ir veiksmīga, kompozītmateriālu skrejriteņu liešanas izmaksas ir lielākas nekā līdzvērtīgu tērauda komponentu liešanas izmaksas. 2 MW skrejriteņa izgatavošana no tērauda izmaksātu aptuveni 23 000 ASV dolāru, salīdzinot ar 27 000 ASV dolāru no kompozītmateriālu ražošanas. Izmaksas var atšķirties atkarībā no iekārtas. Un kompozītmateriālu komponentu izmaksas ievērojami samazinātos lielākās ražošanas apjomos, ja veidnes varētu izmantot atkārtoti.
Pētnieki jau ir pētījuši turbīnu skrejriteņu konstrukciju no kompozītmateriāliem.8 Tomēr šajā pētījumā netika aplūkota kavitācijas erozija un konstrukcijas iespējamība. Nākamais solis kompozītmateriālu turbīnu ražošanā ir izstrādāt un izgatavot mēroga modeli, kas ļaus pierādīt ražošanas iespējamību un ekonomiskumu. Pēc tam šo ierīci var pārbaudīt, lai noteiktu efektivitāti un pielietojamību, kā arī metodes pārmērīgas kavitācijas erozijas novēršanai.
Publicēšanas laiks: 2022. gada 15. februāris
