Композитните материјали се пробиваат во изградбата на опрема за хидроелектричната индустрија. Истражувањето на цврстината на материјалот и другите критериуми открива многу повеќе примени, особено за мали и микро единици.
Оваа статија е оценета и уредена во согласност со прегледите спроведени од двајца или повеќе професионалци кои имаат релевантна експертиза. Овие рецензенти ги оценуваат ракописите според техничката точност, корисноста и целокупната важност во рамките на хидроелектричната индустрија.
Појавата на нови материјали отвора возбудливи можности за хидроелектричната индустрија. Дрвото - кое се користело во оригиналните водоводни тркала и цевки за цевководи - било делумно заменето со челични компоненти во раните 19 век. Челикот ја задржува својата цврстина преку големо оптоварување од замор и е отпорен на кавитациска ерозија и корозија. Неговите својства се добро разбрани, а процесите за производство на компоненти се добро развиени. За големи единици, челикот веројатно ќе остане материјал по избор.
Сепак, со оглед на порастот на малите (под 10 MW) до микро турбини (под 100 kW), композитите можат да се користат за заштеда на тежина и намалување на трошоците за производство и влијанието врз животната средина. Ова е особено релевантно со оглед на континуираната потреба за раст на снабдувањето со електрична енергија. Инсталираниот светски хидрокапацитет, речиси 800.000 MW според студијата од 2009 година на Norwegian Renewable Energy Partners, е само 10% од економски изводливата и 6% од технички изводливата хидроенергија. Потенцијалот за внесување повеќе од технички изводливата хидроенергија во доменот на економски изводливата се зголемува со способноста на композитните компоненти да обезбедат економија на обем.
Производство на композитни компоненти
За економично производство на цевката за исфрлање на воздух и со конзистентна висока цврстина, најдобриот метод е намотување со филамент. Голем трн е завиткан со влакна кои се протерани низ смолеста бања. Куките се завиткани во обрачи и спирални шари за да се создаде цврстина за внатрешен притисок, надолжно свиткување и ракување. Делот со резултати подолу ја покажува цената и тежината по стапка за двете големини на цевката за исфрлање на воздух, врз основа на понуда од локални добавувачи. Понудата покажа дека дебелината на дизајнот била водена од барањата за инсталација и ракување, а не од релативно ниското оптоварување со притисок, и за двата случаи таа била 2,28 см.
За викет вратичките и потпорните крила беа разгледани два методи на производство; влажно поставување и вакуумско вбризгување. Влажното поставување користи сува ткаенина, која е импрегнирана со истурање смола врз ткаенината и со употреба на ролери за туркање на смолата во ткаенината. Овој процес не е толку чист како вакуумското вбризгување и не секогаш произведува најоптимизирана структура во однос на односот влакна-смола, но одзема помалку време од процесот на вакуумско вбризгување. Вакуумското вбризгување ги поставува сувите влакна во точните ориентации, а сувиот куп потоа се вакуумира во кесичка и се прикачуваат дополнителни фитинзи што водат до снабдување со смола, која се влече во делот кога се применува вакуум. Вакуумот помага да се одржи количината на смола на оптимално ниво и го намалува ослободувањето на испарливи органски материи.
Свиолетното куќиште ќе се постави рачно на две одделни половини на машки калап за да се обезбеди мазна внатрешна површина. Потоа, овие две половини ќе се спојат со влакна додадени однадвор на точката на лепење за да се обезбеди соодветна цврстина. Оптоварувањето со притисок во свиолетовото куќиште не бара високоцврст напреден композит, па затоа влажното поставување на ткаенина од фиберглас со епоксидна смола ќе биде доволно. Дебелината на свиолетовото куќиште е базирана на истиот параметар на дизајн како и цевката за цевковод. Единицата од 250 kW е машина со аксијален проток, така што нема свиолетово куќиште.
Ролерот на турбината комбинира комплексна геометрија со барања за големо оптоварување. Неодамнешната работа покажа дека структурните компоненти со висока цврстина можат да се произведат од сечкан препрег SMC со одлична цврстина и цврстина.5 Рачката за потпирање на Lamborghini Gallardo е дизајнирана со употреба на повеќе слоеви на сечкан препрег SMC познат како кован композит, компресиски обликуван за да се добие потребната дебелина. Истиот метод може да се примени и на ролерите Francis и на пропелерите. Ролерот Francis не може да се направи како една единица, бидејќи сложеноста на преклопувањето на лопатките би спречила делот да се извлече од калапот. Така, лопатките на ролерот, круната и лентата се произведуваат одделно, а потоа се спојуваат заедно и се зајакнуваат со завртки низ надворешната страна на круната и лентата.
Иако цевката за влечење најлесно се произведува со намотување на филаменти, овој процес не е комерцијализиран со употреба на природни влакна. Затоа, беше избрано рачно поставување, бидејќи ова е стандарден метод на производство, и покрај повисоките трошоци за работна сила. Користејќи машки калап сличен на трн, поставувањето може да се заврши со калапот хоризонтално, а потоа свртен вертикално за да се стврдне, спречувајќи спуштање од едната страна. Тежината на композитните делови ќе варира малку во зависност од количината на смола во готовиот дел. Овие бројки се базираат на 50% тежина на влакната.
Вкупните тежини за челичната и композитната турбина од 2 MW се 9.888 кг и 7.016 кг, соодветно. Челичните и композитните турбини од 250 kW се 3.734 кг и 1.927 кг, соодветно. Вкупните вредности претпоставуваат 20 викет-порти за секоја турбина и должина на цевката еднаква на главата на турбината. Веројатно е дека цевката ќе биде подолга и ќе бара фитинзи, но овој број дава основна проценка на тежината на единицата и придружните периферни уреди. Генераторот, завртките и хардверот за активирање на вратата не се вклучени и се претпоставува дека се слични помеѓу композитните и челичните единици. Исто така, вреди да се напомене дека редизајнот на роторот потребен за да се земат предвид концентрациите на напрегање што се гледаат во FEA би додал тежина на композитните единици, но се претпоставува дека количината е минимална, од редот на 5 кг за зајакнување на точките со концентрација на напрегање.
Со дадените тежини, композитната турбина од 2 MW и нејзиниот цевковод би можеле да се креваат со брзиот V-22 Osprey, додека челичната машина би барала побавен, помалку маневрирачки хеликоптер со двоен ротор Chinook. Исто така, композитната турбина од 2 MW и цевководот би можеле да се влечат со F-250 4×4, додека челичната единица би барала поголем камион кој би бил тежок за маневрирање по шумски патишта ако инсталацијата е оддалечена.
Заклучоци
Изводливо е да се конструираат турбини од композитни материјали, а забележано е намалување на тежината од 50% до 70% во споредба со конвенционалните челични компоненти. Намалената тежина може да овозможи инсталирање на композитните турбини на оддалечени локации. Покрај тоа, склопувањето на овие композитни конструкции не бара опрема за заварување. Компонентите исто така бараат помалку делови што треба да се завртуваат заедно, бидејќи секое парче може да се направи во еден или два дела. При малите производствени циклуси моделирани во оваа студија, цената на калапите и другите алатки доминира во цената на компонентите.
Малите возења наведени овде покажуваат колку би чинело да се започне понатамошно истражување на овие материјали. Ова истражување може да се справи со кавитациската ерозија и УВ заштитата на компонентите по инсталацијата. Можеби е можно да се користат еластомерни или керамички премази за да се намали кавитацијата или да се обезбеди дека турбината работи во режими на проток и притисок што спречуваат појава на кавитација. Ќе биде важно да се тестираат и решат овие и други проблеми за да се обезбеди дека единиците можат да постигнат слична сигурност како челичните турбини, особено ако треба да се инсталираат во области каде што одржувањето ќе биде ретко.
Дури и во овие мали серии, некои композитни компоненти можат да бидат исплатливи поради намалената работна сила потребна за производство. На пример, заварувањето на спирално куќиште за единицата Франсис од 2 MW би чинело 80.000 долари од челик, во споредба со 25.000 долари за производство на композит. Сепак, под претпоставка дека е успешен дизајнот на турбинските тркала, трошоците за обликување на композитните тркала се поголеми од еквивалентните челични компоненти. Производството на 2 MW тркала од челик би чинело околу 23.000 долари, во споредба со 27.000 долари од композит. Трошоците може да варираат во зависност од машината. А трошоците за композитните компоненти би се намалиле значително при повисоки серии на производство доколку калапите би можеле да се користат повторно.
Истражувачите веќе ја истражувале изградбата на турбински тркала од композитни материјали.8 Сепак, оваа студија не се осврна на кавитациската ерозија и изводливоста на изградбата. Следниот чекор за композитните турбини е да се дизајнира и изгради модел во размер што ќе овозможи доказ за изводливост и економичност на производството. Потоа, оваа единица може да се тестира за да се утврди ефикасноста и применливоста, како и методите за спречување на прекумерна кавитациска ерозија.
Време на објавување: 15 февруари 2022 година
