जलविद्युत उद्योगातील उपकरणांच्या निर्मितीमध्ये संमिश्र पदार्थांचा वापर वाढत आहे. पदार्थाची मजबुती आणि इतर निकषांचा अभ्यास केल्यास, विशेषतः लहान आणि सूक्ष्म उपकरणांसाठी, या पदार्थांचे आणखी अनेक उपयोग असल्याचे दिसून येते.
संबंधित क्षेत्रातील तज्ञ असलेल्या दोन किंवा अधिक व्यावसायिकांनी केलेल्या समीक्षणांनुसार या लेखाचे मूल्यांकन आणि संपादन करण्यात आले आहे. हे समसमीक्षक हस्तलिखितांची तांत्रिक अचूकता, उपयुक्तता आणि जलविद्युत उद्योगातील त्यांचे एकूण महत्त्व या निकषांवर तपासणी करतात.
नवीन सामग्रीच्या उदयामुळे जलविद्युत उद्योगासाठी रोमांचक संधी निर्माण झाल्या आहेत. मूळ जलचक्र आणि पेनस्टॉकमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या लाकडाची जागा १८०० च्या दशकाच्या सुरुवातीला अंशतः स्टीलच्या घटकांनी घेतली. स्टील उच्च थकवा भारातही आपली ताकद टिकवून ठेवते आणि कॅव्हिटेशन इरोजन व क्षरणाला प्रतिकार करते. त्याचे गुणधर्म चांगले समजलेले आहेत आणि घटक निर्मितीच्या प्रक्रिया सुविकसित आहेत. मोठ्या युनिट्ससाठी, स्टील हीच पसंतीची सामग्री राहण्याची शक्यता आहे.
तथापि, लहान (१० मेगावॅटपेक्षा कमी) ते सूक्ष्म-आकाराच्या (१०० किलोवॅटपेक्षा कमी) टर्बाइनच्या वाढत्या वापरामुळे, वजन कमी करण्यासाठी आणि उत्पादन खर्च व पर्यावरणीय परिणाम कमी करण्यासाठी कंपोझिटचा वापर केला जाऊ शकतो. वीज पुरवठ्यातील वाढीची सततची गरज लक्षात घेता हे विशेषतः समर्पक आहे. नॉर्वेजियन रिन्यूएबल एनर्जी पार्टनर्सच्या २००९ च्या अभ्यासानुसार, जगाची स्थापित जलविद्युत क्षमता, जी सुमारे ८००,००० मेगावॅट आहे, ती आर्थिकदृष्ट्या व्यवहार्य जलविद्युत क्षमतेच्या केवळ १०% आणि तांत्रिकदृष्ट्या व्यवहार्य जलविद्युत क्षमतेच्या ६% आहे. कंपोझिट घटकांद्वारे मोठ्या प्रमाणावरील उत्पादनाचा फायदा (इकॉनॉमी ऑफ स्केल) देण्याच्या क्षमतेमुळे, तांत्रिकदृष्ट्या व्यवहार्य जलविद्युत क्षमतेला आर्थिकदृष्ट्या व्यवहार्यतेच्या कक्षेत आणण्याची शक्यता वाढते.
संमिश्र घटक उत्पादन
पेनस्टॉकची निर्मिती किफायतशीरपणे आणि सातत्यपूर्ण उच्च मजबुतीसह करण्यासाठी, फिलामेंट वाइंडिंग ही सर्वोत्तम पद्धत आहे. रेझिन बाथमधून प्रक्रिया केलेल्या फायबरच्या पुंजक्यांनी एक मोठा मँड्रेल गुंडाळला जातो. अंतर्गत दाब, अनुदैर्ध्य वाकणे आणि हाताळणीसाठी मजबुती निर्माण करण्याकरिता हे पुंजके वर्तुळाकार आणि वेटोळ्याच्या (हेलिकल) नमुन्यांमध्ये गुंडाळले जातात. खालील निकाल विभागात, स्थानिक पुरवठादारांकडून मिळालेल्या कोटेशनच्या आधारे, दोन पेनस्टॉक आकारांसाठी प्रति फूट खर्च आणि वजन दर्शवले आहे. कोटेशननुसार, डिझाइनची जाडी ही तुलनेने कमी दाब भारापेक्षा, स्थापना आणि हाताळणीच्या आवश्यकतांमुळे निश्चित केली गेली होती आणि दोन्हीसाठी ती २.२८ सेमी होती.
विकेट गेट्स आणि स्टे वेन्ससाठी दोन उत्पादन पद्धती विचारात घेतल्या गेल्या; वेट लेअप आणि व्हॅक्यूम इन्फ्युजन. वेट लेअपमध्ये कोरड्या फॅब्रिकचा वापर केला जातो, ज्यावर रेझिन ओतून आणि रोलर्सच्या साहाय्याने रेझिन फॅब्रिकमध्ये ढकलून ते भिजवले जाते. ही प्रक्रिया व्हॅक्यूम इन्फ्युजनइतकी स्वच्छ नाही आणि फायबर-टू-रेझिन गुणोत्तराच्या बाबतीत नेहमीच सर्वोत्तम रचना तयार करत नाही, परंतु या प्रक्रियेला व्हॅक्यूम इन्फ्युजन प्रक्रियेपेक्षा कमी वेळ लागतो. व्हॅक्यूम इन्फ्युजनमध्ये कोरडे फायबर योग्य दिशेने रचले जातात, आणि नंतर या कोरड्या रचनेला व्हॅक्यूम बॅगिंग केले जाते व अतिरिक्त फिटिंग्ज जोडल्या जातात, ज्या रेझिनच्या पुरवठ्यापर्यंत जातात. जेव्हा व्हॅक्यूम लावला जातो, तेव्हा हे रेझिन भागामध्ये खेचले जाते. व्हॅक्यूममुळे रेझिनचे प्रमाण इष्टतम पातळीवर राखण्यास मदत होते आणि बाष्पशील सेंद्रिय पदार्थांचे उत्सर्जन कमी होते.
स्क्रोल केसचा आतील पृष्ठभाग गुळगुळीत असावा यासाठी, मेल मोल्डवर दोन स्वतंत्र भागांमध्ये हँड लेअपचा वापर केला जाईल. त्यानंतर, पुरेशी मजबुती सुनिश्चित करण्यासाठी, हे दोन भाग बॉन्डिंग पॉईंटवर बाहेरच्या बाजूने फायबर जोडून एकत्र जोडले जातील. स्क्रोल केसमधील दाबामुळे उच्च-शक्तीच्या प्रगत कंपोझिटची आवश्यकता नसते, त्यामुळे इपॉक्सी रेझिनसह फायबरग्लास फॅब्रिकचा वेट लेअप पुरेसा ठरेल. स्क्रोल केसची जाडी पेनस्टॉकच्या डिझाइन पॅरामीटरवरच आधारित होती. २५०-किलोवॅट युनिट हे एक ॲक्सियल फ्लो मशीन आहे, त्यामुळे त्यात स्क्रोल केस नसते.
टर्बाइन रनरमध्ये जटिल भूमिती आणि उच्च भाराची आवश्यकता यांचा संयोग असतो. अलीकडील संशोधनातून असे दिसून आले आहे की, उत्कृष्ट मजबुती आणि कडकपणा असलेल्या चॉप्ड प्रीप्रेग एसएमसीपासून उच्च-शक्तीचे संरचनात्मक घटक तयार केले जाऊ शकतात.⁵ लॅम्बोर्गिनी गॅलार्डोचा सस्पेंशन आर्म, फोर्ज्ड कंपोझिट म्हणून ओळखल्या जाणाऱ्या चॉप्ड प्रीप्रेग एसएमसीच्या अनेक थरांचा वापर करून डिझाइन केला गेला होता, ज्याला आवश्यक जाडी मिळवण्यासाठी कॉम्प्रेशन मोल्डिंग केले गेले. हीच पद्धत फ्रान्सिस आणि प्रोपेलर रनर्ससाठी लागू केली जाऊ शकते. फ्रान्सिस रनर एकसंध युनिट म्हणून बनवता येत नाही, कारण ब्लेडच्या ओव्हरलॅपच्या जटिलतेमुळे तो भाग मोल्डमधून बाहेर काढता येणार नाही. त्यामुळे, रनर ब्लेड्स, क्राउन आणि बँड स्वतंत्रपणे तयार केले जातात आणि नंतर क्राउन व बँडच्या बाहेरील बाजूस बोल्ट लावून एकत्र जोडले जातात आणि मजबूत केले जातात.
जरी फिलामेंट वाइंडिंग वापरून ड्राफ्ट ट्यूब सर्वात सहजपणे तयार करता येत असली तरी, नैसर्गिक तंतू वापरून या प्रक्रियेचे व्यापारीकरण झालेले नाही. त्यामुळे, जास्त मजुरीचा खर्च असूनही, हँड लेअप पद्धत निवडण्यात आली, कारण ही उत्पादनाची एक प्रमाणित पद्धत आहे. मँड्रेलसारख्या मेल मोल्डचा वापर करून, लेअपची प्रक्रिया मोल्ड आडवा ठेवून पूर्ण केली जाऊ शकते आणि नंतर क्युरिंगसाठी (स्थिर करण्यासाठी) उभी केली जाऊ शकते, ज्यामुळे एका बाजूला होणारे वाकणे टाळता येते. तयार झालेल्या भागातील रेझिनच्या प्रमाणानुसार कंपोझिट भागांच्या वजनात किंचित फरक असेल. हे आकडे ५०% तंतूंच्या वजनावर आधारित आहेत.
स्टील आणि कंपोझिट २-मेगावॉट टर्बाइनचे एकूण वजन अनुक्रमे ९,८८८ किलो आणि ७,०१६ किलो आहे. २५०-किलोवॉट स्टील आणि कंपोझिट टर्बाइनचे वजन अनुक्रमे ३,७३४ किलो आणि १,९२७ किलो आहे. या एकूण वजनामध्ये प्रत्येक टर्बाइनसाठी २० विकेट गेट्स आणि टर्बाइनच्या हेडइतकी पेनस्टॉकची लांबी गृहीत धरली आहे. पेनस्टॉक अधिक लांब असण्याची आणि त्याला फिटिंग्जची आवश्यकता असण्याची शक्यता आहे, परंतु हा आकडा युनिट आणि संबंधित उपकरणांच्या वजनाचा एक प्राथमिक अंदाज देतो. जनरेटर, बोल्ट्स आणि गेट ॲक्ट्युएटिंग हार्डवेअर समाविष्ट केलेले नाहीत आणि ते कंपोझिट व स्टील युनिट्समध्ये समान असल्याचे गृहीत धरले आहे. हे देखील लक्षात घेण्यासारखे आहे की, FEA मध्ये दिसून आलेल्या स्ट्रेस कॉन्सन्ट्रेशन्सचा विचार करण्यासाठी आवश्यक असलेल्या रनरच्या पुनर्रचनेमुळे कंपोझिट युनिट्सच्या वजनात वाढ होईल, परंतु ही वाढ कमीत कमी, सुमारे ५ किलो असेल असे गृहीत धरले आहे, जेणेकरून स्ट्रेस कॉन्सन्ट्रेशन असलेल्या भागांना मजबुती मिळेल.
दिलेल्या वजनानुसार, २-मेगावॉटचे कंपोझिट टर्बाइन आणि त्याचा पेनस्टॉक वेगवान व्ही-२२ ऑस्प्रेद्वारे उचलले जाऊ शकते, तर स्टीलच्या यंत्रासाठी कमी वेगवान आणि कमी चपळाईच्या चिनूक ट्विन रोटर हेलिकॉप्टरची आवश्यकता असेल. तसेच, २-मेगावॉटचे कंपोझिट टर्बाइन आणि पेनस्टॉक एफ-२५० ४×४ द्वारे ओढले जाऊ शकते, तर स्टीलच्या युनिटसाठी एका मोठ्या ट्रकची आवश्यकता असेल, जो जर प्रकल्प दुर्गम ठिकाणी असेल तर जंगलातील रस्त्यांवर चालवणे अवघड होईल.
निष्कर्ष
संमिश्र पदार्थांपासून टर्बाइन बनवणे शक्य आहे आणि पारंपरिक स्टीलच्या घटकांच्या तुलनेत वजनात ५०% ते ७०% घट दिसून आली आहे. कमी झालेल्या वजनामुळे संमिश्र टर्बाइन दुर्गम ठिकाणी स्थापित करणे शक्य होते. याव्यतिरिक्त, या संमिश्र संरचनांच्या जोडणीसाठी वेल्डिंग उपकरणांची आवश्यकता नसते. तसेच, प्रत्येक भाग एक किंवा दोन विभागांमध्ये बनवता येत असल्यामुळे, घटकांना एकत्र जोडण्यासाठी कमी भागांची आवश्यकता असते. या अभ्यासात मॉडेल केलेल्या लहान उत्पादन संचांमध्ये, घटकांच्या एकूण खर्चापेक्षा साचे आणि इतर साधनांचा खर्च अधिक असतो.
येथे दर्शविलेले छोटे उत्पादन टप्पे, या सामग्रीवर पुढील संशोधन सुरू करण्यासाठी किती खर्च येईल हे दाखवतात. हे संशोधन स्थापनेनंतर घटकांचे कॅव्हिटेशन इरोजन आणि अतिनील किरणांपासून संरक्षण या बाबींवर लक्ष केंद्रित करू शकते. कॅव्हिटेशन कमी करण्यासाठी किंवा टर्बाइन अशा प्रवाह आणि दाब प्रणालींमध्ये चालेल याची खात्री करण्यासाठी इलास्टोमर किंवा सिरॅमिक कोटिंग्ज वापरणे शक्य होऊ शकते, ज्यामुळे कॅव्हिटेशन होण्यास प्रतिबंध होतो. ही उपकरणे स्टीलच्या टर्बाइनसारखीच विश्वसनीयता प्राप्त करू शकतील याची खात्री करण्यासाठी, या आणि इतर समस्यांची चाचणी करणे आणि त्यांचे निराकरण करणे महत्त्वाचे ठरेल, विशेषतः जर ती अशा ठिकाणी स्थापित केली जाणार असतील जिथे देखभाल क्वचितच करावी लागेल.
अगदी कमी प्रमाणात उत्पादन करतानाही, निर्मितीसाठी लागणाऱ्या कमी श्रमामुळे काही कंपोझिट घटक किफायतशीर ठरू शकतात. उदाहरणार्थ, २-मेगावॉट फ्रान्सिस युनिटसाठी स्क्रोल केस स्टीलपासून वेल्ड करण्यासाठी ८०,००० डॉलर्स खर्च येईल, तर कंपोझिट घटकांपासून बनवण्यासाठी २५,००० डॉलर्स लागतील. तथापि, टर्बाइन रनर्सची रचना यशस्वी झाली असे गृहीत धरल्यास, कंपोझिट रनर्स मोल्ड करण्याचा खर्च समतुल्य स्टीलच्या घटकांपेक्षा जास्त असतो. २-मेगावॉट रनर स्टीलपासून बनवण्यासाठी सुमारे २३,००० डॉलर्स खर्च येईल, तर कंपोझिटपासून बनवण्यासाठी २७,००० डॉलर्स खर्च येईल. यंत्रानुसार खर्चात फरक असू शकतो. आणि जर मोल्ड्सचा पुनर्वापर करता आला, तर जास्त उत्पादनात कंपोझिट घटकांचा खर्च लक्षणीयरीत्या कमी होईल.
संशोधकांनी संमिश्र पदार्थांपासून टर्बाइन रनर्सच्या बांधकामाचा अभ्यास आधीच केला आहे.⁸ तथापि, या अभ्यासात कॅव्हिटेशन इरोजन आणि बांधकामाच्या व्यवहार्यतेवर लक्ष दिले गेले नाही. संमिश्र टर्बाइनसाठी पुढील पायरी म्हणजे एक स्केल मॉडेल डिझाइन करणे आणि तयार करणे, जे व्यवहार्यता आणि उत्पादन किफायतशीरपणा सिद्ध करण्यास मदत करेल. त्यानंतर या युनिटची कार्यक्षमता आणि उपयोज्यता, तसेच अतिरिक्त कॅव्हिटेशन इरोजन रोखण्याच्या पद्धती निश्चित करण्यासाठी चाचणी केली जाऊ शकते.
पोस्ट करण्याची वेळ: १५ फेब्रुवारी २०२२
