फोर्स्टर साना हाइड्रो टर्बाइनहरूको लागि कम्पोजिट सामग्रीहरू कसरी प्रयोग गर्न सकिन्छ

जलविद्युत उद्योगको लागि उपकरण निर्माणमा कम्पोजिट सामग्रीहरूले प्रवेश गर्दैछन्। सामग्रीको बल र अन्य मापदण्डहरूको अनुसन्धानले विशेष गरी साना र सूक्ष्म एकाइहरूको लागि धेरै अनुप्रयोगहरू प्रकट गर्दछ।
यो लेख दुई वा सोभन्दा बढी पेशेवरहरूद्वारा गरिएका समीक्षाहरू अनुसार मूल्याङ्कन र सम्पादन गरिएको छ जसमा सान्दर्भिक विशेषज्ञता छ। यी सहकर्मी समीक्षकहरूले जलविद्युत उद्योग भित्र प्राविधिक शुद्धता, उपयोगिता र समग्र महत्त्वको लागि पाण्डुलिपिहरूको मूल्याङ्कन गर्छन्।
नयाँ सामग्रीको उदयले जलविद्युत उद्योगको लागि रोमाञ्चक अवसरहरू प्रदान गर्दछ। १८०० को दशकको प्रारम्भमा मूल पानीका पाङ्ग्राहरू र पेनस्टकहरूमा प्रयोग हुने काठलाई आंशिक रूपमा स्टील कम्पोनेन्टहरूले प्रतिस्थापन गरेका थिए। स्टीलले उच्च थकान लोडिङको माध्यमबाट आफ्नो शक्ति कायम राख्छ र गुहा क्षरण र क्षरणको प्रतिरोध गर्दछ। यसको गुणहरू राम्ररी बुझिएका छन् र कम्पोनेन्ट निर्माणका लागि प्रक्रियाहरू राम्ररी विकसित गरिएका छन्। ठूला एकाइहरूको लागि, स्टील सम्भवतः रोजाइको सामग्री रहनेछ।
यद्यपि, साना (१० मेगावाटभन्दा कम) माइक्रो-साइज (१०० किलोवाटभन्दा कम) टर्बाइनहरूको वृद्धिलाई ध्यानमा राख्दै, तौल बचत गर्न र उत्पादन लागत र वातावरणीय प्रभाव कम गर्न कम्पोजिटहरू प्रयोग गर्न सकिन्छ। बिजुली आपूर्तिमा वृद्धिको निरन्तर आवश्यकतालाई ध्यानमा राख्दै यो विशेष गरी सान्दर्भिक छ। नर्वेजियन नवीकरणीय ऊर्जा साझेदारहरूको २००९ को अध्ययन अनुसार स्थापित विश्व जलविद्युत क्षमता, लगभग ८००,००० मेगावाट, आर्थिक रूपमा सम्भाव्यको १०% र प्राविधिक रूपमा सम्भाव्य जलविद्युतको ६% मात्र हो। कम्पोजिट कम्पोनेन्टहरूको क्षमताले स्केलको अर्थव्यवस्था प्रदान गर्न प्राविधिक रूपमा सम्भाव्य हाइड्रोलाई आर्थिक रूपमा सम्भाव्यको दायरामा ल्याउने सम्भावना बढ्छ।

कम्पोजिट कम्पोनेन्ट निर्माण
पेनस्टकलाई आर्थिक रूपमा र निरन्तर उच्च शक्तिको साथ उत्पादन गर्न, सबैभन्दा राम्रो विधि फिलामेन्ट वाइन्डिङ हो। ठूलो म्यान्ड्रेललाई रेजिन बाथबाट चलाइएको फाइबरको टोले बेरिएको हुन्छ। आन्तरिक दबाब, अनुदैर्ध्य झुकाउने र ह्यान्डलिङको लागि बल सिर्जना गर्न टोहरूलाई हुप र हेलिकल ढाँचाहरूमा बेरिएको हुन्छ। तलको परिणाम खण्डले स्थानीय आपूर्तिकर्ताहरूबाट उद्धरणको आधारमा दुई पेनस्टक आकारहरूको लागि प्रति फुट लागत र तौल देखाउँछ। उद्धरणले देखायो कि डिजाइन मोटाई अपेक्षाकृत कम चाप भारको सट्टा स्थापना र ह्यान्डलिङ आवश्यकताहरू द्वारा संचालित थियो, र दुबैको लागि यो २.२८ सेन्टिमिटर थियो।
विकेट गेट्स र स्टे भ्यानहरूका लागि दुई उत्पादन विधिहरू विचार गरिएको थियो; भिजेको लेअप र भ्याकुम इन्फ्युजन। भिजेको लेअपमा सुख्खा कपडा प्रयोग गरिन्छ, जुन कपडामाथि राल खन्याएर र रोलरहरू प्रयोग गरेर राललाई कपडामा धकेलेर गर्भवती गरिन्छ। यो प्रक्रिया भ्याकुम इन्फ्युजन जत्तिकै सफा छैन र फाइबर-देखि-राल अनुपातको हिसाबले सधैं सबैभन्दा अनुकूलित संरचना उत्पादन गर्दैन, तर यसले भ्याकुम इन्फ्युजन प्रक्रिया भन्दा कम समय लिन्छ। भ्याकुम इन्फ्युजनले सही अभिमुखीकरणमा सुख्खा फाइबर राख्छ, र त्यसपछि सुख्खा स्ट्याकलाई भ्याकुम ब्याग गरिन्छ र अतिरिक्त फिटिंगहरू जोडिन्छन् जसले राल आपूर्तितर्फ डोर्‍याउँछ, जुन भ्याकुम लागू गर्दा भागमा तानिन्छ। भ्याकुमले रालको मात्रालाई इष्टतम स्तरमा कायम राख्न मद्दत गर्दछ र वाष्पशील जैविक पदार्थहरूको रिलीज कम गर्दछ।
स्क्रोल केसले चिल्लो भित्री सतह सुनिश्चित गर्न पुरुष मोल्डमा दुई अलग भागहरूमा हातले लेअप प्रयोग गर्नेछ। त्यसपछि पर्याप्त बल सुनिश्चित गर्न बन्डिङ बिन्दुमा बाहिरी भागमा फाइबर थपेर यी दुई भागहरूलाई एकसाथ बाँधिनेछ। स्क्रोल केसमा दबाब भारलाई उच्च-शक्ति उन्नत कम्पोजिटको आवश्यकता पर्दैन, त्यसैले इपोक्सी रेजिन भएको फाइबरग्लास कपडाको भिजेको लेअप पर्याप्त हुनेछ। स्क्रोल केसको मोटाई पेनस्टक जस्तै डिजाइन प्यारामिटरमा आधारित थियो। २५०-किलोवाट युनिट एक अक्षीय प्रवाह मेसिन हो, त्यसैले कुनै स्क्रोल केस छैन।

टर्बाइन धावकले उच्च भार आवश्यकताहरूसँग जटिल ज्यामितिलाई संयोजन गर्दछ। हालैको कामले देखाएको छ कि उच्च-शक्ति संरचनात्मक घटकहरू उत्कृष्ट बल र कठोरताको साथ काटिएको प्रिप्रेग SMC बाट निर्माण गर्न सकिन्छ।5 ल्याम्बोर्गिनी ग्यालार्डोको सस्पेन्सन आर्मलाई काटिएको प्रिप्रेग SMC को धेरै तहहरू प्रयोग गरेर डिजाइन गरिएको थियो जसलाई फोर्ज्ड कम्पोजिट भनिन्छ, आवश्यक मोटाई उत्पादन गर्न कम्प्रेसन मोल्ड गरिएको थियो। फ्रान्सिस र प्रोपेलर धावकहरूमा पनि यही विधि लागू गर्न सकिन्छ। फ्रान्सिस धावकलाई एक एकाइको रूपमा बनाउन सकिँदैन, किनकि ब्लेड ओभरल्यापको जटिलताले भागलाई मोल्डबाट निकाल्नबाट रोक्छ। यसरी, धावक ब्लेड, क्राउन र ब्यान्ड छुट्टाछुट्टै निर्माण गरिन्छ र त्यसपछि एकसाथ बाँधिन्छ र क्राउन र ब्यान्डको बाहिरी भागबाट बोल्टहरूसँग बलियो बनाइन्छ।
ड्राफ्ट ट्यूब फिलामेन्ट वाइन्डिङ प्रयोग गरेर सजिलै उत्पादन गर्न सकिन्छ, तर प्राकृतिक फाइबर प्रयोग गरेर यो प्रक्रियालाई व्यावसायिकीकरण गरिएको छैन। यसरी, उच्च श्रम लागतको बावजुद, यो उत्पादनको मानक विधि भएकोले हातले लेअप छनौट गरियो। म्यान्ड्रेल जस्तै पुरुष मोल्ड प्रयोग गरेर, लेअपलाई मोल्डलाई तेर्सो बनाएर पूरा गर्न सकिन्छ र त्यसपछि ठाडो रूपमा ठीक गर्न सकिन्छ, जसले गर्दा एक छेउमा झर्नबाट बच्न सकिन्छ। कम्पोजिट भागहरूको तौल समाप्त भागमा रालको मात्रामा निर्भर गर्दै थोरै फरक हुनेछ। यी संख्याहरू ५०% फाइबर तौलमा आधारित छन्।
स्टील र कम्पोजिट २-मेगावाट टर्बाइनको कुल तौल क्रमशः ९,८८८ किलोग्राम र ७,०१६ किलोग्राम छ। २५०-किलोवाटको स्टील र कम्पोजिट टर्बाइनहरू क्रमशः ३,७३४ किलोग्राम र १,९२७ किलोग्राम छन्। कुल गणनाले प्रत्येक टर्बाइनको लागि २० विकेट गेटहरू र टर्बाइनको टाउको बराबर पेनस्टक लम्बाइ मान्दछ। पेनस्टक लामो हुने सम्भावना छ र फिटिंगहरू आवश्यक पर्दछ, तर यो संख्याले युनिट र सम्बन्धित बाह्य उपकरणहरूको तौलको आधारभूत अनुमान दिन्छ। जेनेरेटर, बोल्ट र गेट एक्चुएटिंग हार्डवेयर समावेश गरिएको छैन र कम्पोजिट र स्टील एकाइहरू बीच समान मानिन्छ। यो पनि ध्यान दिन लायक छ कि FEA मा देखाइएको तनाव सांद्रतालाई ध्यानमा राख्न आवश्यक रनर पुन: डिजाइनले कम्पोजिट एकाइहरूमा तौल थप्नेछ, तर तनाव सांद्रतासँग बिन्दुहरूलाई बलियो बनाउन ५ किलोग्रामको क्रममा रकम न्यूनतम मानिन्छ।
दिइएको तौलको साथ, २-मेगावाटको कम्पोजिट टर्बाइन र यसको पेनस्टकलाई द्रुत V-२२ ओस्प्रे द्वारा उठाउन सकिन्छ, जबकि स्टील मेसिनलाई ढिलो, कम चलाउन सकिने चिनूक ट्विन रोटर हेलिकप्टर आवश्यक पर्दछ। साथै, २-मेगावाटको कम्पोजिट टर्बाइन र पेनस्टकलाई F-२५० ४×४ द्वारा तान्न सकिन्छ, जबकि स्टील युनिटलाई ठूलो ट्रक चाहिन्छ जुन स्थापना टाढाको भएमा जंगलको सडकहरूमा चलाउन गाह्रो हुनेछ।

निष्कर्ष
कम्पोजिट सामग्रीबाट टर्बाइनहरू निर्माण गर्न सम्भव छ, र परम्परागत स्टील कम्पोनेन्टहरूको तुलनामा ५०% देखि ७०% सम्मको तौल घटाइएको देखियो। कम तौलले कम्पोजिट टर्बाइनहरूलाई दुर्गम स्थानहरूमा स्थापना गर्न अनुमति दिन सक्छ। थप रूपमा, यी कम्पोजिट संरचनाहरूको एसेम्बलीलाई वेल्डिंग उपकरणहरूको आवश्यकता पर्दैन। कम्पोनेन्टहरूलाई एकसाथ बोल्ट गर्न कम भागहरू पनि आवश्यक पर्दछ, किनकि प्रत्येक टुक्रा एक वा दुई खण्डहरूमा बनाउन सकिन्छ। यस अध्ययनमा मोडेल गरिएको सानो उत्पादन रनहरूमा, मोल्ड र अन्य उपकरणहरूको लागतले कम्पोनेन्ट लागतमा प्रभुत्व जमाउँछ।
यहाँ देखाइएका साना रनहरूले यी सामग्रीहरूमा थप अनुसन्धान सुरु गर्न कति लागत लाग्छ भनेर देखाउँछन्। यो अनुसन्धानले स्थापना पछि कम्पोनेन्टहरूको क्याभिटेसन इरोसन र यूभी सुरक्षालाई सम्बोधन गर्न सक्छ। क्याभिटेसन कम गर्न इलास्टोमर वा सिरेमिक कोटिंग्स प्रयोग गर्न सम्भव हुन सक्छ वा क्याभिटेसन हुनबाट रोक्ने फ्लो र हेड रिजिमेसनहरूमा टर्बाइन चल्छ भनेर सुनिश्चित गर्न सकिन्छ। यी र अन्य समस्याहरूको परीक्षण र समाधान गर्नु महत्त्वपूर्ण हुनेछ ताकि एकाइहरूले स्टील टर्बाइनहरू जस्तै विश्वसनीयता प्राप्त गर्न सकून्, विशेष गरी यदि तिनीहरू मर्मतसम्भार विरलै हुने क्षेत्रहरूमा स्थापना गर्ने हो भने।
यी साना रनहरूमा पनि, निर्माणको लागि आवश्यक श्रम कम भएकाले केही कम्पोजिट कम्पोनेन्टहरू लागत-प्रभावी हुन सक्छन्। उदाहरणका लागि, २-मेगावाट फ्रान्सिस युनिटको लागि स्क्रोल केसको लागत स्टीलबाट वेल्ड गर्न $८०,००० लाग्नेछ जबकि कम्पोजिट निर्माणको लागि $२५,००० लाग्नेछ। यद्यपि, टर्बाइन रनरहरूको सफल डिजाइन मान्दा, कम्पोजिट रनरहरूलाई मोल्ड गर्ने लागत बराबर स्टील कम्पोनेन्टहरू भन्दा बढी छ। २-मेगावाट रनरलाई स्टीलबाट उत्पादन गर्न लगभग $२३,००० लाग्नेछ, जबकि कम्पोजिटबाट $२७,०००। मेसिन अनुसार लागत फरक हुन सक्छ। र यदि मोल्डहरू पुन: प्रयोग गर्न सकिन्छ भने कम्पोजिट कम्पोनेन्टहरूको लागत उच्च उत्पादन रनहरूमा उल्लेखनीय रूपमा घट्नेछ।
अनुसन्धानकर्ताहरूले पहिले नै कम्पोजिट सामग्रीबाट टर्बाइन रनरहरूको निर्माणको अनुसन्धान गरिसकेका छन्।8 यद्यपि, यस अध्ययनले क्याभिटेसन इरोसन र निर्माणको सम्भाव्यतालाई सम्बोधन गरेको छैन। कम्पोजिट टर्बाइनहरूको लागि अर्को चरण भनेको स्केल मोडेल डिजाइन र निर्माण गर्नु हो जसले सम्भाव्यता र निर्माणको अर्थतन्त्रको प्रमाणलाई अनुमति दिनेछ। त्यसपछि यो एकाइलाई दक्षता र प्रयोज्यता निर्धारण गर्न परीक्षण गर्न सकिन्छ, साथै अतिरिक्त क्याभिटेसन इरोसन रोक्नको लागि विधिहरू पनि।