Composietmaterialen worden steeds vaker gebruikt in de bouw van apparatuur voor de waterkrachtsector. Onderzoek naar materiaalsterkte en andere criteria laat zien dat er nog veel meer toepassingen zijn, met name voor kleine en micro-eenheden.
Dit artikel is geëvalueerd en geredigeerd op basis van reviews uitgevoerd door twee of meer professionals met relevante expertise. Deze peer reviewers beoordelen manuscripten op technische nauwkeurigheid, bruikbaarheid en algemeen belang binnen de waterkrachtsector.
De opkomst van nieuwe materialen biedt interessante kansen voor de waterkrachtsector. Hout – gebruikt in de oorspronkelijke waterraderen en afsluiters – werd begin 19e eeuw gedeeltelijk vervangen door stalen componenten. Staal behoudt zijn sterkte bij hoge vermoeiingsbelasting en is bestand tegen cavitatie en corrosie. De eigenschappen ervan zijn goed begrepen en de processen voor de productie van componenten zijn goed ontwikkeld. Voor grote eenheden zal staal waarschijnlijk het materiaal van keuze blijven.
Gezien de opkomst van kleine (onder 10 MW) tot microturbines (onder 100 kW) kunnen composieten echter worden gebruikt om gewicht te besparen en de productiekosten en milieu-impact te verlagen. Dit is met name relevant gezien de aanhoudende behoefte aan groei in de elektriciteitsvoorziening. De wereldwijd geïnstalleerde waterkrachtcapaciteit, bijna 800.000 MW volgens een studie uit 2009 van Norwegian Renewable Energy Partners, is slechts 10% van de economisch haalbare en 6% van de technisch haalbare waterkracht. De mogelijkheid om meer technisch haalbare waterkracht te realiseren, neemt toe naarmate composietcomponenten schaalvoordelen opleveren.
Fabricage van composietcomponenten
Om de drukleiding economisch en met een consistent hoge sterkte te produceren, is filamentwikkeling de beste methode. Een grote doorn wordt omwikkeld met vezelstrengen die door een harsbad zijn geleid. De strengen worden in hoepel- en spiraalpatronen gewikkeld om de sterkte te vergroten bij interne druk, buiging in de lengterichting en handling. De onderstaande resultaten tonen de kosten en het gewicht per voet voor de twee drukleidingmaten, gebaseerd op een offerte van lokale leveranciers. Uit de offerte bleek dat de ontwerpdikte werd bepaald door installatie- en handlingvereisten, in plaats van door de relatief lage drukbelasting, en voor beide bedroeg deze 2,28 cm.
Voor de loopdeuren en staglamellen werden twee productiemethoden overwogen: nat opleggen en vacuüminfusie. Bij nat opleggen wordt droog textiel gebruikt, dat wordt geïmpregneerd door hars over het textiel te gieten en met rollen de hars in het textiel te duwen. Dit proces is niet zo schoon als vacuüminfusie en levert niet altijd de meest optimale structuur op wat betreft de vezel-harsverhouding, maar het kost minder tijd dan vacuüminfusie. Bij vacuüminfusie worden droge vezels in de juiste richtingen gelegd, waarna de droge stapel in een vacuümzak wordt verpakt en extra fittingen worden bevestigd die leiden tot een harstoevoer, die in het onderdeel wordt gezogen wanneer het vacuüm wordt toegepast. Het vacuüm helpt de hoeveelheid hars op een optimaal niveau te houden en vermindert de uitstoot van vluchtige organische stoffen.
De rolbehuizing wordt handmatig in twee afzonderlijke helften op een mannelijke mal gelegd om een glad binnenoppervlak te garanderen. Deze twee helften worden vervolgens aan elkaar gelijmd met vezels die aan de buitenkant op het verbindingspunt worden toegevoegd om voldoende sterkte te garanderen. De drukbelasting in de rolbehuizing vereist geen hoogwaardig geavanceerd composiet, dus een natte lay-up van glasvezelweefsel met epoxyhars is voldoende. De dikte van de rolbehuizing is gebaseerd op dezelfde ontwerpparameter als de drukleiding. De 250-kW-unit is een axiale stromingsmachine, dus er is geen rolbehuizing.
Een turbinegeleider combineert een complexe geometrie met hoge belastingsvereisten. Recent onderzoek heeft aangetoond dat zeer sterke structurele componenten kunnen worden vervaardigd uit een gehakte prepreg SMC met uitstekende sterkte en stijfheid.5 De draagarm van de Lamborghini Gallardo is ontworpen met behulp van meerdere lagen gehakte prepreg SMC, ook wel een gesmeed composiet genoemd, die onder druk zijn gevormd om de vereiste dikte te verkrijgen. Dezelfde methode kan worden toegepast op de Francis- en propellergeleiders. De Francis-geleider kan niet als één geheel worden gemaakt, omdat de complexiteit van de bladoverlap het onderdeel onmogelijk zou maken om uit de mal te halen. Daarom worden de rotorbladen, kroon en band afzonderlijk vervaardigd en vervolgens aan elkaar gelijmd en versterkt met bouten aan de buitenkant van de kroon en de band.
Hoewel de trekbuis het eenvoudigst te vervaardigen is met behulp van filamentwikkeling, is dit proces nog niet commercieel toegepast met natuurlijke vezels. Daarom is gekozen voor handmatige lay-up, omdat dit de standaardmethode is, ondanks de hogere arbeidskosten. Met behulp van een mannelijke mal, vergelijkbaar met een doorn, kan de lay-up worden uitgevoerd met de mal horizontaal en vervolgens verticaal gedraaid om uit te harden, waardoor doorzakken aan één kant wordt voorkomen. Het gewicht van de composietonderdelen varieert enigszins, afhankelijk van de hoeveelheid hars in het eindproduct. Deze waarden zijn gebaseerd op een vezelgewicht van 50%.
De totale gewichten van de stalen en composiet turbines van 2 MW bedragen respectievelijk 9.888 kg en 7.016 kg. De stalen en composiet turbines van 250 kW wegen respectievelijk 3.734 kg en 1.927 kg. De totalen gaan uit van 20 sluisdeuren per turbine en een afsluiterlengte gelijk aan de turbinekop. Het is waarschijnlijk dat de afsluiter langer zal zijn en dat er fittingen nodig zijn, maar dit getal geeft een basisschatting van het gewicht van de unit en de bijbehorende randapparatuur. De generator, bouten en de hardware voor de afsluiter zijn niet inbegrepen en worden verondersteld vergelijkbaar te zijn tussen de composiet en stalen units. Het is ook vermeldenswaard dat het herontwerp van de geleider, dat nodig is om rekening te houden met de spanningsconcentraties die in de FEA worden gezien, gewicht toevoegt aan de composiet units, maar dat dit gewicht minimaal zal zijn, ongeveer 5 kg, om punten met spanningsconcentratie te versterken.
Met de gegeven gewichten zouden de 2-MW composietturbine en de bijbehorende afsluiter kunnen worden opgetild door de snelle V-22 Osprey, terwijl de stalen machine een langzamere, minder wendbare Chinook-helikopter met twee rotors nodig zou hebben. Bovendien zouden de 2-MW composietturbine en de afsluiter kunnen worden gesleept door een F-250 4x4, terwijl de stalen unit een grotere vrachtwagen nodig zou hebben die moeilijk te manoeuvreren zou zijn op boswegen als de installatie afgelegen zou zijn.
Conclusies
Het is mogelijk om turbines te bouwen met composietmaterialen, en er werd een gewichtsbesparing van 50% tot 70% waargenomen ten opzichte van conventionele stalen componenten. Door het lagere gewicht kunnen composietturbines ook op afgelegen locaties worden geïnstalleerd. Bovendien is voor de montage van deze composietconstructies geen lasapparatuur nodig. De componenten hoeven ook minder aan elkaar geschroefd te worden, omdat elk onderdeel uit één of twee delen kan bestaan. Bij de kleine productieseries die in deze studie zijn gemodelleerd, domineren de kosten van de mallen en andere gereedschappen de componentkosten.
De hier aangegeven kleine series laten zien wat het zou kosten om verder onderzoek naar deze materialen te starten. Dit onderzoek kan cavitatie-erosie en UV-bescherming van de componenten na installatie aanpakken. Het gebruik van elastomeer- of keramische coatings kan mogelijk cavitatie verminderen of ervoor zorgen dat de turbine draait in de stromings- en opvoerhoogte die cavitatie voorkomt. Het zal belangrijk zijn om deze en andere problemen te testen en op te lossen om ervoor te zorgen dat de units een vergelijkbare betrouwbaarheid kunnen bereiken als stalen turbines, vooral als ze worden geïnstalleerd in gebieden waar weinig onderhoud nodig is.
Zelfs bij deze kleine series kunnen sommige composietcomponenten kosteneffectief zijn dankzij de verminderde arbeidskosten voor de productie. Zo zou een rolbehuizing voor de 2-MW Francis-unit $ 80.000 kosten om van staal te lassen, vergeleken met $ 25.000 voor composietproductie. Uitgaande van een succesvol ontwerp van turbinegeleiders, zijn de kosten voor het vormen van de composietgeleiders echter hoger dan die van vergelijkbare stalen componenten. De 2-MW-geleider zou ongeveer $ 23.000 kosten om van staal te produceren, vergeleken met $ 27.000 voor composiet. De kosten kunnen per machine verschillen. Bovendien zouden de kosten voor composietcomponenten aanzienlijk dalen bij hogere productieseries als de mallen hergebruikt konden worden.
Onderzoekers hebben de constructie van turbinegeleiders uit composietmaterialen al onderzocht.8 Deze studie heeft echter geen aandacht besteed aan cavitatie-erosie en de haalbaarheid van de constructie. De volgende stap voor composietturbines is het ontwerpen en bouwen van een schaalmodel dat de haalbaarheid en de kostenbesparing van de productie aantoont. Deze unit kan vervolgens worden getest om de efficiëntie en toepasbaarheid te bepalen, evenals methoden om overmatige cavitatie-erosie te voorkomen.
Geplaatst op: 15-02-2022
