Komposittmaterialer gjør inntog i konstruksjonen av utstyr til vannkraftindustrien. En undersøkelse av materialstyrke og andre kriterier avdekker mange flere bruksområder, spesielt for små og mikroenheter.
Denne artikkelen har blitt evaluert og redigert i samsvar med vurderinger utført av to eller flere fagfolk med relevant ekspertise. Disse fagfellevurderingene vurderer manuskripter for teknisk nøyaktighet, nytteverdi og generell betydning innen vannkraftindustrien.
Fremveksten av nye materialer gir spennende muligheter for vannkraftindustrien. Tre – brukt i de originale vannhjulene og rørledningene – ble delvis erstattet av stålkomponenter tidlig på 1800-tallet. Stål beholder sin styrke gjennom høy utmattingsbelastning og motstår kavitasjonserosjon og korrosjon. Egenskapene er godt forstått, og prosessene for komponentproduksjon er godt utviklet. For store enheter vil stål sannsynligvis forbli det foretrukne materialet.
Gitt økningen i antallet små (under 10 MW) til mikroturbiner (under 100 kW), kan imidlertid kompositter brukes til å spare vekt og redusere produksjonskostnader og miljøpåvirkning. Dette er spesielt relevant gitt det fortsatte behovet for vekst i strømforsyningen. Den installerte verdens vannkraftkapasiteten, nesten 800 000 MW, ifølge en studie fra 2009 av Norsk Fornybar Energi Partnerforening, er bare 10 % av den økonomisk gjennomførbare og 6 % av den teknisk gjennomførbare vannkraften. Potensialet til å bringe mer av den teknisk gjennomførbare vannkraften inn i det økonomisk gjennomførbare området øker med komposittkomponentenes evne til å gi stordriftsfordeler.
Produksjon av komposittkomponenter
For å produsere rørledningen økonomisk og med jevn høy styrke, er den beste metoden filamentvikling. En stor dor vikles med fibertau som har blitt kjørt gjennom et harpiksbad. Fibertauene vikles i bøyle- og spiralmønstre for å skape styrke for indre trykk, langsgående bøying og håndtering. Resultatdelen nedenfor viser kostnaden og vekten per fot for de to rørledningsstørrelsene, basert på et tilbud fra lokale leverandører. Tilbudet viste at designtykkelsen var drevet av installasjons- og håndteringskrav, snarere enn den relativt lave trykkbelastningen, og for begge var den 2,28 cm.
To produksjonsmetoder ble vurdert for gangportene og stagvingene; våtopplegg og vakuuminfusjon. Våtopplegg bruker tørr duk, som impregneres ved å helle harpiks over duken og bruke valser til å presse harpiksen inn i duken. Denne prosessen er ikke like ren som vakuuminfusjon og produserer ikke alltid den mest optimaliserte strukturen når det gjelder fiber-til-harpiks-forhold, men den tar kortere tid enn vakuuminfusjonsprosessen. Vakuuminfusjon legger opp tørr fiber i riktig retning, og den tørre stabelen vakuumposes deretter, og ekstra beslag festes som fører til en harpikstilførsel, som trekkes inn i delen når vakuumet påføres. Vakuumet bidrar til å opprettholde mengden harpiks på et optimalt nivå og reduserer utslipp av flyktige organiske stoffer.
Scrollhuset vil legges opp manuelt i to separate halvdeler på en hannform for å sikre en glatt indre overflate. Disse to halvdelene vil deretter bli bundet sammen med fiber tilsatt på utsiden ved bindingspunktet for å sikre tilstrekkelig styrke. Trykkbelastningen i scrollhuset krever ikke en høyfast avansert kompositt, så en våt legging av glassfiberduk med en epoksyharpiks vil være tilstrekkelig. Tykkelsen på scrollhuset var basert på samme designparameter som rørledningen. 250 kW-enheten er en aksial strømningsmaskin, så det er ikke noe scrollhus.
Et turbinløpehjul kombinerer en kompleks geometri med høye belastningskrav. Nyere arbeid har vist at høyfaste strukturelle komponenter kan produseres av en hakket prepreg SMC med utmerket styrke og stivhet.5 Bærearmen til Lamborghini Gallardo ble designet ved hjelp av flere lag med en hakket prepreg SMC kjent som en smidd kompositt, kompresjonsstøpt for å produsere den nødvendige tykkelsen. Den samme metoden kan brukes på Francis- og propellløpehjulene. Francis-løpehjulet kan ikke lages som én enhet, da kompleksiteten i bladoverlappingen vil forhindre at delen tas ut av formen. Dermed produseres løpehjulbladene, kronen og båndet separat og limes deretter sammen og forsterkes med bolter gjennom utsiden av kronen og båndet.
Selv om trekkrøret enklest produseres ved hjelp av filamentvikling, har denne prosessen ikke blitt kommersialisert med naturlige fibre. Derfor ble manuell opplegging valgt, da dette er standard produksjonsmetode, til tross for de høyere lønnskostnadene. Ved å bruke en hannform som ligner på en dor, kan oppleggingen fullføres med formen horisontal og deretter dreies vertikalt for å herde, noe som forhindrer siging på den ene siden. Vekten av komposittdelene vil variere noe avhengig av mengden harpiks i den ferdige delen. Disse tallene er basert på 50 % fibervekt.
Totalvekten for stål- og komposittturbinen på 2 MW er henholdsvis 9 888 kg og 7 016 kg. Stål- og komposittturbinene på 250 kW veier henholdsvis 3 734 kg og 1 927 kg. Totalene forutsetter 20 gangporter for hver turbin og en rørledningslengde lik turbintoppen. Det er sannsynlig at rørledningen vil være lengre og kreve beslag, men dette tallet gir et grunnleggende estimat av vekten på enheten og tilhørende periferiutstyr. Generator, bolter og portaktiveringsutstyr er ikke inkludert og antas å være like mellom kompositt- og stålenhetene. Det er også verdt å merke seg at redesignet av løpehjulet som kreves for å ta hensyn til spenningskonsentrasjoner sett i FEA, ville legge til vekt på komposittenhetene, men mengden antas å være minimal, i størrelsesorden 5 kg for å forsterke punkter med spenningskonsentrasjon.
Med de gitte vektene kunne 2 MW komposittturbinen og rørledningen løftes av den raske V-22 Osprey, mens stålmaskinen ville kreve et tregere og mindre manøvrerbart Chinook-helikopter med to rotorer. 2 MW komposittturbinen og rørledningen kunne også taues av en F-250 4×4, mens stålenheten ville kreve en større lastebil som ville være vanskelig å manøvrere på skogsveier hvis installasjonen var avsidesliggende.
Konklusjoner
Det er mulig å konstruere turbiner av komposittmaterialer, og det ble observert en vektreduksjon på 50 % til 70 % sammenlignet med konvensjonelle stålkomponenter. Den reduserte vekten kan tillate installasjon av komposittturbiner på avsidesliggende steder. I tillegg krever ikke montering av disse komposittkonstruksjonene sveiseutstyr. Komponentene krever også færre deler som skal boltes sammen, ettersom hver del kan lages i én eller to seksjoner. Ved de små produksjonsseriene som er modellert i denne studien, dominerer kostnaden for formene og annet verktøy komponentkostnaden.
De små seriene som er angitt her viser hva det ville koste å starte videre forskning på disse materialene. Denne forskningen kan ta for seg kavitasjonserosjon og UV-beskyttelse av komponentene etter installasjon. Det kan være mulig å bruke elastomer- eller keramiske belegg for å redusere kavitasjon eller sikre at turbinen går i strømnings- og trykkregimer som forhindrer kavitasjon. Det vil være viktig å teste og løse disse og andre problemer for å sikre at enhetene kan oppnå lignende pålitelighet som stålturbiner, spesielt hvis de skal installeres i områder der vedlikehold vil være sjeldent.
Selv ved disse små seriene kan noen komposittkomponenter være kostnadseffektive på grunn av redusert arbeidskraft som kreves for produksjon. For eksempel ville et spiralhus for 2-MW Francis-enheten koste 80 000 dollar å sveise av stål, sammenlignet med 25 000 dollar for komposittproduksjon. Forutsatt vellykket design av turbinløpere, er imidlertid kostnaden for støping av komposittløperne mer enn tilsvarende stålkomponenter. 2-MW-løperen ville koste omtrent 23 000 dollar å produsere av stål, sammenlignet med 27 000 dollar for kompositt. Kostnadene kan variere fra maskin til maskin. Og kostnaden for komposittkomponenter ville falle betydelig ved høyere produksjonsserier hvis formene kunne gjenbrukes.
Forskere har allerede undersøkt konstruksjonen av turbinløpere av komposittmaterialer.8 Denne studien tok imidlertid ikke for seg kavitasjonserosjon og gjennomførbarheten av konstruksjon. Neste trinn for komposittturbiner er å designe og bygge en skalamodell som vil tillate bevis på gjennomførbarhet og produksjonsøkonomi. Denne enheten kan deretter testes for å bestemme effektivitet og anvendelighet, samt metoder for å forhindre overdreven kavitasjonserosjon.
Publisert: 15. feb. 2022
