Materiały kompozytowe zyskują coraz większą popularność w konstrukcji sprzętu dla przemysłu hydroelektrycznego. Badanie wytrzymałości materiałów i innych kryteriów ujawnia wiele innych zastosowań, szczególnie w małych i mikrojednostkach.
Niniejszy artykuł został oceniony i zredagowany zgodnie z recenzjami przeprowadzonymi przez dwóch lub więcej specjalistów posiadających odpowiednią wiedzę specjalistyczną. Recenzenci ci oceniają manuskrypty pod kątem dokładności technicznej, przydatności i ogólnego znaczenia w branży hydroelektrycznej.
Rozwój nowych materiałów zapewnia ekscytujące możliwości dla przemysłu hydroelektrycznego. Drewno — stosowane w oryginalnych kołach wodnych i rurociągach — zostało częściowo wyparte przez elementy stalowe na początku XIX wieku. Stal zachowuje swoją wytrzymałość dzięki wysokiemu obciążeniu zmęczeniowemu i jest odporna na erozję kawitacyjną i korozję. Jej właściwości są dobrze poznane, a procesy produkcji komponentów są dobrze rozwinięte. W przypadku dużych jednostek stal prawdopodobnie pozostanie materiałem z wyboru.
Jednakże biorąc pod uwagę wzrost małych (poniżej 10 MW) do mikroturbin (poniżej 100 kW), kompozyty mogą być używane do oszczędzania masy i redukcji kosztów produkcji oraz wpływu na środowisko. Jest to szczególnie istotne, biorąc pod uwagę ciągłą potrzebę wzrostu dostaw energii elektrycznej. Zainstalowana światowa moc hydroelektryczna, prawie 800 000 MW według badania z 2009 r. przeprowadzonego przez Norwegian Renewable Energy Partners, stanowi zaledwie 10% ekonomicznie wykonalnej i 6% technicznie wykonalnej hydroenergii. Potencjał do przeniesienia większej ilości technicznie wykonalnej hydroenergii do sfery ekonomicznie wykonalnej wzrasta wraz ze zdolnością komponentów kompozytowych do zapewnienia ekonomii skali.
Produkcja elementów kompozytowych
Aby ekonomicznie i z zachowaniem wysokiej wytrzymałości wyprodukować rurociąg, najlepszą metodą jest nawijanie włókien. Duży trzpień jest owijany pasmami włókien, które zostały przepuszczone przez kąpiel żywiczną. Pasma są owijane w obręcze i wzory śrubowe, aby uzyskać wytrzymałość na ciśnienie wewnętrzne, zginanie wzdłużne i obsługę. Poniższa sekcja wyników pokazuje koszt i wagę na stopę dla dwóch rozmiarów rurociągu, w oparciu o ofertę od lokalnych dostawców. Oferta wykazała, że grubość projektu była spowodowana wymaganiami dotyczącymi instalacji i obsługi, a nie stosunkowo niskim obciążeniem ciśnieniowym, i dla obu wynosiła 2,28 cm.
Rozważono dwie metody produkcji bramek i łopatek odciągowych: układanie na mokro i infuzja próżniowa. Układanie na mokro wykorzystuje suchą tkaninę, która jest impregnowana przez wylewanie żywicy na tkaninę i używanie rolek do wtłaczania żywicy do tkaniny. Proces ten nie jest tak czysty jak infuzja próżniowa i nie zawsze zapewnia najbardziej zoptymalizowaną strukturę pod względem stosunku włókien do żywicy, ale zajmuje mniej czasu niż proces infuzji próżniowej. Infuzja próżniowa układa suche włókna w prawidłowych orientacjach, a następnie suchy stos jest pakowany próżniowo i dołączane są dodatkowe złączki, które prowadzą do zasilania żywicą, która jest wciągana do części, gdy stosowana jest próżnia. Próżnia pomaga utrzymać ilość żywicy na optymalnym poziomie i zmniejsza uwalnianie lotnych związków organicznych.
W przypadku obudowy ślimaka zostanie zastosowany ręczny układ warstwowy w dwóch oddzielnych połówkach na męskiej formie, aby zapewnić gładką powierzchnię wewnętrzną. Te dwie połówki zostaną następnie połączone ze sobą za pomocą włókna dodanego na zewnątrz w punkcie łączenia, aby zapewnić odpowiednią wytrzymałość. Obciążenie ciśnieniowe w obudowie ślimaka nie wymaga zaawansowanego kompozytu o wysokiej wytrzymałości, więc wystarczy mokry układ warstwowy z włókna szklanego z żywicą epoksydową. Grubość obudowy ślimaka została ustalona na podstawie tego samego parametru projektowego, co rurociąg. Jednostka o mocy 250 kW jest maszyną przepływową osiową, więc nie ma obudowy ślimaka.
Wirnik turbiny łączy złożoną geometrię z wysokimi wymaganiami obciążeniowymi. Ostatnie prace wykazały, że wysoce wytrzymałe elementy konstrukcyjne można wytwarzać z siekanego prepregu SMC o doskonałej wytrzymałości i sztywności.5 Ramię zawieszenia Lamborghini Gallardo zostało zaprojektowane przy użyciu wielu warstw siekanego prepregu SMC znanego jako kuty kompozyt, formowanego kompresyjnie w celu uzyskania wymaganej grubości. Tę samą metodę można zastosować do Francisa i wirników śmigła. Wirnika Francisa nie można wykonać jako jednej jednostki, ponieważ złożoność zachodzenia na siebie łopatek uniemożliwiłaby wyjęcie części z formy. W związku z tym łopatki wirnika, korona i pas są produkowane oddzielnie, a następnie łączone ze sobą i wzmacniane śrubami przez zewnętrzną część korony i pasa.
Podczas gdy rurę ssącą najłatwiej wytwarza się przez nawijanie włókien, proces ten nie został skomercjalizowany przy użyciu włókien naturalnych. Dlatego wybrano laminowanie ręczne, ponieważ jest to standardowa metoda produkcji, pomimo wyższych kosztów pracy. Używając formy męskiej podobnej do trzpienia, laminowanie można wykonać, ustawiając formę poziomo, a następnie obracając ją pionowo, aby utwardzić, zapobiegając uginaniu się po jednej stronie. Waga części kompozytowych będzie się nieznacznie różnić w zależności od ilości żywicy w gotowej części. Liczby te są oparte na 50% wadze włókna.
Całkowita masa turbiny stalowej i kompozytowej o mocy 2 MW wynosi odpowiednio 9888 kg i 7016 kg. Turbiny stalowe i kompozytowe o mocy 250 kW ważą odpowiednio 3734 kg i 1927 kg. Całkowita masa zakłada 20 bram wiketowych dla każdej turbiny i długość rurociągu równą wysokości głowicy turbiny. Prawdopodobnie rurociąg byłby dłuższy i wymagałby okuć, ale ta liczba daje podstawowy szacunek masy jednostki i powiązanych urządzeń peryferyjnych. Generator, śruby i osprzęt do uruchamiania bram nie są uwzględnione i zakłada się, że są podobne w jednostkach kompozytowych i stalowych. Warto również zauważyć, że przeprojektowanie wirnika wymagane w celu uwzględnienia koncentracji naprężeń widocznych w analizie elementów skończonych zwiększyłoby masę jednostek kompozytowych, ale zakłada się, że ta ilość jest minimalna, rzędu 5 kg w celu wzmocnienia punktów koncentracji naprężeń
Przy podanych ciężarach turbinę kompozytową o mocy 2 MW i jej rurociąg zasilający można było unieść szybkim V-22 Osprey, podczas gdy maszyna stalowa wymagałaby wolniejszego, mniej zwrotnego śmigłowca Chinook z dwoma wirnikami. Ponadto turbinę kompozytową o mocy 2 MW i rurociąg zasilający można było holować F-250 4×4, podczas gdy jednostka stalowa wymagałaby większej ciężarówki, którą trudno byłoby manewrować na drogach leśnych, gdyby instalacja była odległa.
Wnioski
Możliwe jest zbudowanie turbin z materiałów kompozytowych, a w porównaniu do konwencjonalnych elementów stalowych zaobserwowano redukcję masy o 50% do 70%. Zmniejszona masa umożliwia instalację turbin kompozytowych w odległych lokalizacjach. Ponadto montaż tych struktur kompozytowych nie wymaga sprzętu spawalniczego. Elementy wymagają również mniejszej liczby części do skręcenia, ponieważ każdy element można wykonać w jednej lub dwóch sekcjach. W przypadku małych serii produkcyjnych modelowanych w tym badaniu koszt form i innych narzędzi dominuje nad kosztem komponentu.
Małe przebiegi wskazane tutaj pokazują, ile kosztowałoby rozpoczęcie dalszych badań nad tymi materiałami. Badania te mogą dotyczyć erozji kawitacyjnej i ochrony przed promieniowaniem UV komponentów po instalacji. Możliwe jest użycie powłok elastomerowych lub ceramicznych w celu zmniejszenia kawitacji lub zapewnienia, że turbina działa w reżimach przepływu i głowicy, które zapobiegają występowaniu kawitacji. Ważne będzie przetestowanie i rozwiązanie tych i innych problemów, aby zapewnić, że jednostki mogą osiągnąć niezawodność podobną do turbin stalowych, zwłaszcza jeśli mają być instalowane w obszarach, w których konserwacja będzie rzadko wykonywana.
Nawet przy tych małych seriach, niektóre komponenty kompozytowe mogą być opłacalne ze względu na zmniejszone nakłady pracy wymagane do produkcji. Na przykład obudowa ślimaka dla jednostki Francisa o mocy 2 MW kosztowałaby 80 000 USD za spawanie ze stali w porównaniu do 25 000 USD za produkcję kompozytową. Jednak zakładając pomyślny projekt wirników turbiny, koszt formowania wirników kompozytowych jest wyższy niż w przypadku równoważnych komponentów stalowych. Wirnik 2 MW kosztowałby około 23 000 USD za produkcję ze stali w porównaniu do 27 000 USD za produkcję kompozytową. Koszty mogą się różnić w zależności od maszyny. A koszt komponentów kompozytowych znacznie spadłby przy wyższych seriach produkcyjnych, gdyby formy można było ponownie wykorzystać.
Naukowcy zbadali już konstrukcję wirników turbin z materiałów kompozytowych.8 Jednak badanie to nie dotyczyło erozji kawitacyjnej i wykonalności konstrukcji. Następnym krokiem dla turbin kompozytowych jest zaprojektowanie i zbudowanie modelu w skali, który umożliwi dowód wykonalności i ekonomii produkcji. Następnie można przetestować tę jednostkę, aby określić wydajność i przydatność, a także metody zapobiegania nadmiernej erozji kawitacyjnej.
Czas publikacji: 15-02-2022
