Materiais compósitos estão se destacando na construção de equipamentos para a indústria hidrelétrica. Uma investigação sobre a resistência dos materiais e outros critérios revela muitas outras aplicações, especialmente para unidades pequenas e micro.
Este artigo foi avaliado e editado de acordo com revisões conduzidas por dois ou mais profissionais com expertise relevante. Esses revisores avaliam os manuscritos quanto à precisão técnica, utilidade e importância geral para o setor hidrelétrico.
O surgimento de novos materiais oferece oportunidades promissoras para a indústria hidrelétrica. A madeira — usada nas rodas d'água e condutos forçados originais — foi substituída em parte por componentes de aço no início do século XIX. O aço mantém sua resistência mesmo sob altas cargas de fadiga e resiste à erosão por cavitação e à corrosão. Suas propriedades são bem compreendidas e os processos de fabricação de componentes são bem desenvolvidos. Para unidades de grande porte, o aço provavelmente continuará sendo o material de escolha.
No entanto, dado o aumento de turbinas pequenas (abaixo de 10 MW) para micro (abaixo de 100 kW), os compósitos podem ser usados para economizar peso e reduzir os custos de fabricação e o impacto ambiental. Isso é especialmente relevante dada a necessidade contínua de crescimento no fornecimento de eletricidade. A capacidade hidrelétrica mundial instalada, de quase 800.000 MW, segundo um estudo de 2009 da Norwegian Renewable Energy Partners, representa apenas 10% da energia hidrelétrica economicamente viável e 6% da energia hidrelétrica tecnicamente viável. O potencial para trazer mais energia hidrelétrica tecnicamente viável para o reino da economicamente viável aumenta com a capacidade dos componentes compósitos de proporcionar economia de escala.
Fabricação de componentes compósitos
Para fabricar a comporta de forma econômica e com alta resistência consistente, o melhor método é o enrolamento filamentoso. Um mandril grande é enrolado com fios de fibra que passaram por um banho de resina. Os fios são enrolados em padrões circulares e helicoidais para criar resistência à pressão interna, flexão longitudinal e manuseio. A seção de resultados abaixo mostra o custo e o peso por pé para os dois tamanhos de comporta, com base em um orçamento de fornecedores locais. O orçamento mostrou que a espessura do projeto foi determinada pelos requisitos de instalação e manuseio, e não pela carga de pressão relativamente baixa, e para ambos foi de 2,28 cm.
Dois métodos de fabricação foram considerados para as comportas e palhetas de fixação: laminação úmida e infusão a vácuo. A laminação úmida utiliza tecido seco, que é impregnado despejando resina sobre o tecido e usando rolos para empurrar a resina para dentro do tecido. Este processo não é tão limpo quanto a infusão a vácuo e nem sempre produz a estrutura mais otimizada em termos de proporção fibra-resina, mas leva menos tempo do que o processo de infusão a vácuo. A infusão a vácuo deposita a fibra seca nas orientações corretas, e a pilha seca é então ensacada a vácuo e acessórios extras são conectados, o que leva a um suprimento de resina, que é aspirado para dentro da peça quando o vácuo é aplicado. O vácuo ajuda a manter a quantidade de resina em um nível ideal e reduz a liberação de compostos orgânicos voláteis.
A caixa espiral utilizará um revestimento manual em duas metades separadas sobre um molde macho para garantir uma superfície interna lisa. Essas duas metades serão então unidas com fibra adicionada externamente no ponto de colagem para garantir a resistência adequada. A carga de pressão na caixa espiral não requer um compósito avançado de alta resistência, portanto, um revestimento úmido de tecido de fibra de vidro com resina epóxi será suficiente. A espessura da caixa espiral foi baseada no mesmo parâmetro de projeto da comporta. A unidade de 250 kW é uma máquina de fluxo axial, portanto, não há caixa espiral.
Um rotor de turbina combina uma geometria complexa com altos requisitos de carga. Trabalhos recentes demonstraram que componentes estruturais de alta resistência podem ser fabricados a partir de um SMC pré-impregnado picado com excelente resistência e rigidez.5 O braço de suspensão do Lamborghini Gallardo foi projetado usando múltiplas camadas de um SMC pré-impregnado picado, conhecido como compósito forjado, moldado por compressão para produzir a espessura necessária. O mesmo método pode ser aplicado aos rotores Francis e da hélice. O rotor Francis não pode ser feito como uma unidade, pois a complexidade da sobreposição das pás impediria que a peça fosse extraída do molde. Assim, as pás do rotor, a coroa e a cinta são fabricadas separadamente e, em seguida, unidas e reforçadas com parafusos na parte externa da coroa e da cinta.
Embora o tubo de sucção seja mais facilmente fabricado usando enrolamento filamentoso, esse processo não foi comercializado com fibras naturais. Assim, optou-se pela laminação manual, por ser um método padrão de fabricação, apesar dos custos de mão de obra mais elevados. Utilizando um molde macho semelhante a um mandril, a laminação pode ser concluída com o molde na horizontal e, em seguida, girado na vertical para curar, evitando a flacidez em um dos lados. O peso das peças compostas variará ligeiramente dependendo da quantidade de resina na peça acabada. Esses números são baseados em 50% do peso da fibra.
Os pesos totais das turbinas de aço e de compósito de 2 MW são 9.888 kg e 7.016 kg, respectivamente. As turbinas de aço e de compósito de 250 kW pesam 3.734 kg e 1.927 kg, respectivamente. Os totais consideram 20 comportas para cada turbina e um comprimento de conduto forçado igual à altura da cabeça da turbina. É provável que o conduto forçado seja mais longo e exija conexões, mas esse número fornece uma estimativa básica do peso da unidade e dos periféricos associados. O gerador, os parafusos e o hardware de acionamento da comporta não estão incluídos e presume-se que sejam semelhantes entre as unidades de compósito e de aço. Também vale a pena notar que o redesenho do rotor necessário para levar em conta as concentrações de tensões observadas na AEF adicionaria peso às unidades de compósito, mas a quantidade é considerada mínima, da ordem de 5 kg para reforçar pontos com concentração de tensões.
Com os pesos fornecidos, a turbina composta de 2 MW e sua tubulação forçada poderiam ser içadas pelo veloz V-22 Osprey, enquanto a máquina de aço exigiria um helicóptero de rotor duplo Chinook, mais lento e menos manobrável. Além disso, a turbina composta de 2 MW e a tubulação forçada poderiam ser rebocadas por um F-250 4x4, enquanto a unidade de aço exigiria um caminhão maior, difícil de manobrar em estradas florestais se a instalação fosse remota.
Conclusões
É viável construir turbinas a partir de materiais compósitos, e observou-se uma redução de peso de 50% a 70% em comparação com componentes de aço convencionais. O peso reduzido permite a instalação de turbinas compósitas em locais remotos. Além disso, a montagem dessas estruturas compósitas dispensa equipamentos de soldagem. Os componentes também exigem menos peças aparafusadas, já que cada peça pode ser fabricada em uma ou duas seções. Nas pequenas séries de produção modeladas neste estudo, o custo dos moldes e de outras ferramentas predomina sobre o custo dos componentes.
Os pequenos testes aqui indicados demonstram quanto custaria iniciar pesquisas adicionais sobre esses materiais. Essa pesquisa pode abordar a erosão por cavitação e a proteção UV dos componentes após a instalação. Pode ser possível usar revestimentos elastoméricos ou cerâmicos para reduzir a cavitação ou garantir que a turbina opere em regimes de fluxo e carga que impeçam a ocorrência de cavitação. Será importante testar e resolver esses e outros problemas para garantir que as unidades alcancem confiabilidade semelhante à das turbinas de aço, especialmente se forem instaladas em áreas onde a manutenção será pouco frequente.
Mesmo em pequenas tiragens, alguns componentes compostos podem ser economicamente viáveis devido à redução da mão de obra necessária para sua fabricação. Por exemplo, uma carcaça espiral para a unidade Francis de 2 MW custaria US$ 80.000 para ser soldada em aço, em comparação com US$ 25.000 para a fabricação em composto. No entanto, assumindo um projeto bem-sucedido dos rotores da turbina, o custo de moldagem dos rotores compostos é maior do que o de componentes equivalentes de aço. O rotor de 2 MW custaria cerca de US$ 23.000 para ser fabricado em aço, em comparação com US$ 27.000 para composto. Os custos podem variar de acordo com a máquina. E o custo dos componentes compostos cairia consideravelmente em tiragens maiores se os moldes pudessem ser reutilizados.
Pesquisadores já investigaram a construção de rotores de turbinas a partir de materiais compósitos.8 No entanto, este estudo não abordou a erosão por cavitação e a viabilidade da construção. O próximo passo para turbinas compósitas é projetar e construir um modelo em escala que permita comprovar a viabilidade e a economia de fabricação. Esta unidade poderá então ser testada para determinar a eficiência e a aplicabilidade, bem como métodos para prevenir o excesso de erosão por cavitação.
Data de publicação: 15 de fevereiro de 2022
