Композитные материалы проникают в конструкцию оборудования для гидроэлектростанций. Исследование прочности материалов и других критериев открывает множество дополнительных областей применения, особенно для малых и микроагрегатов.
Эта статья была оценена и отредактирована в соответствии с обзорами, проведенными двумя или более профессионалами, имеющими соответствующий опыт. Эти рецензенты оценивают рукописи на предмет технической точности, полезности и общей важности в гидроэнергетической отрасли.
Появление новых материалов открывает захватывающие возможности для гидроэнергетической промышленности. Дерево, использовавшееся в оригинальных водяных колесах и напорных трубопроводах, было частично вытеснено стальными компонентами в начале 1800-х годов. Сталь сохраняет свою прочность при высоких усталостных нагрузках и устойчива к кавитационной эрозии и коррозии. Ее свойства хорошо изучены, а процессы изготовления компонентов хорошо разработаны. Для крупных агрегатов сталь, скорее всего, останется предпочтительным материалом.
Однако, учитывая рост малых (менее 10 МВт) и микро- (менее 100 кВт) турбин, композиты могут использоваться для экономии веса и снижения производственных затрат и воздействия на окружающую среду. Это особенно актуально, учитывая постоянную потребность в росте поставок электроэнергии. Установленная мировая гидроэнергетическая мощность, почти 800 000 МВт, согласно исследованию 2009 года Norwegian Renewable Energy Partners, составляет всего 10% от экономически осуществимой и 6% от технически осуществимой гидроэнергетики. Потенциал для перевода большего количества технически осуществимой гидроэнергетики в область экономически осуществимой увеличивается с возможностью композитных компонентов обеспечивать экономию масштаба.
Производство композитных компонентов
Для экономичного производства затвора с постоянной высокой прочностью наилучшим методом является намотка нитей. Большая оправка обматывается жгутами волокна, пропущенными через ванну со смолой. Жгуты обматываются в кольцевые и спиральные узоры для создания прочности на внутреннее давление, продольный изгиб и обработку. В разделе результатов ниже показаны стоимость и вес на фут для двух размеров затвора на основе предложения от местных поставщиков. Предложение показало, что толщина конструкции была обусловлена требованиями к установке и обработке, а не относительно низкой нагрузкой давления, и для обоих случаев она составила 2,28 см.
Для калиток и флюгеров были рассмотрены два метода изготовления: мокрая укладка и вакуумная инфузия. Мокрая укладка использует сухую ткань, которая пропитывается путем заливки смолы поверх ткани и использования роликов для проталкивания смолы в ткань. Этот процесс не такой чистый, как вакуумная инфузия, и не всегда дает наиболее оптимизированную структуру с точки зрения соотношения волокон к смоле, но он занимает меньше времени, чем процесс вакуумной инфузии. Вакуумная инфузия укладывает сухое волокно в правильной ориентации, а затем сухая стопка упаковывается в вакуумные мешки, и прикрепляются дополнительные фитинги, которые обеспечивают подачу смолы, которая втягивается в деталь при применении вакуума. Вакуум помогает поддерживать количество смолы на оптимальном уровне и снижает выброс летучих органических веществ.
Корпус спирали будет использовать ручную укладку в двух отдельных половинах на охватываемой форме для обеспечения гладкой внутренней поверхности. Затем эти две половины будут скреплены вместе с добавлением волокна снаружи в точке склеивания для обеспечения достаточной прочности. Нагрузка давления в корпусе спирали не требует высокопрочного усовершенствованного композита, поэтому будет достаточно мокрой укладки стеклоткани с эпоксидной смолой. Толщина корпуса спирали была основана на том же параметре конструкции, что и у напорного водовода. Агрегат мощностью 250 кВт представляет собой машину с осевым потоком, поэтому корпус спирали отсутствует.
Турбинный ротор сочетает в себе сложную геометрию с высокими требованиями к нагрузке. Недавние исследования продемонстрировали, что высокопрочные структурные компоненты могут быть изготовлены из рубленого препрега SMC с превосходной прочностью и жесткостью.5 Рычаг подвески Lamborghini Gallardo был разработан с использованием нескольких слоев рубленого препрега SMC, известного как кованый композит, спрессованного для получения необходимой толщины. Тот же метод может быть применен к роторам Фрэнсиса и пропеллера. Ротор Фрэнсиса не может быть изготовлен как единое целое, так как сложность перекрытия лопастей не позволит извлечь деталь из формы. Таким образом, лопасти ротора, коронка и полоса изготавливаются отдельно, а затем склеиваются вместе и усиливаются болтами через внешнюю часть коронки и полосы.
Хотя вытяжную трубу проще всего изготовить с помощью намотки нити, этот процесс не был коммерциализирован с использованием натуральных волокон. Таким образом, была выбрана ручная выкладка, так как это стандартный метод производства, несмотря на более высокие трудозатраты. Используя матрицу, похожую на оправку, выкладку можно завершить, когда форма находится в горизонтальном положении, а затем повернуть ее вертикально для отверждения, предотвращая провисание с одной стороны. Вес композитных деталей будет немного отличаться в зависимости от количества смолы в готовой детали. Эти цифры основаны на 50% веса волокна.
Общий вес стальной и композитной турбины мощностью 2 МВт составляет 9888 кг и 7016 кг соответственно. Стальные и композитные турбины мощностью 250 кВт весят 3734 кг и 1927 кг соответственно. Общий вес предполагает наличие 20 калиток для каждой турбины и длину напорного трубопровода, равную головке турбины. Вероятно, что напорный трубопровод будет длиннее и потребует установки фитингов, но это число дает базовую оценку веса агрегата и связанных с ним периферийных устройств. Генератор, болты и приводное оборудование затвора не включены и считаются аналогичными для композитных и стальных агрегатов. Также стоит отметить, что перепроектирование рабочего колеса, необходимое для учета концентрации напряжений, обнаруженной в FEA, увеличит вес композитных агрегатов, но предполагается, что эта сумма минимальна, порядка 5 кг, чтобы усилить точки концентрации напряжений.
При заданном весе композитную турбину мощностью 2 МВт и ее напорный трубопровод можно поднять с помощью быстрого V-22 Osprey, тогда как для стальной машины потребуется более медленный и менее маневренный двухроторный вертолет Chinook. Кроме того, композитную турбину мощностью 2 МВт и напорный трубопровод можно будет отбуксировать с помощью F-250 4×4, тогда как для стального агрегата потребуется более крупный грузовик, который будет трудно маневрировать на лесных дорогах, если установка будет удаленной.
Выводы
Возможно изготавливать турбины из композитных материалов, и было отмечено снижение веса на 50–70 % по сравнению с обычными стальными компонентами. Уменьшенный вес позволяет устанавливать композитные турбины в удаленных местах. Кроме того, сборка этих композитных конструкций не требует сварочного оборудования. Компоненты также требуют меньшего количества деталей для скрепления болтами, поскольку каждая часть может быть изготовлена из одной или двух секций. При небольших производственных циклах, смоделированных в этом исследовании, стоимость форм и другой оснастки доминирует над стоимостью компонента.
Указанные здесь небольшие запуски показывают, сколько будет стоить начало дальнейшего исследования этих материалов. Это исследование может рассмотреть кавитационную эрозию и защиту компонентов от УФ-излучения после установки. Возможно, можно использовать эластомерные или керамические покрытия для уменьшения кавитации или обеспечения работы турбины в режимах потока и напора, которые предотвращают возникновение кавитации. Важно будет протестировать и решить эти и другие проблемы, чтобы гарантировать, что агрегаты могут достичь такой же надежности, как стальные турбины, особенно если они будут установлены в областях, где техническое обслуживание будет нечастым.
Даже при таких малых объемах производства некоторые композитные компоненты могут быть экономически эффективными из-за снижения трудозатрат на производство. Например, корпус спиральной турбины для 2-мегаваттного блока Фрэнсиса обойдется в 80 000 долларов США при сварке из стали по сравнению с 25 000 долларов США при изготовлении из композитных материалов. Однако, при условии успешного проектирования рабочих колес турбины, стоимость формования композитных рабочих колес будет выше, чем стоимость эквивалентных стальных компонентов. Рабочее колесо мощностью 2 МВт обойдется примерно в 23 000 долларов США при изготовлении из стали по сравнению с 27 000 долларов США при изготовлении из композитных материалов. Стоимость может варьироваться в зависимости от машины. А стоимость композитных компонентов значительно снизится при более высоких объемах производства, если формы можно будет использовать повторно.
Исследователи уже исследовали конструкцию рабочих колес турбин из композитных материалов.8 Однако в этом исследовании не рассматривались кавитационная эрозия и осуществимость конструкции. Следующим шагом для композитных турбин является проектирование и создание масштабной модели, которая позволит доказать осуществимость и экономичность производства. Затем этот блок можно будет испытать для определения эффективности и применимости, а также методов предотвращения избыточной кавитационной эрозии.
Время публикации: 15 февр. 2022 г.
