Композитные материалы находят все более широкое применение в создании оборудования для гидроэнергетики.Исследование прочности материала и других критериев открывает множество других применений, особенно для небольших и микроузлов.
Эта статья была оценена и отредактирована в соответствии с обзорами, проведенными двумя или более профессионалами, обладающими соответствующим опытом.Эти рецензенты оценивают рукописи на предмет технической точности, полезности и общей важности для гидроэнергетики.
Появление новых материалов открывает потрясающие возможности для гидроэнергетики.Дерево, которое использовалось в оригинальных водяных колесах и напорных колодцах, было частично вытеснено стальными компонентами в начале 1800-х годов.Сталь сохраняет свою прочность за счет высокой усталостной нагрузки и сопротивляется кавитационной эрозии и коррозии.Его свойства хорошо изучены, а процессы изготовления компонентов хорошо разработаны.Для крупных агрегатов предпочтительным материалом, скорее всего, останется сталь.
Однако, учитывая рост числа турбин от малых (менее 10 МВт) до микроразмеров (менее 100 кВт), можно использовать композиты для снижения веса и снижения производственных затрат и воздействия на окружающую среду.Это особенно актуально, учитывая сохраняющуюся потребность в росте электроснабжения.Установленная мировая гидроэнергетическая мощность, составляющая почти 800 000 МВт, согласно исследованию, проведенному в 2009 году компанией Norwegian Renewable Energy Partners, составляет лишь 10% экономически целесообразной и 6% технически возможной гидроэнергетики.Потенциал превращения большего количества технически осуществимых гидроэлектростанций в область экономически целесообразных увеличивается благодаря способности композитных компонентов обеспечивать экономию за счет масштаба.
Производство композитных компонентов
Для экономичного изготовления затвора с постоянной высокой прочностью наилучшим методом является намотка нитью.Большая оправка обмотана жгутами волокна, пропущенными через ванну со смолой.Жгуты завернуты в виде обручей и спиральных узоров, чтобы создать прочность для внутреннего давления, продольного изгиба и обработки.В разделе результатов ниже показаны стоимость и вес на фут для двух размеров затвора, основанные на расценках от местных поставщиков.Цитата показала, что расчетная толщина была обусловлена требованиями к установке и обращению, а не относительно низкой нагрузкой от давления, и для обоих случаев она составила 2,28 см.
Были рассмотрены два метода изготовления калитки и опорных лопаток;влажная укладка и вакуумная инфузия.При мокрой укладке используется сухая ткань, которая пропитывается путем заливки смолы на ткань и использования роликов для вдавливания смолы в ткань.Этот процесс не такой чистый, как вакуумная инфузия, и не всегда дает наиболее оптимизированную структуру с точки зрения соотношения волокон и смолы, но занимает меньше времени, чем процесс вакуумной инфузии.Вакуумная инфузия укладывает сухое волокно в правильной ориентации, а затем сухая стопка упаковывается в вакуумный мешок и прикрепляются дополнительные фитинги, которые ведут к подаче смолы, которая втягивается в деталь при приложении вакуума.Вакуум помогает поддерживать количество смолы на оптимальном уровне и снижает выделение летучих органических соединений.
В корпусе прокрутки будет использоваться ручная укладка на две отдельные половины на охватываемой форме, чтобы обеспечить гладкую внутреннюю поверхность.Затем эти две половины будут соединены вместе с волокном, добавленным снаружи в точке соединения, чтобы обеспечить достаточную прочность.Давление в корпусе прокрутки не требует высокопрочного усовершенствованного композита, поэтому будет достаточно влажной укладки стеклоткани с эпоксидной смолой.Толщина корпуса улитки основывалась на том же конструктивном параметре, что и затвор.Агрегат мощностью 250 кВт представляет собой машину с осевым потоком, поэтому спиральный корпус отсутствует.
Рабочее колесо турбины сочетает в себе сложную геометрию с высокими требованиями к нагрузке.Недавняя работа продемонстрировала, 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, формованный под давлением. для получения необходимой толщины.Тот же метод можно применить к бегунам Фрэнсиса и гребных винтов.Бегун Фрэнсиса не может быть изготовлен как единое целое, так как сложность перекрытия лопастей не позволит извлечь деталь из формы.Таким образом, рабочие лопасти, корона и лента изготавливаются отдельно, а затем соединяются вместе и укрепляются болтами снаружи короны и ленты.
Хотя вытяжную трубу проще всего изготовить с помощью филаментной намотки, этот процесс не был коммерциализирован с использованием натуральных волокон.Поэтому была выбрана ручная укладка, так как это стандартный способ изготовления, несмотря на более высокие трудозатраты.Используя охватываемую форму, похожую на оправку, укладка может быть завершена, когда форма находится в горизонтальном положении, а затем поворачивается вертикально для отверждения, предотвращая провисание с одной стороны.Вес композитных деталей будет незначительно варьироваться в зависимости от количества смолы в готовой детали.Эти цифры основаны на 50% веса волокна.
Общий вес стальной и композитной турбин мощностью 2 МВт составляет 9 888 кг и 7 016 кг соответственно.Стальная и композитная турбины мощностью 250 кВт весят 3734 кг и 1927 кг соответственно.Общие данные предполагают наличие 20 калиток для каждой турбины и длину напорного трубопровода, равную головной части турбины.Вполне вероятно, что затвор будет длиннее и потребует фитингов, но это число дает базовую оценку веса устройства и связанных с ним периферийных устройств.Генератор, болты и исполнительное оборудование затвора не включены и предполагаются одинаковыми для композитных и стальных блоков.Также стоит отметить, что изменение конструкции полозьев, необходимое для учета концентраций напряжений, наблюдаемых в МКЭ, приведет к увеличению веса составных элементов, но предполагается, что это количество будет минимальным, порядка 5 кг, для усиления точек с концентрацией напряжений.
При заданном весе составную турбину мощностью 2 МВт и ее напорный трубопровод можно было бы поднять быстрым V-22 Osprey, тогда как для стальной машины потребовался бы более медленный и менее маневренный двухроторный вертолет Chinook.Кроме того, композитную турбину и напорный трубопровод мощностью 2 МВт можно было буксировать F-250 4×4, тогда как для стального агрегата потребовался бы более крупный грузовик, которым было бы трудно маневрировать на лесных дорогах, если бы установка была удаленной.
Выводы
Турбины можно изготавливать из композитных материалов, при этом наблюдается снижение веса на 50-70% по сравнению с обычными стальными компонентами.Уменьшенный вес позволяет устанавливать композитные турбины в удаленных местах.Кроме того, для сборки этих композитных конструкций не требуется сварочного оборудования.Компоненты также требуют меньшего количества деталей, которые нужно скрепить болтами, поскольку каждая деталь может состоять из одной или двух секций.При небольших производственных партиях, смоделированных в этом исследовании, стоимость пресс-форм и других инструментов преобладает над стоимостью компонентов.
Указанные здесь небольшие тиражи показывают, во что обойдутся дальнейшие исследования этих материалов.Это исследование может решить проблему кавитационной эрозии и защиты компонентов после установки от УФ-излучения.Можно использовать эластомерные или керамические покрытия для уменьшения кавитации или обеспечения работы турбины в режимах потока и напора, которые предотвращают возникновение кавитации.Будет важно протестировать и решить эти и другие проблемы, чтобы убедиться, что блоки могут достичь такой же надежности, как и стальные турбины, особенно если они будут установлены в местах, где техническое обслуживание будет нечастым.
Даже при таких небольших тиражах некоторые композитные компоненты могут быть рентабельными из-за снижения трудозатрат на их производство.Например, спиральный корпус для блока Фрэнсиса мощностью 2 МВт будет стоить 80 000 долларов США при сварке из стали по сравнению с 25 000 долларов США при изготовлении композитных материалов.Однако, при условии удачной конструкции рабочих колес турбины, стоимость литья композитных рабочих колес превышает стоимость эквивалентных стальных компонентов.Изготовление бегунка мощностью 2 МВт из стали будет стоить около 23 000 долларов по сравнению с 27 000 долларов из композита.Стоимость может варьироваться в зависимости от машины.А стоимость композитных компонентов значительно снизилась бы при более высоких производственных циклах, если бы формы можно было использовать повторно.
Исследователи уже исследовали конструкцию рабочего колеса турбины из композитных материалов.8 Однако это исследование не касалось кавитационной эрозии и возможности конструкции.Следующим шагом для составных турбин является проектирование и создание масштабной модели, которая позволит доказать осуществимость и экономичность производства.Эта установка затем может быть испытана для определения эффективности и применимости, а также методов предотвращения чрезмерной кавитационной эрозии.
Время публикации: 15 февраля 2022 г.
