Kompositmaterial gör alltmer intåg i konstruktionen av utrustning för vattenkraftsindustrin. En undersökning av materialstyrka och andra kriterier avslöjar många fler tillämpningar, särskilt för små och mikroenheter.
Denna artikel har utvärderats och redigerats i enlighet med granskningar utförda av två eller flera yrkesverksamma med relevant expertis. Dessa granskare bedömer manuskript utifrån teknisk noggrannhet, användbarhet och övergripande betydelse inom vattenkraftsindustrin.
Uppkomsten av nya material ger spännande möjligheter för vattenkraftsindustrin. Trä – som användes i de ursprungliga vattenhjulen och rören – ersattes delvis av stålkomponenter i början av 1800-talet. Stål behåller sin styrka genom hög utmattningsbelastning och motstår kavitationserosion och korrosion. Dess egenskaper är välkända och processerna för komponenttillverkning är välutvecklade. För stora enheter kommer stål sannolikt att förbli det materialval som föredras.
Med tanke på ökningen av små (under 10 MW) till mikrostora (under 100 kW) turbiner kan dock kompositer användas för att spara vikt och minska tillverkningskostnader och miljöpåverkan. Detta är särskilt relevant med tanke på det fortsatta behovet av tillväxt i elförsörjningen. Den installerade världens vattenkraftkapacitet, nästan 800 000 MW enligt en studie från 2009 av Norwegian Renewable Energy Partners, är bara 10 % av den ekonomiskt genomförbara och 6 % av den tekniskt genomförbara vattenkraften. Potentialen att få in mer av den tekniskt genomförbara vattenkraften i det ekonomiskt genomförbara området ökar med kompositkomponenternas förmåga att ge skalfördelar.
Tillverkning av kompositkomponenter
För att tillverka rörledningen ekonomiskt och med jämn hög hållfasthet är den bästa metoden lindning av filament. En stor dorn lindas med fiberkabelor som har körts genom ett hartsbad. Kabelkabelorna lindas i ring- och spiralformade mönster för att skapa hållfasthet för inre tryck, längsgående böjning och hantering. Resultatavsnittet nedan visar kostnad och vikt per fot för de två rörledningsstorlekarna, baserat på en offert från lokala leverantörer. Offerten visade att konstruktionstjockleken drevs av installations- och hanteringskrav, snarare än den relativt låga tryckbelastningen, och för båda var den 2,28 cm.
Två tillverkningsmetoder övervägdes för grindgrindar och stagskenor; våtuppläggning och vakuuminfusion. Våtuppläggning använder torr väv, som impregneras genom att harts hälls över väven och hartset används som valsar för att trycka in det i väven. Denna process är inte lika ren som vakuuminfusion och producerar inte alltid den mest optimerade strukturen när det gäller fiber-till-harts-förhållandet, men den tar kortare tid än vakuuminfusionsprocessen. Vakuuminfusion lägger upp torr fiber i rätt orientering, och den torra stapeln vakuumpåsas sedan och extra kopplingar fästs som leder till en hartstillförsel, som dras in i delen när vakuum appliceras. Vakuumet hjälper till att bibehålla mängden harts på en optimal nivå och minskar utsläppet av flyktiga organiska ämnen.
Scrollhöljet kommer att läggas upp för hand i två separata halvor på en hanform för att säkerställa en slät insida. Dessa två halvor kommer sedan att bindas samman med fiber som läggs till på utsidan vid bindningspunkten för att säkerställa tillräcklig styrka. Tryckbelastningen i scrollhöljet kräver inte en höghållfast avancerad komposit, så en våt uppläggning av glasfiberväv med epoxiharts kommer att vara tillräcklig. Scrollhöljets tjocklek baserades på samma designparameter som rörledningen. 250 kW-enheten är en axialströmningsmaskin, så det finns inget scrollhölje.
Ett turbinlöpband kombinerar en komplex geometri med höga belastningskrav. Nyligen genomförda studier har visat att höghållfasta strukturella komponenter kan tillverkas av ett hackat prepreg-SMC med utmärkt hållfasthet och styvhet.5 Bärarmen på Lamborghini Gallardo konstruerades med flera lager av ett hackat prepreg-SMC, känt som en smidd komposit, som formpressades för att producera den erforderliga tjockleken. Samma metod kan tillämpas på Francis- och propellerlöpbanden. Francis-löpbandet kan inte tillverkas som en enhet, eftersom komplexiteten i bladöverlappningen skulle förhindra att delen tas ut ur formen. Därför tillverkas löpbladen, kronan och bandet separat och limmas sedan samman och förstärks med bultar genom utsidan av kronan och bandet.
Även om dragröret enklast tillverkas med hjälp av filamentlindning, har denna process inte kommersialiserats med naturfibrer. Därför valdes manuell uppläggning, eftersom detta är en standardtillverkningsmetod, trots de högre arbetskostnaderna. Med hjälp av en hanform liknande en dorn kan uppläggningen slutföras med formen horisontell och sedan vridas vertikalt för att härda, vilket förhindrar att den sjunker ihop på ena sidan. Vikten av kompositdelarna kommer att variera något beroende på mängden harts i den färdiga delen. Dessa siffror är baserade på 50 % fibervikt.
Den totala vikten för stål- och kompositturbinen på 2 MW är 9 888 kg respektive 7 016 kg. Stål- och kompositturbinerna på 250 kW väger 3 734 kg respektive 1 927 kg. Totalerna förutsätter 20 grindportar för varje turbin och en rörledningslängd lika med turbinens topplock. Det är troligt att rörledningen skulle vara längre och kräva beslag, men detta antal ger en grundläggande uppskattning av enhetens och tillhörande kringutrustnings vikt. Generator, bultar och grindmanövreringshårdvara ingår inte och antas vara likartade mellan komposit- och stålenheterna. Det är också värt att notera att den omkonstruktion av löpröret som krävs för att ta hänsyn till spänningskoncentrationer som ses i FEA:n skulle öka vikten på kompositenheterna, men mängden antas vara minimal, i storleksordningen 5 kg för att förstärka punkter med spänningskoncentration.
Med de givna vikterna skulle 2 MW kompositturbinen och dess rörledning kunna lyftas av den snabba V-22 Osprey, medan stålmaskinen skulle kräva en långsammare, mindre manövrerbar Chinook-helikopter med två rotorer. Dessutom skulle 2 MW kompositturbinen och rörledningen kunna bogseras av en F-250 4×4, medan stålenheten skulle kräva en större lastbil som skulle vara svår att manövrera på skogsvägar om installationen var avlägsen.
Slutsatser
Det är möjligt att konstruera turbiner av kompositmaterial, och en viktminskning på 50 % till 70 % observerades jämfört med konventionella stålkomponenter. Den minskade vikten gör det möjligt att installera kompositturbiner på avlägsna platser. Dessutom kräver montering av dessa kompositstrukturer ingen svetsutrustning. Komponenterna kräver också färre delar som bultas ihop, eftersom varje del kan tillverkas i en eller två sektioner. Vid de små produktionsserier som modelleras i denna studie dominerar kostnaden för formar och andra verktyg komponentkostnaden.
De små serier som anges här visar vad det skulle kosta att påbörja ytterligare forskning om dessa material. Denna forskning kan rikta in sig på kavitationserosion och UV-skydd av komponenterna efter installation. Det kan vara möjligt att använda elastomer- eller keramiska beläggningar för att minska kavitation eller säkerställa att turbinen går i de flödes- och tryckförhållanden som förhindrar kavitation. Det kommer att vara viktigt att testa och lösa dessa och andra problem för att säkerställa att enheterna kan uppnå liknande tillförlitlighet som stålturbiner, särskilt om de ska installeras i områden där underhåll kommer att vara sällsynt.
Även vid dessa små serier kan vissa kompositkomponenter vara kostnadseffektiva på grund av den minskade arbetskraft som krävs för tillverkningen. Till exempel skulle ett spiralhölje för 2-MW Francis-enheten kosta 80 000 dollar att svetsa av stål jämfört med 25 000 dollar för komposittillverkning. Men om man antar framgångsrik design av turbinlöprännor är kostnaden för att gjuta kompositlöprännorna högre än för motsvarande stålkomponenter. 2-MW-löprännan skulle kosta cirka 23 000 dollar att tillverka av stål, jämfört med 27 000 dollar för komposit. Kostnaderna kan variera beroende på maskin. Och kostnaden för kompositkomponenter skulle sjunka avsevärt vid högre produktionsserier om formar kunde återanvändas.
Forskare har redan undersökt konstruktionen av turbinlöpare av kompositmaterial.8 Denna studie behandlade dock inte kavitationserosion och genomförbarheten av konstruktionen. Nästa steg för kompositturbiner är att designa och bygga en skalenlig modell som möjliggör bevis på genomförbarhet och tillverkningsekonomi. Denna enhet kan sedan testas för att bestämma effektivitet och tillämpbarhet, samt metoder för att förhindra överdriven kavitationserosion.
Publiceringstid: 15 februari 2022
