ఫోర్స్టర్ చిన్న హైడ్రో టర్బైన్‌ల కోసం మిశ్రమ పదార్థాలను ఎలా ఉపయోగించవచ్చు

జలవిద్యుత్ పరిశ్రమ పరికరాల నిర్మాణంలో మిశ్రమ పదార్థాలు పురోగమిస్తున్నాయి. పదార్థ బలం మరియు ఇతర ప్రమాణాలపై జరిపిన పరిశోధన, ముఖ్యంగా చిన్న మరియు సూక్ష్మ యూనిట్ల కోసం మరెన్నో అనువర్తనాలను వెల్లడిస్తుంది.
సంబంధిత నైపుణ్యం కలిగిన ఇద్దరు లేదా అంతకంటే ఎక్కువ మంది నిపుణులు నిర్వహించిన సమీక్షలకు అనుగుణంగా ఈ వ్యాసం మూల్యాంకనం చేయబడి, సవరించబడింది. ఈ తోటి సమీక్షకులు జలవిద్యుత్ పరిశ్రమలో సాంకేతిక ఖచ్చితత్వం, ఉపయోగం మరియు మొత్తం ప్రాముఖ్యత ఆధారంగా మాన్యుస్క్రిప్ట్‌లను అంచనా వేస్తారు.
కొత్త పదార్థాల ఆవిర్భావం జలవిద్యుత్ పరిశ్రమకు ఉత్తేజకరమైన అవకాశాలను అందిస్తోంది. అసలు నీటి చక్రాలు మరియు పెన్‌స్టాక్‌లలో ఉపయోగించిన కలప స్థానంలో, 1800ల ప్రారంభంలో కొంతవరకు ఉక్కు భాగాలను వాడటం మొదలుపెట్టారు. ఉక్కు అధిక అలసట భారాన్ని తట్టుకుని తన బలాన్ని నిలుపుకుంటుంది మరియు కావిటేషన్ కోతను, తుప్పును నిరోధిస్తుంది. దాని ధర్మాలు బాగా అర్థమయ్యాయి మరియు భాగాల తయారీ ప్రక్రియలు కూడా బాగా అభివృద్ధి చెందాయి. పెద్ద యూనిట్ల కోసం, ఉక్కునే ప్రధాన ఎంపికగా కొనసాగే అవకాశం ఉంది.
అయితే, చిన్న (10 మెగావాట్ల కంటే తక్కువ) నుండి సూక్ష్మ-పరిమాణ (100 కిలోవాట్ల కంటే తక్కువ) టర్బైన్‌ల పెరుగుదలను దృష్టిలో ఉంచుకుని, బరువును ఆదా చేయడానికి, తయారీ వ్యయాన్ని మరియు పర్యావరణ ప్రభావాన్ని తగ్గించడానికి కాంపోజిట్‌లను ఉపయోగించవచ్చు. విద్యుత్ సరఫరాలో నిరంతర వృద్ధి అవసరం ఉన్నందున ఇది ప్రత్యేకంగా సంబంధితమైనది. నార్వేజియన్ రెన్యూవబుల్ ఎనర్జీ పార్ట్‌నర్స్ 2009 అధ్యయనం ప్రకారం, ప్రపంచవ్యాప్తంగా స్థాపించబడిన జలవిద్యుత్ సామర్థ్యం దాదాపు 800,000 మెగావాట్లు, ఇది ఆర్థికంగా సాధ్యమయ్యే జలవిద్యుత్‌లో కేవలం 10% మరియు సాంకేతికంగా సాధ్యమయ్యే జలవిద్యుత్‌లో 6% మాత్రమే. కాంపోజిట్ భాగాలు ఎకానమీ ఆఫ్ స్కేల్‌ను అందించగల సామర్థ్యంతో, సాంకేతికంగా సాధ్యమయ్యే జలవిద్యుత్‌ను మరింతగా ఆర్థికంగా సాధ్యమయ్యే పరిధిలోకి తీసుకువచ్చే అవకాశం పెరుగుతుంది.

మిశ్రమ భాగాల తయారీ
పెన్‌స్టాక్‌ను తక్కువ ఖర్చుతో మరియు స్థిరమైన అధిక బలంతో తయారు చేయడానికి, ఫిలమెంట్ వైండింగ్ ఉత్తమ పద్ధతి. రెసిన్ బాత్‌లో నడిపించిన ఫైబర్ టోస్‌తో ఒక పెద్ద మాండ్రెల్‌ను చుడతారు. అంతర్గత ఒత్తిడి, రేఖాంశ వంపు మరియు నిర్వహణ కోసం బలాన్ని సృష్టించడానికి ఈ టోస్‌ను హూప్ మరియు హెలికల్ నమూనాలలో చుడతారు. స్థానిక సరఫరాదారుల నుండి వచ్చిన కొటేషన్ ఆధారంగా, రెండు పెన్‌స్టాక్ పరిమాణాలకు అడుగుకు అయ్యే ఖర్చు మరియు బరువును దిగువ ఫలితాల విభాగం చూపిస్తుంది. సాపేక్షంగా తక్కువ పీడన భారం కంటే, ఇన్‌స్టాలేషన్ మరియు నిర్వహణ అవసరాల ఆధారంగానే డిజైన్ మందం నిర్ణయించబడిందని, మరియు రెండింటికీ అది 2.28 సెం.మీ.గా ఉందని ఆ కొటేషన్ చూపించింది.
వికెట్ గేట్లు మరియు స్టే వేన్‌ల తయారీ కోసం రెండు పద్ధతులను పరిగణనలోకి తీసుకున్నారు; వెట్ లేఅప్ మరియు వాక్యూమ్ ఇన్ఫ్యూజన్. వెట్ లేఅప్‌లో పొడి ఫ్యాబ్రిక్‌ను ఉపయోగిస్తారు, దీనిపై రెసిన్‌ను పోసి, రోలర్లను ఉపయోగించి రెసిన్‌ను ఫ్యాబ్రిక్‌లోకి నెట్టడం ద్వారా దానిని నింపుతారు. ఈ ప్రక్రియ వాక్యూమ్ ఇన్ఫ్యూజన్ అంత శుభ్రంగా ఉండదు మరియు ఫైబర్-టు-రెసిన్ నిష్పత్తి పరంగా ఎల్లప్పుడూ అత్యంత ఆప్టిమైజ్ చేయబడిన నిర్మాణాన్ని అందించదు, కానీ ఇది వాక్యూమ్ ఇన్ఫ్యూజన్ ప్రక్రియ కంటే తక్కువ సమయం తీసుకుంటుంది. వాక్యూమ్ ఇన్ఫ్యూజన్‌లో పొడి ఫైబర్‌ను సరైన దిశలలో అమర్చుతారు, ఆపై పొడి స్టాక్‌ను వాక్యూమ్ బ్యాగ్ చేసి, రెసిన్ సరఫరాకు దారితీసే అదనపు ఫిట్టింగ్‌లను జతచేస్తారు. వాక్యూమ్ ప్రయోగించినప్పుడు, ఆ రెసిన్ భాగంలోకి లాగబడుతుంది. వాక్యూమ్ రెసిన్ పరిమాణాన్ని సరైన స్థాయిలో ఉంచడానికి సహాయపడుతుంది మరియు అస్థిర సేంద్రీయ పదార్థాల విడుదలను తగ్గిస్తుంది.
లోపలి ఉపరితలం నునుపుగా ఉండేలా చూసుకోవడానికి, స్క్రోల్ కేస్‌ను ఒక మేల్ మోల్డ్‌పై రెండు వేర్వేరు భాగాలుగా హ్యాండ్ లేఅప్ పద్ధతిలో తయారు చేస్తారు. తగినంత బలం ఉండేలా చూసుకోవడానికి, ఈ రెండు భాగాలను అంటించే చోట బయటి వైపు ఫైబర్‌ను జోడించి అతికిస్తారు. స్క్రోల్ కేస్‌లోని పీడన భారానికి అధిక-బలం గల అధునాతన కాంపోజిట్ అవసరం లేదు, కాబట్టి ఎపాక్సీ రెసిన్‌తో కూడిన ఫైబర్‌గ్లాస్ ఫ్యాబ్రిక్ వెట్ లేఅప్ సరిపోతుంది. స్క్రోల్ కేస్ మందం, పెన్‌స్టాక్ మాదిరిగానే అదే డిజైన్ పారామీటర్ ఆధారంగా నిర్ణయించబడింది. ఈ 250-kW యూనిట్ ఒక యాక్సియల్ ఫ్లో మెషిన్, కాబట్టి దీనికి స్క్రోల్ కేస్ ఉండదు.

టర్బైన్ రన్నర్ సంక్లిష్టమైన జ్యామితిని అధిక లోడ్ అవసరాలతో మిళితం చేస్తుంది. ఇటీవలి పరిశోధనలు, కత్తిరించిన ప్రీప్రెగ్ SMC నుండి అద్భుతమైన బలం మరియు దృఢత్వంతో అధిక-బలం గల నిర్మాణ భాగాలను తయారు చేయవచ్చని నిరూపించాయి.5 లంబోర్ఘిని గల్లార్డో యొక్క సస్పెన్షన్ ఆర్మ్, ఫోర్జ్డ్ కాంపోజిట్ అని పిలువబడే కత్తిరించిన ప్రీప్రెగ్ SMC యొక్క బహుళ పొరలను ఉపయోగించి రూపొందించబడింది, అవసరమైన మందాన్ని ఉత్పత్తి చేయడానికి దీనిని కంప్రెషన్ మోల్డింగ్ చేశారు. ఇదే పద్ధతిని ఫ్రాన్సిస్ మరియు ప్రొపెల్లర్ రన్నర్‌లకు కూడా వర్తింపజేయవచ్చు. ఫ్రాన్సిస్ రన్నర్‌ను ఒకే యూనిట్‌గా తయారు చేయలేము, ఎందుకంటే బ్లేడ్ అతివ్యాప్తి యొక్క సంక్లిష్టత కారణంగా ఆ భాగాన్ని అచ్చు నుండి బయటకు తీయడం సాధ్యపడదు. అందువల్ల, రన్నర్ బ్లేడ్‌లు, క్రౌన్ మరియు బ్యాండ్‌లను విడివిడిగా తయారు చేసి, ఆపై వాటిని కలిపి బంధించి, క్రౌన్ మరియు బ్యాండ్ వెలుపలి భాగం గుండా బోల్ట్‌లతో బలోపేతం చేస్తారు.
ఫిలమెంట్ వైండింగ్ పద్ధతిని ఉపయోగించి డ్రాఫ్ట్ ట్యూబ్‌ను అత్యంత సులభంగా తయారు చేయగలిగినప్పటికీ, సహజ ఫైబర్‌లను ఉపయోగించి ఈ ప్రక్రియ వాణిజ్యపరంగా అందుబాటులోకి రాలేదు. అందువల్ల, అధిక కార్మిక వ్యయాలు ఉన్నప్పటికీ, ఇది ప్రామాణిక తయారీ పద్ధతి కావడంతో హ్యాండ్ లేఅప్‌ను ఎంచుకున్నారు. మాండ్రెల్‌ను పోలిన మేల్ మోల్డ్‌ను ఉపయోగించి, మోల్డ్‌ను అడ్డంగా ఉంచి లేఅప్‌ను పూర్తి చేయవచ్చు, ఆపై క్యూరింగ్ కోసం దానిని నిలువుగా తిప్పవచ్చు, దీనివల్ల ఒక వైపు వంగిపోకుండా నివారించవచ్చు. తయారైన భాగంలో ఉండే రెసిన్ పరిమాణాన్ని బట్టి కాంపోజిట్ భాగాల బరువు కొద్దిగా మారుతుంది. ఈ సంఖ్యలు 50% ఫైబర్ బరువు ఆధారంగా లెక్కించబడ్డాయి.
స్టీల్ మరియు కాంపోజిట్ 2-MW టర్బైన్‌ల మొత్తం బరువులు వరుసగా 9,888 కిలోలు మరియు 7,016 కిలోలు. 250-kW స్టీల్ మరియు కాంపోజిట్ టర్బైన్‌ల బరువులు వరుసగా 3,734 కిలోలు మరియు 1,927 కిలోలు. ఈ మొత్తాలు ప్రతి టర్బైన్‌కు 20 వికెట్ గేట్లు మరియు టర్బైన్ హెడ్‌కు సమానమైన పెన్‌స్టాక్ పొడవును పరిగణనలోకి తీసుకున్నాయి. పెన్‌స్టాక్ పొడవుగా ఉండి, ఫిట్టింగ్‌లు అవసరమయ్యే అవకాశం ఉన్నప్పటికీ, ఈ సంఖ్య యూనిట్ మరియు దాని అనుబంధ పరికరాల బరువుకు సంబంధించిన ప్రాథమిక అంచనాను ఇస్తుంది. జనరేటర్, బోల్ట్‌లు మరియు గేట్ యాక్చుయేటింగ్ హార్డ్‌వేర్ ఇందులో చేర్చబడలేదు మరియు కాంపోజిట్ మరియు స్టీల్ యూనిట్ల మధ్య ఇవి ఒకే విధంగా ఉంటాయని భావించబడింది. FEAలో కనిపించే స్ట్రెస్ కాన్సంట్రేషన్‌లను పరిగణనలోకి తీసుకోవడానికి అవసరమైన రన్నర్ రీడిజైన్ కాంపోజిట్ యూనిట్లకు బరువును జోడిస్తుందని గమనించడం కూడా ముఖ్యం, కానీ స్ట్రెస్ కాన్సంట్రేషన్ ఉన్న పాయింట్లను బలోపేతం చేయడానికి ఈ మొత్తం సుమారు 5 కిలోల వరకు చాలా తక్కువగా ఉంటుందని భావించబడింది.
ఇచ్చిన బరువులతో, 2-మెగావాట్ల కాంపోజిట్ టర్బైన్ మరియు దాని పెన్‌స్టాక్‌ను వేగవంతమైన V-22 ఆస్ప్రే ద్వారా ఎత్తవచ్చు, అయితే స్టీల్ యంత్రానికి నెమ్మదిగా, తక్కువ యుక్తితో కూడిన చినూక్ ట్విన్ రోటర్ హెలికాప్టర్ అవసరం అవుతుంది. అలాగే, 2-మెగావాట్ల కాంపోజిట్ టర్బైన్ మరియు పెన్‌స్టాక్‌ను F-250 4×4 ద్వారా లాగవచ్చు, అయితే స్టీల్ యూనిట్‌కు ఒక పెద్ద ట్రక్కు అవసరం అవుతుంది, మరియు ఆ సంస్థాపన మారుమూల ప్రాంతంలో ఉంటే దానిని అటవీ రహదారులపై నడపడం కష్టమవుతుంది.

ముగింపులు
మిశ్రమ పదార్థాలతో టర్బైన్‌లను నిర్మించడం సాధ్యమే, మరియు సాంప్రదాయ ఉక్కు భాగాలతో పోలిస్తే 50% నుండి 70% వరకు బరువు తగ్గుదల కనిపించింది. తగ్గిన బరువు వల్ల మిశ్రమ టర్బైన్‌లను మారుమూల ప్రదేశాలలో ఏర్పాటు చేయడానికి వీలవుతుంది. అంతేకాకుండా, ఈ మిశ్రమ నిర్మాణాల అసెంబ్లీకి వెల్డింగ్ పరికరాలు అవసరం లేదు. ప్రతి భాగాన్ని ఒకటి లేదా రెండు విభాగాలుగా తయారు చేయవచ్చు కాబట్టి, భాగాలను కలిపి బిగించడానికి కూడా తక్కువ భాగాలు అవసరమవుతాయి. ఈ అధ్యయనంలో నమూనాగా తీసుకున్న చిన్న ఉత్పత్తి పరిమాణాలలో, అచ్చుల మరియు ఇతర పరికరాల ఖర్చు, భాగాల ఖర్చులో ప్రధాన పాత్ర పోషిస్తుంది.
ఇక్కడ సూచించిన చిన్న ప్రయోగాలు, ఈ పదార్థాలపై తదుపరి పరిశోధన ప్రారంభించడానికి ఎంత ఖర్చు అవుతుందో తెలియజేస్తాయి. ఈ పరిశోధన, ఇన్‌స్టాలేషన్ తర్వాత భాగాలకు కావిటేషన్ వల్ల కలిగే కోత మరియు UV రక్షణ వంటి సమస్యలను పరిష్కరించగలదు. కావిటేషన్‌ను తగ్గించడానికి లేదా కావిటేషన్ జరగకుండా నిరోధించే ప్రవాహం మరియు హెడ్ రీజిమ్‌లలో టర్బైన్ నడిచేలా చూడటానికి ఎలాస్టోమర్ లేదా సిరామిక్ పూతలను ఉపయోగించడం సాధ్యం కావచ్చు. ఈ యూనిట్లు స్టీల్ టర్బైన్‌ల మాదిరిగానే విశ్వసనీయతను సాధించగలవని నిర్ధారించుకోవడానికి, ఈ మరియు ఇతర సమస్యలను పరీక్షించి పరిష్కరించడం చాలా ముఖ్యం, ప్రత్యేకించి నిర్వహణ అరుదుగా ఉండే ప్రాంతాలలో వీటిని ఇన్‌స్టాల్ చేయాల్సి వస్తే ఇది మరింత అవసరం.
ఈ తక్కువ ఉత్పత్తి దశలలో కూడా, తయారీకి అవసరమైన శ్రమ తగ్గడం వల్ల కొన్ని కాంపోజిట్ భాగాలు ఖర్చుకు తగినవిగా ఉంటాయి. ఉదాహరణకు, 2-మెగావాట్ల ఫ్రాన్సిస్ యూనిట్ కోసం ఒక స్క్రోల్ కేస్‌ను స్టీల్‌తో వెల్డింగ్ చేయడానికి $80,000 ఖర్చవుతుండగా, కాంపోజిట్‌తో తయారు చేయడానికి $25,000 మాత్రమే ఖర్చవుతుంది. అయితే, టర్బైన్ రన్నర్‌ల రూపకల్పన విజయవంతమైతే, దానికి సమానమైన స్టీల్ భాగాలతో పోలిస్తే కాంపోజిట్ రన్నర్‌లను మౌల్డ్ చేయడానికి అయ్యే ఖర్చు ఎక్కువ. 2-మెగావాట్ల రన్నర్‌ను స్టీల్‌తో తయారు చేయడానికి సుమారు $23,000 ఖర్చవుతుండగా, కాంపోజిట్‌తో తయారు చేయడానికి $27,000 అవుతుంది. యంత్రాన్ని బట్టి ఖర్చులు మారవచ్చు. మరియు, అచ్చులను తిరిగి ఉపయోగించగలిగితే, అధిక ఉత్పత్తి దశలలో కాంపోజిట్ భాగాల ఖర్చు గణనీయంగా తగ్గుతుంది.
పరిశోధకులు ఇప్పటికే మిశ్రమ పదార్థాలతో టర్బైన్ రన్నర్ల నిర్మాణంపై పరిశోధనలు చేశారు.8 అయితే, ఈ అధ్యయనం కావిటేషన్ కోత మరియు నిర్మాణ సాధ్యతను పరిగణనలోకి తీసుకోలేదు. మిశ్రమ టర్బైన్ల విషయంలో తదుపరి దశ, సాధ్యత మరియు తయారీ ఆర్థిక వ్యవస్థను నిరూపించడానికి వీలు కల్పించే ఒక స్కేల్ మోడల్‌ను రూపొందించి, నిర్మించడం. ఆ తర్వాత ఈ యూనిట్‌ను పరీక్షించి, దాని సామర్థ్యం మరియు అనువర్తనీయతను, అలాగే అధిక కావిటేషన్ కోతను నివారించే పద్ధతులను నిర్ధారించవచ్చు.