Ang mga composite na materyales ay sumusulong sa pagtatayo ng mga kagamitan para sa industriya ng hydroelectric power. Ang pagsisiyasat sa lakas ng materyal at iba pang pamantayan ay nagpapakita ng marami pang mga aplikasyon, lalo na para sa maliliit at micro unit.
Ang artikulong ito ay nasuri at na-edit alinsunod sa mga pagsusuri na isinagawa ng dalawa o higit pang mga propesyonal na may kaugnay na kadalubhasaan. Ang mga peer reviewer na ito ay humahatol sa mga manuskrito para sa teknikal na katumpakan, pagiging kapaki-pakinabang, at pangkalahatang kahalagahan sa loob ng hydroelectric na industriya.
Ang pagtaas ng mga bagong materyales ay nagbibigay ng mga kapana-panabik na pagkakataon para sa industriya ng hydroelectric. Ang kahoy - ginamit sa orihinal na mga waterwheel at penstock - ay pinalitan ng bahagi ng mga bahagi ng bakal noong unang bahagi ng 1800s. Ang bakal ay nagpapanatili ng lakas nito sa pamamagitan ng mataas na nakakapagod na pagkarga at lumalaban sa pagguho at kaagnasan ng cavitation. Ang mga katangian nito ay mahusay na nauunawaan at ang mga proseso para sa paggawa ng mga bahagi ay mahusay na binuo. Para sa malalaking yunit, ang bakal ay malamang na mananatiling materyal na pinili.
Gayunpaman, dahil sa pagtaas ng maliliit (sa ibaba 10 MW) hanggang sa micro-sized (sa ibaba 100 kW) na mga turbin, maaaring gamitin ang mga composite upang makatipid ng timbang at mabawasan ang gastos sa pagmamanupaktura at epekto sa kapaligiran. Ito ay may kaugnayan lalo na dahil sa patuloy na pangangailangan para sa paglaki ng suplay ng kuryente. Ang naka-install na world hydro capacity, halos 800,000 MW ayon sa isang 2009 na pag-aaral ng Norwegian Renewable Energy Partners, ay 10% lamang ng economically feasible at 6% ng technically feasible hydropower. Ang potensyal na magdala ng higit pa sa technically feasible hydro sa larangan ng economically feasible increases na may kakayahan ng composite components na magbigay ng economic of scale.
Paggawa ng composite component
Upang makagawa ng penstock sa matipid at may pare-parehong mataas na lakas, ang pinakamahusay na paraan ay filament winding. Ang isang malaking mandrel ay nababalot ng mga hila ng hibla na dinaanan ng resin bath. Ang mga hila ay nakabalot sa hoop at helical pattern upang lumikha ng lakas para sa panloob na presyon, paayon na baluktot at paghawak. Ipinapakita ng seksyon ng mga resulta sa ibaba ang gastos at timbang bawat talampakan para sa dalawang laki ng penstock, batay sa isang quote mula sa mga lokal na supplier. Ang quote ay nagpakita na ang kapal ng disenyo ay hinihimok ng pag-install at paghawak ng mga kinakailangan, sa halip na ang medyo mababang presyon ng pagkarga, at para sa parehong ito ay 2.28 cm.
Dalawang paraan ng pagmamanupaktura ang isinasaalang-alang para sa mga wicket gate at stay vanes; wet layup at vacuum infusion. Ang basang layup ay gumagamit ng tuyong tela, na pinapagbinhi sa pamamagitan ng pagbuhos ng dagta sa ibabaw ng tela at paggamit ng mga roller upang itulak ang dagta sa tela. Ang prosesong ito ay hindi kasinglinis ng vacuum infusion at hindi palaging gumagawa ng pinaka-optimized na istraktura sa mga tuntunin ng fiber-to-resin ratio, ngunit mas kaunting oras ang tumatagal kaysa sa proseso ng vacuum infusion. Ang vacuum infusion ay naglalagay ng tuyong hibla sa tamang mga oryentasyon, at ang tuyong stack ay ilalagay sa vacuum bag at ang mga karagdagang kabit ay nakakabit na humahantong sa isang supply ng resin, na iginuhit sa bahagi kapag inilapat ang vacuum. Nakakatulong ang vacuum na mapanatili ang dami ng resin sa pinakamainam na antas at binabawasan ang paglabas ng mga pabagu-bagong organiko.
Ang scroll case ay gagamit ng hand layup sa dalawang magkahiwalay na halves sa isang male mol upang matiyak ang makinis na panloob na ibabaw. Ang dalawang halves na ito ay ibubuklod kasama ng hibla na idinagdag sa labas sa punto ng pagbubuklod upang matiyak ang sapat na lakas. Ang pressure load sa scroll case ay hindi nangangailangan ng high-strength advanced composite, kaya ang isang basang layup ng fiberglass fabric na may epoxy resin ay magiging sapat. Ang kapal ng scroll case ay batay sa parehong parameter ng disenyo gaya ng penstock. Ang 250-kW unit ay isang axial flow machine, kaya walang scroll case.
Pinagsasama ng turbine runner ang isang kumplikadong geometry na may mataas na mga kinakailangan sa pagkarga. Ipinakita ng kamakailang trabaho na ang mga high-strength structural component ay maaaring gawin mula sa isang tinadtad na prepreg SMC na may mahusay na lakas at higpit.5 Ang suspension arm ng Lamborghini Gallardo ay idinisenyo gamit ang maraming layer ng isang tinadtad na prepreg SMC na kilala bilang isang forged composite, compression na hinulma upang makagawa ng kinakailangang kapal. Ang parehong paraan ay maaaring ilapat sa Francis at propeller runners. Ang Francis runner ay hindi maaaring gawin bilang isang yunit, dahil ang pagiging kumplikado ng talim na magkakapatong ay maiiwasan ang bahagi mula sa pagkuha mula sa amag. Kaya, ang mga runner blades, korona at banda ay ginawa nang hiwalay at pagkatapos ay pinagsama-sama at pinalakas ng mga bolts sa labas ng korona at banda.
Habang ang draft tube ay pinakamadaling ginawa gamit ang filament winding, ang prosesong ito ay hindi na-komersyal gamit ang natural fibers. Kaya, napili ang hand layup, dahil ito ang karaniwang paraan ng paggawa, sa kabila ng mas mataas na gastos sa paggawa. Gamit ang isang male mold na katulad ng isang mandrel, ang layup ay maaaring kumpletuhin gamit ang amag na pahalang at pagkatapos ay patayo upang gamutin, na pumipigil sa paglalaway sa isang gilid. Ang bigat ng mga pinagsama-samang bahagi ay bahagyang mag-iiba depende sa dami ng dagta sa natapos na bahagi. Ang mga numerong ito ay batay sa 50% fiber weight.
Ang kabuuang timbang para sa steel at composite 2-MW turbine ay 9,888 kg at 7,016 kg, ayon sa pagkakabanggit. Ang 250-kW steel at composite turbines ay 3,734 kg at 1,927 kg, ayon sa pagkakabanggit. Ipinapalagay ng mga kabuuan ang 20 wicket gate para sa bawat turbine at isang haba ng penstock na katumbas ng ulo ng turbine. Malamang na ang penstock ay magiging mas mahaba at nangangailangan ng mga kabit, ngunit ang numerong ito ay nagbibigay ng pangunahing pagtatantya ng bigat ng yunit at mga nauugnay na peripheral. Ang generator, bolts at gate actuating hardware ay hindi kasama at ipinapalagay na magkapareho sa pagitan ng composite at steel units. Kapansin-pansin din na ang muling pagdidisenyo ng runner na kinakailangan upang isaalang-alang ang mga konsentrasyon ng stress na nakikita sa FEA ay magdaragdag ng timbang sa pinagsama-samang mga yunit, ngunit ang halaga ay ipinapalagay na minimal, sa pagkakasunud-sunod ng 5 kg upang palakasin ang mga puntos na may konsentrasyon ng stress
Sa ibinigay na mga timbang, ang 2-MW composite turbine at ang penstock nito ay maaaring iangat ng mabilis na V-22 Osprey, samantalang ang bakal na makina ay mangangailangan ng mas mabagal, hindi gaanong maneuverable na Chinook twin rotor helicopter. Gayundin, ang 2-MW composite turbine at penstock ay maaaring hilahin ng isang F-250 4×4, samantalang ang bakal na yunit ay mangangailangan ng mas malaking trak na magiging mahirap imaniobra sa mga kalsada sa kagubatan kung malayo ang pag-install.
Mga konklusyon
Posible ang paggawa ng mga turbine mula sa mga composite na materyales, at nakita ang pagbabawas ng timbang na 50% hanggang 70% kumpara sa mga nakasanayang bahagi ng bakal. Ang pinababang timbang ay maaaring magpapahintulot sa mga composite turbine na mai-install sa mga malalayong lokasyon. Bilang karagdagan, ang pagpupulong ng mga pinagsama-samang istrukturang ito ay hindi nangangailangan ng kagamitan sa hinang. Ang mga bahagi ay nangangailangan din ng mas kaunting mga bahagi upang i-bolted nang magkasama, dahil ang bawat piraso ay maaaring gawin sa isa o dalawang seksyon. Sa maliit na production run na namodelo sa pag-aaral na ito, ang halaga ng mga hulma at iba pang tooling ay nangingibabaw sa halaga ng bahagi.
Ang mga maliliit na run na ipinahiwatig dito ay nagpapakita kung ano ang magagastos upang simulan ang karagdagang pananaliksik sa mga materyales na ito. Maaaring matugunan ng pananaliksik na ito ang pagguho ng cavitation at proteksyon ng UV ng mga bahagi pagkatapos ng pag-install. Maaaring posible na gumamit ng elastomer o ceramic coatings upang mabawasan ang cavitation o matiyak na ang turbine ay tumatakbo sa daloy at mga head regime na pumipigil sa cavitation na mangyari. Mahalagang subukan at lutasin ang mga ito at ang iba pang mga isyu upang matiyak na ang mga yunit ay makakamit ang katulad na pagiging maaasahan sa mga turbina ng bakal, lalo na kung ang mga ito ay ilalagay sa mga lugar kung saan madalang ang pagpapanatili.
Kahit na sa maliliit na pagpapatakbong ito, ang ilang mga composite na bahagi ay maaaring maging epektibo sa gastos dahil sa nabawasan na paggawa na kinakailangan para sa paggawa. Halimbawa, ang isang scroll case para sa 2-MW Francis unit ay nagkakahalaga ng $80,000 para i-welded mula sa bakal kumpara sa $25,000 para sa composite na paggawa. Gayunpaman, kung ipagpalagay na matagumpay na disenyo ng mga runner ng turbine, ang gastos para sa paghubog ng mga composite runner ay higit pa sa katumbas na mga bahagi ng bakal. Ang 2-MW runner ay nagkakahalaga ng humigit-kumulang $23,000 sa paggawa mula sa bakal, kumpara sa $27,000 mula sa composite. Maaaring mag-iba ang mga gastos ayon sa makina. At ang gastos para sa mga composite na bahagi ay bababa nang malaki sa mas mataas na produksyon kung magagamit muli ang mga amag.
Naimbestigahan na ng mga mananaliksik ang pagtatayo ng mga turbine runner mula sa mga composite materials.8 Gayunpaman, hindi tinugunan ng pag-aaral na ito ang cavitation erosion at ang pagiging posible ng konstruksiyon. Ang susunod na hakbang para sa composite turbines ay ang disenyo at pagbuo ng scale model na magbibigay-daan sa patunay ng pagiging posible at ekonomiya ng paggawa. Ang yunit na ito ay maaaring masuri upang matukoy ang kahusayan at kakayahang magamit, pati na rin ang mga pamamaraan para maiwasan ang labis na pagguho ng cavitation.
Oras ng post: Peb-15-2022
