Ang mga materyales na composite ay sumusulong sa paggawa ng mga kagamitan para sa industriya ng hydroelectric power. Ang isang pagsisiyasat sa lakas ng materyal at iba pang pamantayan ay nagpapakita ng mas maraming aplikasyon, lalo na para sa maliliit at maliliit na yunit.
Ang artikulong ito ay sinuri at inedit alinsunod sa mga pagsusuring 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, kapakinabangan, at pangkalahatang kahalagahan sa loob ng industriya ng hydroelectric.
Ang pag-usbong ng mga bagong materyales ay nagbibigay ng mga kapana-panabik na pagkakataon para sa industriya ng hydroelectric. Ang kahoy — na ginamit sa orihinal na mga waterwheel at penstock — ay bahagyang napalitan ng mga bahaging bakal noong unang bahagi ng 1800s. Napanatili ng bakal ang lakas nito sa kabila ng mataas na fatigue loading at lumalaban sa cavitation erosion at corrosion. Ang mga katangian nito ay lubos na nauunawaan at ang mga proseso para sa paggawa ng bahagi ay mahusay na binuo. Para sa malalaking yunit, ang bakal ay malamang na mananatiling materyal na pinipili.
Gayunpaman, dahil sa pagtaas ng maliliit (mas mababa sa 10 MW) hanggang sa maliliit (mas mababa sa 100 kW) na mga turbine, maaaring gamitin ang mga composite upang makatipid ng timbang at mabawasan ang gastos sa pagmamanupaktura at epekto sa kapaligiran. Ito ay lalong mahalaga dahil sa patuloy na pangangailangan para sa paglago ng suplay ng kuryente. Ang naka-install na kapasidad ng hydro sa mundo, halos 800,000 MW ayon sa isang pag-aaral noong 2009 ng Norwegian Renewable Energy Partners, ay 10% lamang ng matipid na magagawa at 6% ng teknikal na magagawa na hydropower. Ang potensyal na magdala ng mas maraming teknikal na magagawa na hydro sa larangan ng matipid na magagawa ay tumataas kasabay ng kakayahan ng mga composite na bahagi na magbigay ng ekonomiya ng saklaw.
Paggawa ng mga composite na bahagi
Para makagawa ng penstock nang matipid at may pare-parehong mataas na lakas, ang pinakamahusay na paraan ay ang filament winding. Isang malaking mandrel ang binabalot ng mga hila ng hibla na pinadaan sa isang resin bath. Ang mga hila ay binabalot ng mga hoop at helical pattern upang lumikha ng lakas para sa internal pressure, longitudinal bending, at handling. Ang seksyon ng mga resulta sa ibaba ay nagpapakita ng gastos at bigat bawat talampakan para sa dalawang laki ng penstock, batay sa isang quote mula sa mga lokal na supplier. Ipinakita ng quote na ang kapal ng disenyo ay hinihimok ng mga kinakailangan sa pag-install at handling, sa halip na ang medyo mababang pressure load, at para sa pareho ito ay 2.28 cm.
Dalawang paraan ng paggawa ang isinaalang-alang para sa mga wicket gate at stay vane; wet layup at vacuum infusion. Ang wet layup ay gumagamit ng tuyong tela, na binabad sa pamamagitan ng pagbuhos ng resin sa ibabaw ng tela at paggamit ng mga roller upang itulak ang resin papasok sa tela. Ang prosesong ito ay hindi kasinglinis ng vacuum infusion at hindi palaging nakakagawa ng pinaka-optimize na istraktura sa mga tuntunin ng fiber-to-resin ratio, ngunit mas mabilis itong tumatagal kaysa sa proseso ng vacuum infusion. Inilalagay ng vacuum infusion ang tuyong hibla sa tamang oryentasyon, at ang dry stack ay isinasalok sa vacuum bag at kinakabitan ng mga karagdagang fitting na humahantong sa suplay ng resin, na hinihila papasok sa bahagi kapag ginamit ang vacuum. Nakakatulong ang vacuum na mapanatili ang dami ng resin sa pinakamainam na antas at binabawasan ang paglabas ng mga volatile organics.
Ang scroll case ay gagamit ng hand layup sa dalawang magkahiwalay na bahagi sa isang male mold upang matiyak ang makinis na panloob na ibabaw. Ang dalawang bahaging ito ay pagdudugtong-dugtongin gamit ang hibla na idinaragdag sa labas sa bonding point upang matiyak ang sapat na lakas. Ang pressure load sa scroll case ay hindi nangangailangan ng high-strength advanced composite, kaya sapat na ang basang layup ng fiberglass fabric na may epoxy resin. Ang kapal ng scroll case ay batay sa parehong design parameter gaya ng penstock. Ang 250-kW unit ay isang axial flow machine, kaya walang scroll case.
Pinagsasama ng isang turbine runner ang isang kumplikadong heometriya na may mga kinakailangan sa mataas na karga. Ipinakita ng mga kamakailang pag-aaral na ang mga high-strength structural component ay maaaring gawin mula sa isang tinadtad na prepreg SMC na may mahusay na lakas at tibay.5 Ang suspension arm ng Lamborghini Gallardo ay dinisenyo gamit ang maraming patong ng tinadtad na prepreg SMC na kilala bilang forged composite, compression molded upang makagawa ng kinakailangang kapal. Ang parehong pamamaraan ay maaaring ilapat sa mga Francis at propeller runner. Ang Francis runner ay hindi maaaring gawin bilang isang yunit, dahil ang pagiging kumplikado ng blade overlap ay pipigil sa bahagi na makuha mula sa molde. Kaya, ang mga runner blades, crown at band ay ginagawa nang hiwalay at pagkatapos ay pinagbubuklod at pinapalakas gamit ang mga bolt sa labas ng crown at band.
Bagama't ang draft tube ay pinakamadaling gawin gamit ang filament winding, ang prosesong ito ay hindi pa naipapalit gamit ang mga natural na hibla. Kaya naman, pinili ang hand layup, dahil ito ang karaniwang paraan ng paggawa, sa kabila ng mas mataas na gastos sa paggawa. Gamit ang male mold na katulad ng mandrel, ang layup ay maaaring kumpletuhin nang pahalang ang molde at pagkatapos ay iikot nang patayo upang tumigas, na pumipigil sa paglaylay sa isang gilid. Ang bigat ng mga composite na bahagi ay bahagyang mag-iiba depende sa dami ng resin sa natapos na bahagi. Ang mga numerong ito ay batay sa 50% na bigat ng hibla.
Ang kabuuang timbang para sa bakal at composite 2-MW turbine ay 9,888 kg at 7,016 kg, ayon sa pagkakabanggit. Ang 250-kW na bakal at composite turbine 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 mangangailangan ng mga fitting, ngunit ang bilang na ito ay nagbibigay ng pangunahing pagtatantya ng bigat ng unit at mga kaugnay na peripheral. Ang generator, bolts at gate actuating hardware ay hindi kasama at ipinapalagay na magkatulad sa pagitan ng mga composite at steel unit. Mahalaga ring tandaan na ang muling pagdisenyo ng runner na kinakailangan upang isaalang-alang ang mga konsentrasyon ng stress na nakikita sa FEA ay magdaragdag ng timbang sa mga composite unit, ngunit ang halaga ay ipinapalagay na minimal, sa order ng 5 kg upang palakasin ang mga punto na may konsentrasyon ng stress.
Gamit ang mga ibinigay na bigat, ang 2-MW composite turbine at ang penstock nito ay maaaring buhatin ng mabilis na V-22 Osprey, samantalang ang makinang bakal ay mangangailangan ng mas mabagal at hindi gaanong madaling maniobrahin na Chinook twin rotor helicopter. Gayundin, ang 2-MW composite turbine at penstock ay maaaring hilahin ng isang F-250 4×4, samantalang ang yunit na bakal ay mangangailangan ng mas malaking trak na magiging mahirap maniobrahin sa mga kalsada sa kagubatan kung ang pag-install ay malayo.
Mga Konklusyon
Posibleng gumawa ng mga turbine mula sa mga composite na materyales, at nakita ang pagbawas ng timbang na 50% hanggang 70% kumpara sa mga kumbensyonal na bahagi ng bakal. Ang nabawasang timbang ay maaaring magpahintulot sa pag-install ng mga composite turbine sa mga liblib na lokasyon. Bukod pa rito, ang pag-assemble ng mga composite na istrukturang ito ay hindi nangangailangan ng kagamitan sa hinang. Ang mga bahagi ay nangangailangan din ng mas kaunting bahagi na dapat i-bolt nang magkasama, dahil ang bawat piraso ay maaaring gawin sa isa o dalawang seksyon. Sa maliliit na produksyon na minodelo sa pag-aaral na ito, ang halaga ng mga molde at iba pang kagamitan ang nangingibabaw sa gastos ng bahagi.
Ang maliliit na pag-usad na ipinahiwatig dito ay nagpapakita kung magkano ang magagastos upang simulan ang karagdagang pananaliksik sa mga materyales na ito. Maaaring matugunan ng pananaliksik na ito ang pagguho ng cavitation at proteksyon laban sa 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 mga rehimen ng daloy at head na pumipigil sa pagkakaroon ng cavitation. Mahalagang subukan at lutasin ang mga ito at ang iba pang mga isyu upang matiyak na makakamit ng mga unit ang katulad na pagiging maaasahan sa mga steel turbine, lalo na kung ilalagay ang mga ito sa mga lugar kung saan madalang ang pagpapanatili.
Kahit sa maliliit na operasyon na ito, ang ilang composite component ay maaaring maging cost-effective dahil sa nabawasang paggawa na kinakailangan para sa paggawa. Halimbawa, ang isang scroll case para sa 2-MW Francis unit ay nagkakahalaga ng $80,000 para i-weld mula sa bakal kumpara sa $25,000 para sa composite manufacture. Gayunpaman, kung matagumpay ang disenyo ng mga turbine runner, ang gastos para sa paghulma ng mga composite runner ay higit pa sa katumbas na mga component na bakal. Ang 2-MW runner ay nagkakahalaga ng humigit-kumulang $23,000 para sa paggawa mula sa bakal, kumpara sa $27,000 mula sa composite. Maaaring mag-iba ang mga gastos depende sa makina. At ang gastos para sa mga composite component ay bababa nang malaki sa mas mataas na operasyon ng produksyon kung ang mga molde ay maaaring gamitin muli.
Sinuri na ng mga mananaliksik ang paggawa ng mga turbine runner mula sa mga composite na materyales.8 Gayunpaman, hindi tinalakay ng pag-aaral na ito ang cavitation erosion at ang posibilidad ng paggawa. Ang susunod na hakbang para sa mga composite turbine ay ang pagdisenyo at pagbuo ng isang scale model na magbibigay-daan sa patunay ng posibilidad at ekonomiya ng paggawa. Ang unit na ito ay maaaring masubukan upang matukoy ang kahusayan at kakayahang magamit, pati na rin ang mga pamamaraan para maiwasan ang labis na cavitation erosion.
Oras ng pag-post: Pebrero 15, 2022
