Композитні матеріали все частіше використовуються в будівництві обладнання для гідроенергетичної галузі. Дослідження міцності матеріалів та інших критеріїв виявляє набагато більше застосувань, особливо для малих та мікроблоків.
Цю статтю було оцінено та відредаговано відповідно до рецензій, проведених двома або більше фахівцями, які мають відповідний досвід. Ці рецензенти оцінюють рукописи за технічною точністю, корисністю та загальною важливістю для гідроенергетичної галузі.
Поява нових матеріалів відкриває захопливі можливості для гідроелектричної промисловості. Деревина, яка використовувалася в оригінальних водяних колесах та трубопроводах, була частково витіснена сталевими компонентами на початку 1800-х років. Сталь зберігає свою міцність завдяки високим навантаженням від втоми та протистоїть кавітаційній ерозії та корозії. Її властивості добре вивчені, а процеси виробництва компонентів добре розроблені. Для великих агрегатів сталь, ймовірно, залишиться матеріалом вибору.
Однак, враховуючи зростання популярності малих (менше 10 МВт) та мікророзмірних (менше 100 кВт) турбін, композити можна використовувати для зменшення ваги, виробничих витрат та впливу на навколишнє середовище. Це особливо актуально, враховуючи постійну потребу в зростанні постачання електроенергії. Встановлена світова гідроенергетична потужність, майже 800 000 МВт, згідно з дослідженням 2009 року, проведеним Norwegian Renewable Energy Partners, становить лише 10% від економічно доцільної та 6% від технічно доцільної гідроенергетики. Потенціал перевести більшу частину технічно доцільної гідроенергетики в сферу економічно доцільної зростає зі здатністю композитних компонентів забезпечувати економію масштабу.
Виробництво композитних компонентів
Для економічного виробництва трубопроводу з постійно високою міцністю найкращим методом є намотування нитками. Великий оправник обмотується джгутами волокна, які пропущені через ванну зі смолою. Джгути обмотуються кільцевими та спіральними візерунками для створення міцності на внутрішній тиск, поздовжній вигин та обробку. У розділі результатів нижче показано вартість та вагу на фут для двох розмірів трубопроводів на основі цінової пропозиції від місцевих постачальників. Цінова пропозиція показала, що проектна товщина була зумовлена вимогами до монтажу та обробки, а не відносно низьким навантаженням під тиском, і для обох вона становила 2,28 см.
Для виготовлення хвіртки та запірних лопатей було розглянуто два методи виробництва: мокре укладання та вакуумна інфузія. Мокре укладання використовує суху тканину, яка просочується шляхом заливання смоли на тканину та використання роликів для вдавлювання смоли в тканину. Цей процес не такий чистий, як вакуумна інфузія, і не завжди створює найбільш оптимізовану структуру з точки зору співвідношення волокна до смоли, але він займає менше часу, ніж процес вакуумної інфузії. Вакуумна інфузія укладає сухе волокно в правильній орієнтації, а потім сухий штабель упаковується у вакуумні пакети та приєднується додаткова арматура, яка забезпечує подачу смоли, яка втягується в деталь під час застосування вакууму. Вакуум допомагає підтримувати кількість смоли на оптимальному рівні та зменшує виділення летких органічних речовин.
Корпус спіралі буде виготовлено методом ручного укладання двох окремих половин на формувальній формі для забезпечення гладкої внутрішньої поверхні. Потім ці дві половини будуть скріплені разом, додавши волокно до зовнішньої сторони в точці з'єднання, щоб забезпечити достатню міцність. Тиск у корпусі спіралі не вимагає високоміцного вдосконаленого композиту, тому достатньо буде вологого укладання скловолокнистої тканини з епоксидною смолою. Товщина корпусу спіралі була обрана на основі тих самих конструктивних параметрів, що й напірний трубопровід. Блок потужністю 250 кВт є осьовою машиною, тому корпус спіралі відсутній.
Робоче колесо турбіни поєднує складну геометрію з високими вимогами до навантаження. Нещодавні дослідження показали, що високоміцні структурні компоненти можна виготовити з рубаного препрегу SMC з відмінною міцністю та жорсткістю.5 Важіль підвіски Lamborghini Gallardo був розроблений з використанням кількох шарів рубаного препрегу SMC, відомого як кований композит, відлитих під тиском для отримання необхідної товщини. Той самий метод можна застосувати до робочих коліс Френсіса та гвинта. Робоче колесо Френсіса не може бути виготовлене як єдине ціле, оскільки складність перекриття лопатей перешкоджатиме вилученню деталі з форми. Таким чином, лопаті робочого колеса, коронка та стрічка виготовляються окремо, а потім скріплюються разом та посилюються болтами через зовнішню частину коронки та стрічки.
Хоча відсмоктувальну трубку найлегше виготовити за допомогою намотування ниткою, цей процес не був комерціалізований з використанням натуральних волокон. Тому було обрано ручне укладання, оскільки це стандартний метод виробництва, незважаючи на вищі витрати на оплату праці. Використовуючи форму-оправку, подібну до оправки, укладання можна виконати, коли форма розташована горизонтально, а потім повернути вертикально для затвердіння, запобігаючи провисанню з одного боку. Вага композитних деталей дещо змінюватиметься залежно від кількості смоли в готовій деталі. Ці цифри базуються на 50% вазі волокна.
Загальна вага сталевої та композитної турбіни потужністю 2 МВт становить 9 888 кг та 7 016 кг відповідно. Сталеві та композитні турбіни потужністю 250 кВт важать 3 734 кг та 1 927 кг відповідно. Загальні значення розраховані з урахуванням 20 хвірток для кожної турбіни та довжини трубопроводу, що дорівнює довжині головки турбіни. Ймовірно, трубопровод буде довшим і потребуватиме фітингів, але це число дає загальну оцінку ваги агрегату та пов'язаного з ним периферійного обладнання. Генератор, болти та приводні механізми затвора не включені та вважаються подібними для композитних та сталевих агрегатів. Варто також зазначити, що редизайн робочого колеса, необхідний для врахування концентрації напружень, що спостерігається в розрахунку за скінченними елементами (МСЕ), додасть ваги композитним агрегатам, але вважається, що ця величина мінімальна, порядку 5 кг для посилення точок з концентрацією напружень.
З урахуванням заданої ваги, композитну турбіну потужністю 2 МВт та її напірний трубопровід міг би підняти швидкий V-22 Osprey, тоді як для сталевої машини знадобився б повільніший, менш маневрений двороторний гелікоптер Chinook. Крім того, композитну турбіну потужністю 2 МВт та її напірний трубопровід міг би буксирувати F-250 4×4, тоді як для сталевого агрегату знадобилася б більша вантажівка, якою було б важко маневрувати лісовими дорогами, якщо установка була б віддаленою.
Висновки
Можливе будівництво турбін з композитних матеріалів, і було спостерігається зниження ваги на 50-70% порівняно зі звичайними сталевими компонентами. Зменшення ваги дозволяє встановлювати композитні турбіни у віддалених місцях. Крім того, для складання цих композитних конструкцій не потрібне зварювальне обладнання. Компоненти також потребують меншої кількості деталей для з'єднання болтами, оскільки кожну деталь можна виготовити з однієї або двох секцій. При невеликих виробничих серіях, змодельованих у цьому дослідженні, вартість форм та іншого оснащення переважає у вартості компонента.
Невеликі пробіги, зазначені тут, показують, скільки коштуватиме початок подальших досліджень цих матеріалів. Це дослідження може бути спрямоване на вирішення проблем кавітаційної ерозії та захисту компонентів від ультрафіолетового випромінювання після встановлення. Можливо, можна використовувати еластомерні або керамічні покриття для зменшення кавітації або забезпечення роботи турбіни в режимах потоку та напору, які запобігають виникненню кавітації. Важливо буде протестувати та вирішити ці та інші проблеми, щоб забезпечити досягнення подібної надійності до сталевих турбін, особливо якщо вони будуть встановлені в районах, де технічне обслуговування буде нечастим.
Навіть при таких невеликих серіях деякі композитні компоненти можуть бути економічно ефективними завдяки зменшенню трудомісткості, необхідної для виробництва. Наприклад, зварювання спірального корпусу для блоку Френсіса потужністю 2 МВт коштуватиме 80 000 доларів США зі сталі порівняно з 25 000 доларів США за виготовлення з композиту. Однак, якщо припустити успішне проектування робочих коліс турбіни, вартість лиття композитних робочих коліс буде вищою, ніж для еквівалентних сталевих компонентів. Виготовлення робочого колеса потужністю 2 МВт зі сталі коштуватиме близько 23 000 доларів США порівняно з 27 000 доларів США за виготовлення з композиту. Вартість може відрізнятися залежно від машини. А вартість композитних компонентів значно знизилася б при вищих виробничих серіях, якби форми можна було використовувати повторно.
Дослідники вже досліджували конструкцію робочих коліс турбін з композитних матеріалів.8 Однак це дослідження не розглядало кавітаційну ерозію та доцільність будівництва. Наступним кроком для композитних турбін є проектування та створення масштабної моделі, яка дозволить довести доцільність та економічність виробництва. Потім цей пристрій можна буде випробувати для визначення ефективності та застосовності, а також методів запобігання надмірній кавітаційній ерозії.
Час публікації: 15 лютого 2022 р.
