복합재료로 추진되는 수력발전 터빈 블레이드 설계

"수력 발전"이라는 용어는 종종 전통적으로 금속성인 프로펠러 기반 터빈 블레이드가 있는 댐 시스템 및 대형 터빈과 같은 특수 기반 시설에 의해 구동되는 막대한 작업을 떠올리게 합니다. 그러나 많은 지역에서 대규모 고출력 수력 발전소를 위한 새로운 용량이 부족합니다. 동시에 더 많은 저비용 재생 에너지 발전에 대한 수요가 계속해서 증가하고 있습니다.

미국 에너지부(DOE)는 2018년 "수력 발전 비전" 보고서에서 미국 수력 발전의 현황과 미래 목표를 개괄적으로 발표했습니다. 2018년에 에너지 용량을 2050년에 거의 150GW에 이르는 잠재적 용량으로 늘리려면 더 낮은 비용으로 더 많은 에너지를 제공할 수 있는 새로운 첨단 기술이 필요합니다.

Kinetic NRG(호주 골드 코스트)의 총책임자인 Darren Wren에 따르면 한 가지 잠재적인 솔루션은 관개 수로 및 개울과 같은 저유량 수계에서 미개척 에너지를 포착하는 더 작은 수력 발전소일 수 있습니다. 고(故) 폴 카밀레리(Paul Camilleri)가 2016년에 설립한 Kinetic NRG는 저비용의 안정적인 전기를 제공하기 위한 새로운 수력 발전 기술 개발에 중점을 둔 민간 투자 재생 에너지 회사입니다.

이 회사의 첫 번째 기술은 HEG(Hydro-kinetic Energy Generator) 시스템으로, 직경이 1.5m이고 초당 2.0m의 물 흐름에서 최대 30kW의 출력을 냅니다. 이 출력은 마이크로 시스템을 최대 100kW 용량으로 정의하는 미국 DOE와 같은 분류 기관에 따라 "마이크로" 수력 발전 시스템이 됩니다. 기존 댐에서 물을 공급하는 강, 관개 운하 또는 꼬리 경주에서 직접 사용하도록 설계된 HEG는 수두가 낮은 수력 발전을 위해 설계되었습니다.

HEG와 나선형 터빈 블레이드의 개발은 약 5년 동안 진행되어 왔다고 Wren은 말합니다. “정말 긴 여정이었습니다. 이제 우리가 만든 디자인은 문자 그대로 시행착오를 거쳐 만들어졌습니다.”

제작 가능한 모듈식 블레이드 설계

Kinetic NRG의 최초의 소규모 나선형 블레이드 모델은 금속으로 형성되었지만, 1.5미터 직경의 본격적인 프로토타입을 제조할 때가 되자 "우리는 실제로 만들 수 없다는 것을 알게 되었습니다."라고 Wren은 말합니다. 개념은 평평한 금속 조각으로 시작한 다음 중심에서 방사되는 나선형 세트를 형성하거나 단조하는 것이었습니다. "필요한 강도를 만들기 위해 부품의 특정 지점에 접근할 수 있는 방법을 찾지 못했습니다."라고 그는 설명합니다.

회사는 결국 금속성 노력을 포기했지만 디자인 자체는 포기하지 않았습니다. Wren은 Kinetic NRG가 나일론이나 세라믹과 같은 대체 제조 기술과 재료를 탐색하기 위해 지역 대학과 제휴했으며 적층 제조가 실행 가능한 옵션이 될 수 있는지 알아보기 위해 3D 프린팅 회사와 논의하기 시작했다고 말했습니다. 그러나 제조 가능성과 기계적 특성의 올바른 조합을 제공하는 솔루션이 제공되지 않았습니다. 마지막으로 3년 간의 여정 끝에 Kinetic NRG는 공급망 연결을 통해 엔지니어링 회사 Advanced Composite Structures Australia(ACS-A, Melbourne)의 팀과 소개되었습니다. -다양한 최종 시장을 위한 복합 부품 추가

Wren은 다음에 일어난 일을 "마음의 만남"이라고 부르며 Kinetic NRG가 ACS-A의 총책임자인 Paul Falzon 및 그의 팀과 함께 ACS-A가 알고 있던 복합 재료를 사용하여 부품을 제조하고 설계하는 다양한 방법에 대해 작업했다고 설명합니다. 경험을 통해 Kinetic NRG에 필요한 모양, 무게 및 강성 요구 사항을 전달할 수 있습니다.

Wren에 따르면 미국 DOE와 국제 전기 기술 위원회(International Electrotechnical Commission)가 설정한 표준을 기반으로 하는 블레이드에 대한 기계적 요구 사항과 함께 혁신적인 블레이드 모양은 프로젝트의 주요 설계 과제였습니다. 시스템의 나머지 구성 요소(전송, 전원 관리, 통신 등)는 필요한 모든 규정을 충족하는 것으로 알려진 표준 기성품입니다.

Falzon에 따르면 ACS-A는 먼저 블레이드 디자인에서 금속성 시도를 평가한 다음 블레이드의 필요한 모양, 치수 허용 오차 및 무게를 달성하는 방법을 결정했습니다. 블레이드는 또한 수중 환경을 견딜 수 있어야 하고 블레이드가 부착된 터빈의 강철 샤프트를 지지할 수 있을 만큼 충분히 단단해야 했습니다. ACS-A 팀은 원래의 금속 설계로 시작하여 원래의 강성과 일치하도록 유리 섬유 복합 블레이드를 "역설계"했다고 Falzon은 말합니다. 그러나 용접된 금속 성형 구조에서 복합 라미네이트로 전환할 때 몇 가지 설계 변경이 필요했습니다. Falzon은 다음과 같이 설명합니다. "우리는 한 걸음 물러서서 '좋아요, 복합 재료를 최대한 활용하려면 어떻게 생겼을까요?'라고 물었습니다."

여러 번의 반복과 논의 끝에 모양을 잡은 현재 디자인은 4개의 동일한 합성 블레이드로 구성되어 서로 맞물려 최종 나선형 모양을 형성합니다. "합성 블레이드는 실제로 강철 디자인보다 더 두껍지만 우리가 작업하는 재료의 밀도가 낮기 때문에 더 가볍습니다."라고 Falzon은 말합니다. "두꺼워진다는 것은 또한 강철 디자인에 비해 굽힘 강성이 훨씬 더 강하다는 것을 의미하므로 실제로 전체적으로 훨씬 더 단단한 제품을 얻을 수 있습니다."

역전된 도구

Falzon은 툴링을 위한 모양을 개발하는 것이 프로세스에서 가장 어려운 부분이라고 말했습니다. ACS-A 팀은 Dassault Systèmes(미국 매사추세츠주 월담)의 CATIA 소프트웨어를 사용하여 원래 블레이드 어셈블리의 모양을 평가했습니다. 이것은 블레이드 표면의 개발과 툴링 개념의 설계로 이어졌습니다. “오늘날의 부품을 보면 실제로 거꾸로 된 방향으로 만들어집니다. 도구를 만들기 위해 블레이드 모델을 뒤집어야 했고 실제 도구가 도착했을 때 보기 전까지는 이상했습니다. 매우 복잡합니다.”라고 Falzon은 말합니다. 그는 "물 흐름에 노출된 블레이드 측면에서 필요한 표면 마감을 달성하고 제조된 각 블레이드 구성 요소가 한 조각으로 탈형될 수 있도록" 도구를 뒤집어야 한다고 설명합니다. 툴링도 정확해야 했습니다. 맞물리는 블레이드 구성요소는 조립 시 서로 정확하게 그리고 터빈의 중앙 샤프트와 정확하게 정렬될 수 있어야 했습니다. 프로토타입의 경우 Sykes Australia(Sydney)에서 공급한 툴링은 저렴한 툴링 페이스트를 폼 백킹에 증착한 다음 CNC 가공하여 최종 형태로 제작했습니다.

터빈 블레이드 도구의 하단 부분.

툴링이 개발되면 현재의 본격적인 프로토타입 블레이드는 유리 섬유 비압축 직물(NCF)과 에폭시 수지로 구성되며, 핸드 레이업을 통해 제조되고 실온에서 경화된 후 고온의 오븐에서 후 경화되고 적용됩니다. 해양 등급 페인트. Falzon은 재료가 부품에 대한 구조적 및 비용 요구 사항을 모두 충족하기 위해 선택되었다고 말합니다. 맞물리는 하위 구성 요소는 접착식으로 결합됩니다. 조립 시 더 나은 제어 및 치수 정확도를 위해 기계적 고정보다 선택됩니다. "진짜 비결은 블레이드가 서로 맞물릴 수 있도록 하는 것이지만, 일단 그것을 모두 라미네이트하고 함께 결합하면 필요한 구조적 및 유체역학적 형상 성능을 달성하는 매우 단단한 어셈블리를 형성합니다."

구조물의 강성 및 기타 기계적 특성에 대한 디지털 분석은 MSC Software(Newport Beach, CA, U.S.)의 도구를 사용하여 수행되었습니다. "이 시스템은 원래 디자인보다 훨씬 더 효율적이고 가벼우며 더 많은 작업을 수행할 수 있습니다."라고 Falzon이 덧붙입니다.

상업 생산을 향한 힘

Wren에 따르면 Kinetic NRG의 초기 생산 목표는 3년 동안 950대가 될 것이며, 이후 매년 수천 대까지 확장될 것입니다. Wren은 잠재적인 고객에는 개인과 회사, 전력 회사 및 지방 자치 단체가 포함될 수 있다고 말합니다. 시스템은 관개 수로 내에 "소형 수력 발전소"로 설치하거나 기존 수력 발전기의 다운스트림에 배치하여 활용도가 낮은 오프플로우에서 전력을 생성하거나 원격 커뮤니티 또는 기업을 위한 보조 전력으로 설치할 수 있다고 그는 말합니다.

현재 본격적인 HEG 프로토타입은 수중 기계적 테스트를 진행 중입니다. 한편, 대규모 제조 공정은 상업적 생산을 위해 평가되고 있습니다.

ACS-A는 기계적 테스트 결과 및 가능한 가장 비용 효율적인 제조 요구 사항에 따라 필요에 따라 블레이드 설계를 계속 미세 조정하기를 기대합니다. 특히 Falzon은 ACS-A가 "최소한의 수작업으로 올바른 모양을 얻을 수 있도록" 자동화된 예비 성형 공정을 탐구하고 있으며 그 다음에는 가벼운 수지 이송 성형(L-RTM) 또는 다른 고속 공정을 모색하고 있습니다.

터빈 조립 방법도 평가 중이며, 목표는 블레이드 하위 구성요소를 모듈식으로 생산하고 현지에서 조립하여 전체 규모 장치를 운송하는 데 드는 비용과 문제를 피하는 동시에 현지 고용 기회를 창출하고 설치 비용을 낮추는 것입니다. . 이를 가능하게 하기 위해 ACS-A는 블레이드 연동 방식과 각 어셈블리의 하위 구성 요소 수를 수정해야 할 수도 있습니다. Wren은 다음과 같이 말합니다. 현장 조립.”

두 회사는 또한 전체 어셈블리의 무게를 줄이기 위해 터빈의 금속 구성 요소를 복합 재료로 변환하는 것을 평가하고 있습니다. Falzon은 "적절한 경우 유리를 사용하고 적절한 경우 탄소 섬유를 사용하지만 궁극적으로 시스템의 에너지 생성 비용을 경쟁력 있게 만들기 위해서는 기술의 가격대를 달성해야 합니다."라고 말합니다.

설계 및 제조 프로세스가 최적화에 가까워짐에 따라 Wren에 따르면 다음 과제는 상업적 규모로 확장할 수 있는 적절한 투자 및 제조 파트너십을 확보하는 것입니다.