Rüzgar enerjisi dünya çapında en hızlı büyüyen yenilenebilir elektrik kaynaklarından biri olarak ortaya çıktı, yüklenen kapasiteye sahip 900 GW'yi 2023 sonunda aşarak. Endüstri olgunları olarak, operatörler ve üreticiler, tipik 20 ila 25 yıllık tasarım ötesindeki türbin işletme ömrünü genişletmeye daha fazla odaklanmış durumdalar. özellikle de en büyük havacılık ve biyomedikal uygulamalar için en büyük fırsatı temsil ediyor - camlar ve karbon-fiber kompozitleri, bıçak yapımı için iş setleri ve malzemelerinin nasıl korunduğununuyor.

Neden Titanyum?

Titanyum ve alaşımları - en yaygın Ti-6Al-4V (Grade 5) ve ticari saf titanyum (Grade 2) - mekanik ve çevresel performansın nadir bir yakınlığı sunmak. Yaklaşık 4.5 g/cm3, titanyum, yüksek korozyon ve yorgunluk ağırlığının% 60'ını koruyor, ancak daha az maliyetlidir: Burada, hassas dikiş gücün yoğunluğuna oranı.

Titanyum'nın korozyon direnci ince, kendini yöneten oksit tabakasından (özellikle TiO2), bu özellik, oksijenin varlığında yüzeyde kendiliğinden şekillendirir ve klorlardan gelen geniş bir pH aralığına karşı dayanıklıdır ve çoğu endüstriyel kimyasal maddeden kaynaklanan ağrı türbinlerinden kaynaklanır.

Pasif korozyon direncinin ötesinde, titanyum çatlakları yorgunluk ve yayılmak için mükemmel bir direniş gösteriyor. Rüzgar türbini bıçakları milyarlarca değişkenli yıl boyunca hizmet ömrü boyunca, fırtınalar ve rotor dengesizlik olayları sırasında meydana gelen yüksek hızlı yorgunluk limitleri ile - genellikle yüksek performanslı çeliklerin% 50'si ile karşılaştırılabilir - bu, yüksek performanslı çeliklerin ağırlık cezası olmadan.Bu, titanyum bileşenlerinin birçok alt-surface uygulamaları sırasında sonsuz yorgunluk için tasarlanabilir, bıçaklama modundaki yüksek hız limitlerini ortadan kaldırır.

Titanyum, Blade Longevity'i Nasıl Geliştiriyor

Bir rüzgar türbini bıçağının operasyonel hayatı, çevresel saldırının bir kombinasyonu, mekanik aşınma ve yapısal yorgunluk ile sınırlıdır. Titanyum bu alanların her birini doğrudan ele alır, ancak kesin faydalar bıçak mimarisinde nasıl istihdam edilir ve malzemenin nasıl kullanıldığına bağlıdır.

Lider-top erozyon koruma koruma

Lider erozyon - yağmur nedeniyle bıçak materyalinin ilerici giyiyor, övgü, kum ve katılımcı etki – muhtemelen en yaygın bıçak bozulması modu. 20 yıllık bir süre boyunca, 80-100 m / s, ince çarşaflar (0.3-1.5 mm) kullanılarak oluşturulan yüksek çözünürlükte, yüzey kaplamaları ve elastomerik kaplamalar, tüm bunlar sınırlı hizmet ömrüne sahip (2-7 yıl) ve yeniden uygulama gerektirir.

Korozyona dayanıklı taşıyıcılar ve ekler

Blade assembly, çelik kablolar ve karbon-fiber kompozitleri arasındaki yüzlerce cıvataya dayanıyor, hear webs, perdeler ve merkeze bağlı olarak, bu akülüler geleneksel olarak, bu galvanic korozyonu Kuzey Denizi'ndeki yüklemelerden kurtarırlar, Ti-6-4V cıvataları daha fazla köksüz değiştirme oranlarına kadar uzanırlar.

Hibrit kompozit-titanium spar kapakları

Gelişmiş bıçak tasarımları, titanyum birincil yük taşıma yapısına dahil edilebilir - spar cap'ın çoğunluğu bir polimer matrixinde karbon veya cam elyaf kalırken, ince titanyum şeritlerin veya folyoların nötr eksendeki seçici yerleşim yerini veya ply drop-off bölgelerindeki ısıtımı ve yorgunluk performansını artırabilir.

Wheel Design'da Titanyum'nın Avantajları

  • [FONT:0)Exceptional yorgunluk direnci[[Dönetici: 1): Ti-6Al-4V, yaklaşık 500-550 MPa'nın geri dönüşen kiriş yorgunluk testlerinde, birçok bıçak bileşeni için sonsuz yaşam sağlayan tasarımları var.
  • [FONT:0]Superior erozyon ve korozyon direnci[Dönetici: Kazanıcı oksit tabakası deniz ortamlarında sonsuz koruma sağlar. Titanyum, deniz sularında 150 °C'ye kadar hiçbir pitting veya crevice korozyon gösterir, tüm operasyonel rüzgar türbinleri koşullarını kapsar.
  • [FONT:0] Işık ağırlığı çelikle kıyaslanır[Dönetici: 1 ): Çelikin yaklaşık% 56'sında, titanyum bıçak kütle ve çekim yüklerini azaltır, daha uzun bıçakları daha fazla merkez veya kule yükleri olmadan sağlar.
  • [FONT:0]Broad sıcaklık toleransı[[Dönetici: Titanyum, kriyojenik sıcaklıklardan 300-400 °C'ye kadar mekanik özellikleri koruyor, herhangi bir operasyonel rüzgar türbini ortamının çok ötesine geçiyor.Bu, bıçak bileşenlerinin aşırı soğuk iklimlerde güvenilir bir şekilde çalışmasını sağlar (Kanada, İskandinavya, Antarktika tesisatları) sert kırılmadan.
  • [FONT:0) Hiçbir nem absorpsiyonu [Dönetici: Polimer bazlı kompozitler ve kaplamalar aksine, titanyum iç bıçak bozulması için büyük bir yol ortadan kaldırmak (mikrokracking, sertlik kaybı, kütle artışı).
  • [FONT:0)Recyclability[Dönetici: Guangzhou şu anda toprak dolu veya incinerated kompozitlerin aksine, titanyum bileşenleri dairesel olarak geri alınabilir ve yeniden tanımlanabilir.

Mevcut ve Next-Generation Blades'te Pratik Uygulamalar

Lider koruma kalkanları

Birkaç bıçak OEM şimdi fabrikaya monte edilmiş titanyum lider koruyucuları, deniz türbinleri için bir seçenek olarak sunuyor. Bu kalkanlar, uç erozyon penetrasyonu ön segmente aynı rüzgar çiftliğinde gerekli olan yüzeylere kıyasla (tip olarak en fazla 8-15 metre) bağdaştırıcı bir şekilde yapılır. Bağlantı arayüzü, geleneksel korumayı devralmak için esnek bir epoxy yapıştırıcısı kullanır.

Bıçak kökü ve takviyeler ekin

Bıçak kök bölgesi - bıçakların sahaya veya merkeze bağlandığı yerde - en yüksek bükme anları ve stres konsantrasyonları deneyimliyor. Titanyum eklemeler veya butmalar doğrudan bıçakları kullanarak veya kovalamalar kullanarak (çalışan bir parçadan daha büyük bir shank çapı sağlamak için) daha yüksek yükleri kablolama ve pins için daha yüksek performanslı bir şekilde sağlar.Bu tasarım bilgisinin doğrudan bıçaklama işlemiş olur.

Lightning protection sistemi bileşenleri

Rüzgar türbinleri, kompozit kabuk, delaminate yapısını ve yüksek çözünürlükte alüminyum veya bakırdan daha düşük gösteren ayrı şeritler ve reseptör ipuçları için yeterlidir (yaklaşık% 3 bakır), galvanic korozyon riskini sağlayan ayrı bakır yol yolları için gereklidir.

Meydanlar ve düşünceler

Performans avantajlarına rağmen, titanyum, yakın vadede birincil bıçak yapısı olarak kompozit malzemeleri yerlemeyecek. Birkaç engel ele alınmalıdır:

  • [FONT:0)Raw malzeme maliyeti[DÜDÜT:1): Titanyum sünger - değirmen ürünlerine öncü - yaklaşık 8 $ - 3 kg ile camlar ve 15-40 $ kg için cam elyaf için kıyasla, fiyat farkı, çok katlı bir Kroll işlemi ile titanyumu temizlemek için kullanılan çözümlerle rekabet eder.
  • [[Düzücük kompleksleri [Dönetici:0)Manufacturing karmaşıklığı[Dönetici:0)Manufacturing complexity[[Dönetici:0)[Döneticileri, yüksek hacimlilar için kurulmuş tedarik zincirinden yoksundur, düşük maliyetli titanyum, yüksek hacimli kablolama için mevcut olan yüksek basınçlı beton üretimi (daha düşük tozlu tozlu tozlu tozlu tozlu) ile yönlendirilen enerji ayrıştırıcısı olarak ortaya çıkmaktadır.
  • [FONT:0]Galvanic, hibrit yapılarda uyumluluk): titanyumun galvanic potansiyeli paslanmaz çelike yakın olsa da, doğrudan bir elektrolit (sea su, kondensasyon) varlığında karbon-fiber kompozit ile sıkıştırmanın temel nedeni, bir galvanik hücre oluşturur.
  • [FONT:0)Inspection and repair challenges[DÜT:1): Titanyum bileşenleri radyopak, yani X-ray ve CT bıçak içlerinin muayenesi engellenir. Ultrasonik denetim teknikleri, yüksek akustik hasarsızlığı için dikkate alınmalıdır.
  • [FONT:0)Supply zincir ve geri dönüşüm lojistik): Titanyum geri dönüşüm altyapısı havacılık ve tıbbi sektörlerde iyi kurulmuş ancak henüz rüzgar türbini demleme ile entegre edilmemiştir.Zengin ekleri içeren son derece fonksiyonel bıçaklar sıralanmalıdır ve tamamen kompozit bıçaklardan ayrı olarak işlenir.

Future Outlook ve Araştırma Yolu

Rüzgar bıçaklarındaki titanyum kabulün yörüngesi maliyet azaltımı, üretim inovasyonuna ve Türbin büyüklüğüne bağlı olacaktır.Spetrol kanalları 150 metrenin ötesine geçer ve deniz türbinleri 15 MW derece puanlı güç alır, bıçak kütlesi kritik bir kısıtlama haline gelir.

  • [[DÜDÜ:0)Zorun ekstrüksiyonlarının ekleyici üretimi[DÜT:1): Lazer toz yatağı füzyon, yükleme tasarruflarında faktörlemeden sonra karmaşık lattice yapıları ve iç kanalları üretebilir. AB finanse edilen TiWind projesi, üstoloji optimizasyonu ve katkı üretimi kullanarak bir bıçak bağlantıda% 40 toplu azaltımı göstermiştir.
  • [FONT:0]Superplastik form ve diffüzyon bağı[DÜT:1): Bu havacılık süreçleri çok, ince duvarlı, monolithic titanyum yapıları (örneğin, 2027 numaralı koruma noktaları) ile bu tür bir şekilde ölçeklenebilir.
  • [FONT:0)Titanium-koated Hibrit Kompozit[DÜT:1): Katı titanyum, kaplamalar ve ince film dekonsolasyon teknikleri (fiziksel buhar, soğuk sprey) titanyum tabakaları 50-500 μm, polyester bıçak yüzeylere kadar kalınabilir. Soğuk-tılmış titanyum kaplamalar 30 MPa ve erozyon direncini aşıyor 200 × daha yüksek yağmur erozyon testlerinde poliurettan bant.
  • [FONTD:0)Recycling ve dairesellik[[Dönetici: 3 ))))Demekli bıçaklar, 50-200 kg, eks ve kenar koruyucuları dahil olmak üzere, küresel olarak yüklenen deniz türbinlerinin 2040'a kadar, geri dönüşümlü titanyum kütlesi önemli bir ikincil kaynak haline gelir.

En büyük olasılıkla kabul edilen senaryo tam bir titanyum bıçak yapısı değil, ancak oldukça stratejik titanyum ekler ve bıçaklama bölgelerindeki en yüksek değerli koruma alanları - taban ve sabit konumlar. Bunlar, toplam bıçak kütlenin küçük bir kısmını temsil eder (% 5-10) ancak orantısız bir şekilde güvenirlik ve bakım maliyeti.

Standart belirleyici organlar, bu arada, ilk nesil ticari ürünler için yasal bir bariyer kaldıracak, KAYNAKLARI:2.NREL'in rüzgar türbini araştırma programı, 230 bin yıllık koruma ile ilgili olarak, 2-3 yıl içinde piyasaya varan birleştirilmiş yağmur-uçta ve yorgunluk-yükleme sistemi ile birlikte, ilk nesil ticari ürünler - titanyum önde gelen kenar koruyucuları test ediyor - 8-10 MW deniz türbinleri için ön koruma ile 12MWWWWWWWWWS.

Daha geniş ders, bıçak uzunluğu tek bir malzeme problemi değildir. Yapı, çevre ve stres her uzunlukta ölçeklendirme işlemi ile ilgili temel bariyerleri gerektirir.Tonyal tasarımdaki en kalıcı başarısızlık modlarını ele almak isteyen benzersiz bir dizi özellik sunar - öncü erozyon, taşıyıcı korozyon ve yük taşımaya devam eden ortak yorgunluk.

[FONT:0)Wind Europe'un sürdürülebilirlik yol haritası[[DÜT 1: 1) malzeme seçiminin, rüzgar enerjisinin tam yaşam döngüsü üzerindeki çevresel ayak izini geliştirmek için önemli bir avantaj olarak tanımladığını tespit ediyor.