Prototypowe konstrukcje łopat wirnika turbiny wodnej – kolejne efekty Bonów na innowacje.

Wysokie koszty regeneracji turbin wykorzystywanych w małych elektrowniach wodnych (w skrócie MEW) to powód zaniechania ich napraw w ponad połowie MEW funkcjonujących w Polsce. A jest ich około 700. Fakt ten niestety negatywnie wpływa na funkcjonowanie elektrowni, szczególnie na ich wydajność i efektywność.

Turbina będąca podstawowym wyposażeniem technologicznym elektrowni wodnej jest niezbędna, do tego, aby siła przepływu wody zamieniona została na ruch obrotowy wirnika generatora produkującego energię elektryczną.

– W obecnej technologii turbiny wytwarzane są ze stali lub w technologii odlewania metali nieżelaznych, co jest procesem kosztownym, skomplikowanym i czasochłonnym, wymagającym zaangażowania wykwalifikowanego personelu i specjalistycznych maszyn. Dodatkowo płaty wirnika turbiny są elementami najbardziej narażonymi na zniszczenie i zużycie, a ich regeneracja jest wysoce kosztowna, ponieważ wiąże się z demontażem turbozespołu, transportem do miejsca regeneracji, rozebraniem turbiny i pracami regeneracyjnymi, a często też z wymianą płatów na nowe. Cały proces może zająć nawet kilkanaście miesięcy, co oznacza, że w tym czasie MEW jest wyłączona i nie generuje zysków, a to największy problem dla właściciela obiektu – podkreśla Konrad Wawrzykowski, prezes przedsiębiorstwa Mech-Ton.

Głównym sprawcą zużycia łopat wirnika jest zjawisko kawitacji. Jest to proces, w którym następuje odrywanie się cząstek materiału na skutek uderzeń powstających w wyniku lokalnych nagłych zmian ciśnienia wody. Spodnia powierzchnia płatów wirnika ulega zniszczeniu, przez co zmniejsza się ich grubość i wytrzymałość. W tej sytuacji brak interwencji w postaci regeneracji lub wymiany zużytych łopat, doprowadzi nieuchronnie do uszkodzenia turbozespołu i zatrzymania pracy całej elektrowni.

– Widząc ten problem, w roku 2020 z własnych środków finansowych, podjęliśmy próby testowania materiałów alternatywnych do dotychczas stosowanych w produkcji elementów turbin wodnych, czyli wykonanych z żeliwa, stali czy brązu, które nie są odporne na kawitację. Tworzywa sztuczne, np. nylon są jednak na to niekorzystne zjawisko odporne. Wiedza ta ukierunkowała nas na poszukiwanie rozwiązania, które mogłoby znaleźć zastosowanie w naszej produkcji. Jedyny problem z tworzywami to ich niższa niż w przypadku tradycyjnych materiałów, wytrzymałość mechaniczna na rozciąganie i zginanie. Wstępne wyniki podjętych prób, dały jednak nadzieję na znalezienie odpowiedniego rozwiązania, potrzebne były tylko dodatkowe środki finansowe na zaprojektowanie i stworzenie prototypów łopat i przeprowadzenie ich pełnych badań  – wyjaśnia właściciel firmy.

Odpowiedzią na tą potrzebę okazał się projekt realizowany przez Organizację Pracodawców Ziemi Lubuskiej – Bon na innowacje, który umożliwił sfinansowanie prac badawczo-rozwojowych, wykonanych dla firmy przez wyspecjalizowaną jednostkę – nowosolski Park Interior.

W ramach prac, zgodnie z oczekiwaniami firmy, zaprojektowane i wykonane zostały dwie prototypowe konstrukcje łopat wirnika turbiny wodnej o szybkobieżności 650 ns (nanosekund) ze specjalnie dobranego tworzywa sztucznego. Jedna w całości wykonana z polimeru, druga jako element o konstrukcji płata dzielonego, wykonana w części z metalu, a od strony najbardziej narażonej na zjawisko kawitacji z polimeru. Prototyp pierwszej z łopat oraz część polimerowa drugiej z łopat, wykonane zostały metodą druku 3D. Szereg przeprowadzonych badań wytrzymałościowych na skręcanie i zginanie, dał pozytywne wyniki i potwierdził możliwość zastosowania tworzywa sztucznego do produkcji łopat wirników turbin.

– Dotychczas, w produkcji części składowych elektrowni wodnych stosowane były tradycyjne technologie wykorzystujące materiały typu żeliwo, stal i brąz. Do tej pory, poza produkcją łożysk sterów w statkach, nikt nie podjął się wykonania tego typu elementów z tworzyw sztucznych. A więc z tym rozwiązaniem wychodzimy na rynek jako pierwsi. Nie oznacza to jednak końca naszych prac, ponieważ zamierzamy skoncentrować się nad udoskonalaniem stworzonych elementów. Zostaną one zamontowane w warunkach rzeczywistych na pracującej turbinie. Zebrane dane umożliwią dalsze ulepszanie naszego rozwiązania – dodaje przedsiębiorca.

Tytuł projektu: Opracowanie i przebadanie innowacyjnych prototypów łopat wirnika turbiny wodnej o wyróżniku szybkobieżności 650 ns w typoszeregu o średnicy 265 mm wykonanych z wykorzystaniem odpornych na zjawisko kawitacji materiałów polimerowych

Wartość 142 680,00 PLN,  w tym dofinansowanie 97 325,00 PLN.

Mech-Ton Konrad Wawrzykowski to firma z kilkunastoletnim doświadczeniem w obszarze specjalistycznego projektowania inżynierskiego dla przemysłu motoryzacyjnego, spożywczego, metalowego oraz energetycznego, w tym również hydroenergetycznego. Nie ogranicza jednak swojej działalności tylko do etapu koncepcji, idzie dalej i jest również producentem stworzonych rozwiązań. Wykonuje specjalistyczne maszyny i urządzenia zaprojektowane pod konkretne potrzeby swoich partnerów biznesowych. Koncentruje się przy tym na tworzeniu zautomatyzowanych rozwiązań, ukierunkowanych na  maksymalne usprawnienie procesów produkcyjnych i redukcję ich kosztów. Firma stawia na niezawodność produktu, jego wysoką jakość i estetykę wykonania, czego dowodem jest długofalowa współpraca z wieloma odbiorcami. Konstrukcja suwnicy wraz z wyciągnikiem łańcuchowym z napędem mechanizmu podnoszenia, przeznaczona do zabudowy w wyrobisku górniczym, konstrukcja stalowa dla obiektu produkcyjno-biurowego Zakładu Wielobranżowego „Galwanizernia” Sp. z o.o., czy też belka wyciągnika wraz z wyciągnikiem i wieszakami dla KGHM ZANAM S.A. to tylko kilka ostatnich realizacji firmy Mech-Ton.