新兴材料在水利工程中的应用及其对水电工程的影响

工程学8（2022）148研究水利工程评论水电工程应用的新兴和创新材料：涡轮机、轴承、密封、水坝和水道以及海洋发电Emanuele Quarantaa，Peter Daviesba欧洲联盟委员会联合研究中心，Ispra 21027，意大利b海洋结构实验室，法国布列塔尼法国海洋阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2020年2021年4月7日修订2021年6月25日接受2021年9月15日网上发售关键词：承力复合坝水电材料海洋密封涡轮机A B S T R A C T水电部门目前正在经历几项技术发展。新的技术和做法正在出现，使水电更加灵活和可持续。最近还开发了新型材料，以提高性能、耐久性和可靠性;然而，在文献中没有系统的讨论。因此，本文介绍了用于水力发电的新型材料，并讨论了它们的性能、优点和局限性。例如，复合材料可以将钢铁设备的重量减少50%至80%，聚合物和超疏水材料可以将水头损失减少4%至20%，新型轴承材料可以将轴承磨损减少6%。这些改进决定了更高的效率、更长的寿命、减少浪费和维护需求，尽管某些材料的初始成本与传统材料的成本相比尚不具有竞争力。本文根据以下类别描述了新型材料：用于涡轮机、水坝和水道、轴承、密封件和海洋水电的新型材料©2021 THE COUNTORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇CCBY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍水力发电是一种可再生能源，通过涡轮机和发电机的旋转将水的动力转化为电力。2020年全球水电装机容量为1308吉瓦，预计到2050年将增长约60%，以限制主要由化石燃料引起的全球气温上升，并满足能源需求。水力发电的增长将有助于创造60万个专业工作岗位，估计需要1.7万亿美元的投资[1]。水电行业受到新挑战的影响：①需要灵活性来补偿风能和太阳能发电的高度可变性，并提供日常和季节性的辅助服务，在非设计条件下有效工作。抽水蓄能电站对于按需提供和消耗能源至关重要。②需要更大的水库来缓解洪水和干旱。③农村电气化*通讯作者。电子邮件地址：emanuele. lagta @ ec.europa.eu，quarantaemanuele@yahoo.it（E. Quaranta）。还通过为已经用于其他目的的现有水力结构和小型障碍物提供动力，刺激小型水力发电厂。需要尽量减少水力发电厂产生的影响，水力发电必须是生态友好型的。因此，一些新兴的水电技术正在进行中，以满足这些需求[2新型材料可以在降低制造劳动力成本、污染、废物和材料方面发挥重要作用（特别是由于水力部件（如涡轮机转轮）的重量大幅减轻），同时提高性能和耐用性。然而，由于制造和原材料成本高，一些新材料的初始成本尚不具有竞争力。然而，尽管这一主题的相关性，最新的科学审查的水电应用的新材料尚未在文献中报道。例如，到目前为止，关于复合材料在水电涡轮机中的开发或使用的报告很少，并且很少发表的报告仅限于理论研究或非常具体的应用[7]。因此，在该文献中，讨论了用于水力发电应用的新材料，特别是最近，即在过去几十年中引入https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.06.0252095-8099/©2021 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engE. Quaranta和P. Davies工程学8（2022）148149一些相关的案例研究。本综述并不是为了描述和分析水电应用的传统材料，可以在文献中找到专门的参考资料新材料分为以下几类：用于涡轮机、水坝和水道、轴承、密封件和海洋水电的新材料。提供了一节来讨论限制和未来的前景。2. 涡轮机和液压设备的新型材料涡轮机是将水力转换为机械能的部件。涡轮机由叶片制成，叶片在与水流相互作用时围绕旋转轴线旋转。水轮机可分为反动式水轮机和作用式水轮机，反动式水轮机主要利用水的压力，作用式水轮机利用流速，即水的动能，其流动动量。重力机器利用水的重量，仅用于非常低的水头应用（5米）[8]。水力涡轮机利用河流的动能，类似于风力涡轮机。高水头水轮机常用的材料是奥氏体钢合金，铬含量为17%至20%（>12%;最低铬含量应为12%，以提供耐大气腐蚀性），以提高保护膜的稳定性和转轮叶片的更长寿命。或者，刀片可以由马氏体不锈钢制成，其强度是奥氏体不锈钢的两倍[9]。低水头机器通常由不锈钢或考登钢制成[10]。水力涡轮机通常由玻璃纤维、碳纤维（CF）或增强塑料制成[11]。通常，用于高水头应用的涡轮机必须由能够抵抗由水压产生的高应力以及疲劳、侵蚀和气蚀的材料制成。低水头涡轮机不会承受高应力和压力;然而，功率/重量比非常小。因此，所选材料的主要目的是减轻其重量y并抵抗磨损和疲劳。此外，大的涡轮机重量会显著增加运输和安装成本，特别是在偏远地区。因此，减少涡轮机的重量以使非常低的水头应用更经济可行是很重要的[7]。例如，在参考文献[12]中，实验室规模的涡流涡轮机的效率从33.6%增加到34.8%，而从钢到铝的重量从15 kg减少到6 kg。重量减轻的另一个好处是可以简化运输和安装过程，特别是在海上和山区。如上所述，新型材料还可以通过限制气蚀、侵蚀、腐蚀和疲劳的影响来确保水力设备的更长寿命[13由于空隙和气泡的形成而发生气穴，其中液体的压力迅速变化。这种空隙的内爆可能会引起强烈的冲击波，这是由于流体压力的变化，特别是在反应式涡轮机中。泥沙侵蚀通过颗粒与材料的碰撞疲劳是重复循环应力的过程，例如，在负载变化和振动期间。水力发电行业也受到生物污染的影响（侵入性物种的生长，如斑马贻贝在涡轮机和其他结构上积累的细菌）。腐蚀是氧气和空气的综合作用，使用新材料代替钢可以最大限度地减少腐蚀。不锈钢是主要含有Cr和Ni以及其它微量元素的复杂合金，Mo、Mn、C、N和Ti。基于它们的溶解度，这些元素可以沉淀为二次颗粒，如硫化物，碳化物和氮化物，改善安装组件的机械性能和耐腐蚀性[11]。最近，已经引入了新的材料：①涂层，以更好地抵抗侵蚀、腐蚀和气蚀，并减少摩擦（即，相关水头损失），以及②结构材料，以更好地抵抗载荷并减轻重量[7]。新的制造技术，如三维（3D）打印[17]和表面处理[15]，也正在开发中。2.1. 新型涂料超疏水涂层材料为减少表面摩擦提供了很好的机会[14，18，19]。在一台非常低水头的水轮机[20]上对其应用进行了数值测试，在设计点上将水轮机效率提高了4%（图1[20]）。此外，超疏水材料具有自清洁、耐腐蚀和防结冰的特性[20，21]。类似地，超疏水润滑剂熔融复合材料防止贻贝附着到水电结构。它是在美国水力发电技术办公室的支持下开发的，并与美国开垦局，美国陆军工程兵团和BioBlend可再生资源公司合作[22]。涂层对于抵抗气蚀和磨损也很重要（特别是在沉积物含量高的水域）。涂层主要可分为氧化物、碳化物和氮化物的硬层、软非金属层（聚氨酯、环氧树脂和尼龙）以及在韧性基体材料中硬增强的复合金属陶瓷涂层[15]。在参考文献[23]中，对水轮机用新型涂层材料进行了综述。 具有纳米和微米碳化钨（WC）晶粒的双峰涂层（例如，35 CrMo上的WC-10Co-4Cr双峰涂层）与纳米和常规涂层相比具有更好的微观结构、更低的孔隙率、更高的硬度和更高的抗浆料侵蚀性。此外，双峰结构表现出最大的耐泥浆侵蚀。在参考文献[13]中，已经提出了用于涡轮机的新型涂层。使用13Cr4Ni钢的细化层进行细化导致显微硬度提高2.6倍。含60wt%Al2O3的高速氧燃料（HVOF）涂层钢比等离子氮化12 Cr和13 Cr-4 Ni钢具有更好的耐腐蚀性。HVOF喷涂碳化钨涂层代替，参见参考文献[24]。离子渗氮是一种防止水轮机磨损的优良表面处理方法。在空蚀条件下，HVOF涂层可使腐蚀率降低96%，在射流浆体条件下可使腐蚀率降低51%，而HVOF涂层可使射流浆体腐蚀率降低46%，在空蚀条件下结果较差[24]。更多的研究应该集中在更好地表征这些材料在不同的操作。在参考文献[15]中，据报道，具有改变的晶粒尺寸、相含量或不同机械性能的材料产生不同的抗空蚀性;因此，正在研究先进的表面处理技术，例如摩擦搅拌处理。从小规模机械接触产生电力的摩擦电材料也在开发中[25]。例如，已经使用丙烯酸酯树脂（添加有y水轮机产生的功率与水头和流量的乘积成比例，因此安装在低水头位置的水轮机需要高流量来产生大量功率，因此需要大的转轮直径。关于这一点的进一步考虑可以在参考文献中找到[10]用于水轮机、卡普兰和弗朗西斯涡轮机。值得一提的是，自20世纪90年代苏尔寿（现为安德里茨）开发“MicroGuss”以来，涡轮机制造中的一种3D打印就已经存在。通过这种方法，冲击式涡轮机通过微焊接进行喷涂，其电阻比单件锻造高得多。E. Quaranta和P. Davies工程学8（2022）148150···图1.一、图中显示了不同壁面边界条件（BC）下的水力效率与单位流量Q11的不同的情况是：整个转轮无滑动，滑动（即，超疏水材料），吸力侧滑动，叶尖滑动，以及整个叶片表面滑动[20]。含氟材料）作为摩擦层材料，以改善现有液-固摩擦起电技术的缺陷该涂层用于通过在航行期间收集波浪能量来为船上的几个商业发光二极管（LED）供电，具有良好的输出性能和稳定性，工艺简单，成本低[26，27]。未来可能会开发海洋水电技术和水轮的应用[28]。2.2. 新型结构材料：复合材料复合材料具有刚度大、比强度高、成本合理等优点，已成为大型风力机叶片的主要材料。然而，由于缺乏这方面的研究，它们尚未广泛应用于水电涡轮机。复合材料可以将涡轮机部件的重量减轻多达80%。不锈钢的密度在7500至8000 kg m-3的范围内，而复合材料的密度通常在1500kg m-3的范围内（例如， CF增强聚合物）至2500 kg m-3（例如，玻璃纤维（GF），增强聚合物）[7]。复合材料可以在未来提供新的机会由于其优异的性能，如低密度、高刚度、韧性和良好的疲劳性能，被广泛应用于水电行业。此外，它们耐腐蚀和磨损，易于组装，耐化学试剂，并可增加寿命同时最大限度地降低维护成本。然而，复合材料通常具有更高的变形能力，这可能是高速旋转机器在套管中接头和间隙安全的问题[29]。复合材料由微观或宏观成分的混合物组成，这些成分在形式和化学组成上不同，并且基本上彼此不溶，以改善材料性能，如刚度，强度和韧性。成分在复合物中保持其身份;因此，它们不会完全溶解或合并在彼此中，尽管它们一起起作用。通常，组件可以物理识别，并在彼此之间显示出不同的界面[30]。通常开发纤维增强复合材料以提高强度重量比和刚度重量比（即，以生产既坚固又坚硬的轻质结构）。纤维有三种基本形式。短切纤维：短且通常随机分布（通常为玻璃纤维）。三种主要的增强纤维材料可用于复合材料：玻璃、碳和芳纶（KevlarTM），它们通常与聚合物基体结合。碳纤维复合材料重量轻，刚度大，强度高，比玻璃更昂贵它们广泛用于飞机结构和风力涡轮机叶片，这些叶片通常很长（100 m）[15，31，32]。碳和GF复合材料都不需要昂贵的腐蚀保护，因为它们不像钢那样腐蚀和降解;然而，它们可以经历湿老化[33芳纶纤维（如KevlarTM ）通常作为复合增强材料添加，以提供抗冲击性[36]。然而，纤维增强聚合物主要限于在具有低转速的涡轮机中的应用（例如，在海洋应用和低水头涡轮机中），因为在高旋转速度下可能发生脆性破坏，这可能具有灾难性的后果。复合材料的研究是近十年来计算力学研究正交各向异性复合材料的数值模拟是基于其组分的平均性质进行的，然而，很少有模型可以工作超过组分的弹性极限状态。因此，大多数程序仅限于弹性情况下的数值计算。已经提出了不同的理论来解决这个问题，通过考虑复合材料的内部结构来预测其行为。两个最常见的理论是均匀化理论和混合理论[37]。参考文献[37]中应用了这两种理论来研究水力涡轮机，发现用复合材料制成的转轮的启动扭矩比钢转子低5.5倍，在低水速下性能更好，并且更容易运输、处理、维修和启动。在参考文献中可以找到一些有趣的例子，其中复合材料已被应用于高水头涡轮机。[7，30，38，39].在参考文献[30]中，使用KevlarTM 49和短切GF作为环氧树脂基体中的增强纤维，制造了具有22个叶片的冲击式涡轮机。他们的制造过程已被描述，虽然涡轮机尚未在效率和寿命方面进行测试。在参考文献[39]中，佩尔顿涡轮机的叶片使用3D打印机由复合材料（碳+热塑性塑料）制成，比钢材料轻1/8，强度相似。Pelton复合材料铲斗的材料成本为200欧元，而金属铲斗的单位成本为300欧元。在参考文献[7]中，作者研究了用轻质复合材料叶片替代小型螺旋桨式涡轮的不锈钢叶片的可能性。选择CF增强热塑性塑料是因为其密度较低，叶尖位移较小，表现出与不锈钢涡轮机相同的峰值效率。然而，复合材料叶片受到略高程度的叶片弯曲，增加了水头。见参考文件[38]，一项关于2兆瓦混流式涡轮机的可行性研究当考虑压力钢管、蜗壳、导叶、水轮机转轮和尾水管时，重量减轻如图2重力机器也在经历新材料的开发-的部分。碳钢已被用于奥地利Judenburg[40]的打捞筒水轮，用于4 m水头的应用（图3）。使用碳钢可以制造更轻的车轮，其重量为7 kN，低于预期的9.8 kN钢（通过应用方程式估算）。（1））[10]。连续纤维：长的、直的，并且通常在单向层中彼此平行地使用。● 多向连续纤维：机织或缝纫[G <$gqsu½HQk]ð1Þ层，提供多方向的强度与方向适应负载条件。式中，G（kN）为制造的打捞筒水轮的重量，H为水头（m），Q为流量（m3·s-1），●●WE. Quaranta和P. Davies工程学8（2022）148151图二.两个研究案例，其中比较了复合材料和钢材料之间的组件重量（改编自参考文献10.1.1）。[38]）：（a）2 MW汽轮机，(b)250千瓦涡轮机。 1 daN = 10 N。图三. 打捞筒式水轮，直径4米，宽0.75米。k= 0.15、u= 0.151和w= 2.042是用于打捞筒的经验系数，qs是材料（钢）密度。高密度聚乙烯（HDPE）是最近在低水头水力部门引入的另一种材料它比钢轻，已被用于水轮。它相对便宜，对非腐蚀性水（海水是腐蚀性水的此外，由于HDPE组件的重量轻，水轮的现场拆卸和重新组装更容易[41，42]。2019 年 7 月 ， Percheron Power 在 太 平 洋 西 北 国 家 实 验 室（PNNL）和美国犹他州立大学水研究实验室的支持结果发现，轻质树脂传递模塑具有较低的生产成本、较低的浪费和排放，并且导致重量比钢低25%至30%。由于复合材料叶片在模具中时涂有凝胶，因此不需要底漆或耐腐蚀涂料，减少了腐蚀和摩擦，使摩擦水头损失最小化[43]。海洋水电技术也包括在低水头范围内，并使用复合材料例如，第一个潮汐涡轮机原型SeaGen潮汐涡轮机（北爱尔兰的装机功率为1.2MW[31，44]）包括聚合物基质中的GF和CF组合。其优点是重量轻、刚度高、有效的强度重量比以及复杂形状制造的规模经济。然而，海水的腐蚀可能是一个问题.更多详情可参见下文海洋水电一节。3. 用于水坝和水工建筑物的大坝是一种水力结构，它拦截河流的水流，并在上游形成人工流域。当一个水坝被建造来调节河流的上游水位，而没有产生一个适当的人工流域来储存大量的水时，它被称为堰或屏障。水库是集防洪、灌溉、发电、供水于一体的多功能基础设施。大坝安全性有了显著改善，特别是自20世纪90年代以来。然而，大坝工程师继续寻求新的技术来建造更安全，更经济，更环保的大坝。水坝及其常用材料的综述见参考文献。[45，46]：如今，拱坝通常由大体积混凝土建造，水泥含量相对较低，而重力坝则由松散材料制成。用松散材料建造的坝称为堤坝，特别是土坝或堆石坝。作为除粘土-粉砂心墙外的紧密元件，重力坝也可具有上游面元件，该上游面元件可为混凝土（称为混凝土面板堆石坝）或沥青层或甚至土工膜[46]。最近，新的大坝材料已经推出。对于附属大坝结构，GF-钢筋混凝土是一种水泥基复合材料，其具有随机分散在整个产品中的耐碱GF。这可以用作表面保护，例如，除了其他混凝土复合材料外，还可以用于溢洪道结构，具有高耐磨性和抗气蚀性。纤维支撑类似于钢筋混凝土中的钢的拉伸应力，从而增加结构的寿命。将导电CF添加到预制混凝土结构中，使材料能够提供结构上的实时载荷信息，从而在应力或开裂变得肉眼可见之前识别问题[47]。另一个创新是岩石螺栓托换系统[48]。全球定位系统（GPS）引导，岩石螺栓托换系统提供了一个连接到河床。这使得结构的安装和紧固更容易。每一段都使用多个岩石螺栓固定在河床或现有的大坝上，每个岩石螺栓都可以承受很大的载荷。尽管金属岩石锚杆已在采矿中使用多年，但它们也已应用于水坝[49，50]。在某些应用中，拉挤复合岩石锚杆也可能很重要，其重量轻可以减少对环境的影响[51]。堆石混凝土坝是通过分层放置采石场的非常大的岩石巨石，然后用高流动性和自密实混凝土填充空隙来建造的，这种混凝土可以很容易地填充空隙[52]。除了施工过程中混凝土的热效应和开裂风险的限制外，填石混凝土的优点还包括减少水泥/混凝土的用量以及不需要压实混凝土。目前的挑战是找到足够的高粘度和足够强度的自密实混凝土。这种方法是碾压混凝土的替代方法，碾压混凝土是将水泥含量低的干混凝土放置在小层中，然后用E. Quaranta和P. Davies工程学8（2022）148152··~振动压路机，如土壤压实。堆石混凝土坝具有在极端洪水期间以及在施工期间被漫过而没有失效风险的优点因此，导流隧洞等导流建筑物可能受到限制。胶结堆石体比传统堆石材料具有更大的变形模量，降低了堆石坝大变形的可能性，具有经济效益，因此限制了施工期间的热效应[53]。2009年提出了水泥材料坝的概念：可节省10%至20%的成本，并可显著缩短工期。与混凝土相比，水泥材料的制备涉及较少的加工、筛选、分级和混合。碾压混凝土法是一种用于建造混凝土坝的最新方法，在过去的几十年中，该方法已经得到了优化，例如，基于面对称硬填料坝和梯形胶结砂砾石坝的新概念碾压混凝土使用选定的水泥-砂-砾石混合物作为传统混凝土，与碾压混凝土相比，混凝土面板堆石坝和水泥土坝将水泥添加到几乎未经处理的土壤材料中。较低的电阻由对称或梯形轮廓补偿。沥青混合料是另一种用于覆盖坝面的趋势[55]。改性沥青密封膜（MBSM）包括改性沥青和集料的复合物。防水作用通过改性沥青密封膜的粘合剂分层来实现，从机械冲击阻力的角度来看，其相当于3 cm厚的沥青集料层[56]。然而，沥青材料仅限于大坝的一定高度，因为沥青层在一定的自重作用下会转变为塑性，因此应注意坝顶上的水平接缝，最终应进行加固，以避免沥青层向下滑动，产生裂缝和渗透。一个重要的主题是发展混凝土和注射先进技术，使用化学助剂，目的是收紧，自我压实，粘度降低，改善热性能，灵活性，快速浇筑和裂缝愈合。在过去的几十年里，这一领域取得了重大进展[52]。充气橡胶堰的开发也在进行中，特别是用于小型水电部门和3米以下的水头应用。充气堰是由橡胶材料制成的柔性椭圆形结构，附着在刚性混凝土基座上，并使用空气、水或两者的组合进行充气。当结构膨胀时，它充当堰，并且当需要冲洗沉积物时，它可以收缩。成本一般低于相同尺寸的普通堰[57]。橡胶体的连接采用钢板。然而，它们可能会腐蚀，并且正在研究GF增强聚合物复合材料以取代钢[58]。水力结构和水道的创新涂层和表面处理也在研究之中用于水道的新型压力水管）减少表面摩擦，从而增加发电量。2016年发表了对传统和创新材料的详细综述[59]，并在此总结了关键点。混凝土衬砌隧道的环氧基涂料涂层可减少摩擦损失，并防止未来的退化，而钢衬或玻璃纤维增强聚乙烯衬通常是实施。然而，虽然较新的衬砌有较长的寿命和有限的维护，衬砌1米的隧道的成本往往是其挖掘的两倍至三倍参考文献[59]中描述的一些涂层材料以及相关的案例研究包括：①聚合物改性水泥基砂浆，用于12 km长的马蹄形断面隧道，平均直径为9.45 m，水头损失减少20%，成本为30 USD m-2; ②乳胶基底漆和面漆以及环氧底漆，在清洁后添加固体结果表明，超疏水材料的减阻率可达30%，超亲水表面（水-水界面减阻）的减阻率可这些措施在翻修项目中特别重要。参考文献[60]中描述了压力钢管新型材料的另一个示例，其中Kannagawa电厂使用了高抗拉强度（950 N mm-2）的钢以降低成本。然而，可能会出现脆性破坏，并且焊接对于包含微裂纹至关重要这在参考文献中有广泛的描述。[61]。概率设计方法必须用于这种高强度钢，考虑材料的缺陷，特别是焊接。4. 轴承用新型材料轴承是水轮机单元的关键部件，用于支撑旋转部件，同时使摩擦最小化润滑脂的需要）并保持部件的轴由于极端接触压力条件（超过30 MPa）超过40年的使用寿命，水电涡轮机轴承的运行受到限制[62]。流体动压滑动轴承是最常用的，可分为三大类：轴颈轴承，推力轴承和轴套[62、63]。摩擦和磨损是维护问题和成本的主要因素。因此，大多数涡轮机使用加压油来润滑涡轮机轴承，以减少摩擦、磨损、维护干预和成本，并提高机器性能。然而，水轮机的漏油可能对环境产生负面影响，并导致一些操作和维护问题[64]。因此，使用生态友好的摩擦学组件/技术（例如，轴承），被称为生态摩擦学，被认为是一种有效的工程实践，以提高水电应用的可持续性[65]。为了消除水电机组可能发生的溢油危险，近年来水电部门的生态摩擦学概念得到了迅速发展，特别是在轴承方面。水基润滑剂、生态/植物润滑剂和自润滑轴承（具有摩擦材料）相对于传统的具有改进的或类似的摩擦学性能，已经被开发出来。植物/生态油是可生物降解的;然而，当与水混合时，它们具有比其他矿物油更快分解的缺点此外，它们比矿物油更昂贵，并且一些密封材料在暴露于植物油时容易损坏[66]。见参考文件[67]中描述了一个工业案例研究，而参考文献[66]中讨论了水电公司使用植物油的经验由于水的粘度较低，用水润滑的轴承在边界或混合润滑状态下运行的时间相对较长，特别是在考虑低滑动速度和启动/停止循环时【68】。Ingram和Ray[69]指出，与油润滑的导轴承相比，水润滑的导轴承由于成本低、无毒且热容量高，可减少摩擦损失和维护，从而有助于提高整个工厂的效率Oguma等人【70】描述了专门为多喷嘴立式冲击式水轮机设计的水润滑导向轴承的性能。然而，由于水的低粘度、溶剂性质（腐蚀性）和高挥发性，水对于严格的工程应用来说是一种不良的润滑剂[62]。低粘度会显著增加摩擦，缩短轴承的有效磨损寿命。因此，使用水基润滑引入了新的E. Quaranta和P. Davies工程学8（2022）148153~~工程挑战，特别是轴承表面的材料选择，可以确保摩擦系数低于0.1，使用寿命为40年[68]。自润滑轴承已被引入，以避免使用润滑剂。它们通常由青铜（金属基）或特氟龙（塑料基）制成[63，71]。关于涡轮机，复合材料和自润滑聚合物也用作转轮的推力轴承、耐磨板和溢流道闸门上的耳轴轴承类金刚石碳涂层技术在过去十年中也得到了显著发展[65]。然而，由于间歇性风力和太阳能发电厂的广泛存在，其输出不可预测，水电厂的运行条件随着电网要求而变得更加多变，用于控制涡轮机叶片和导叶的自润滑轴承是受影响最大的部件之一[72]。在参考文献中。[62，68]中讨论了用于自润滑轴承的新型多尺度热塑性聚合物复合材料它们是通过向聚合物中添加宏观和微观增强物（短碳纤维（SCF ）、GF 和CF 、碳基纳米填料（纳米金刚石（ND）和碳纳米管（CNT））和2D材料（氧化石墨烯（GO）、二硫化钼（MoS2））而开发的，通过多尺度模式获得的协同效应产生更好的性能（机械和摩擦学）这减少了对“油顶升”的需求热塑性聚合物复合材料由于其在操作期间的极端接触压力（30 MPa）和操作寿命（40年）而对抗摩擦和磨损问题[62]。在水润滑条件下，与纯超高分子量聚乙烯相比，具有GO、ND和SCF的超高分子量聚乙烯多尺度复合材料显著降低了摩擦和磨损，而与未填充PTFE相比，用GF和MoS2增强的聚四氟乙烯（PTFE）表现出更低的磨损率[62]。US Synthetic正在为RivGen电力系统开发一种新型的多晶金刚石（PCD）轴承轴，用于水力发电，为现有的偏远社区电网提供电力[6]。美国阿拉斯加大学的研究人员比较了四种轴承/衬套材料在淡水负载下60小时的磨损（mm）测量。图4[74]显示了PCD轴承材料与VesconiteTM（自润滑热塑性塑料）、哥伦比亚工业产品（CIP）船用固体润滑剂复合材料和FeroformTM（PTFE复合材料）材料相比的优势。该测试比较了轴承/衬套远端、中心和驱动侧的磨损通过在RivGen动力系统中使用PCD关节面技术（图 5），取得了以下效益：● 工艺流体冷却轴承-轴组件：①完全消除了密封，②减少了多余的部件重量，③消除了对污染润滑剂和持续维护的需求。一种金刚石材料，易于抵抗磨料颗粒和水中流动的沉积物● 本发明提供一种滑动元件支承面，该滑动元件支承面：①承受更高的载荷，②最大限度地减少操作磨损，③提供更低的摩擦系数（0.01）。y这种材料是一种中等编织的PTFE和聚酯纤维的混合物。向树脂中添加固体润滑剂可减 少 摩 擦 、 延 长 磨 损 寿 命 并 提 高 湿 和 干 应 用 中 的 性 能（https://www.hydroreview.com/world-regions/bearings-and-seals-applying-the-latest-technologies/#gref）。见图4。流体动力装置中使用的关键滑动部件的磨损特性的实验研究，60小时以上负载下的磨损试验（mm）[74]。图五、水力环境中的RivGen电力系统（照片由美国海洋可再生能源公司（ORPC）的Susy Kist提供5. 新型密封密封件将部件互连，最大限度地减少漏水，并防止水和污垢的侵入。涡轮机主轴的密封是主要挑战。理想情况下，密封过程应该是完整的;然而，由于成本高，轴密封的主要目的仅限于将泄漏控制在可接受的量。见参考文件[75]对水电封堵技术进行了探讨。第一台水轮机使用压缩填料密封涡轮轴。然而，早期包装需要大量的水用于冷却。随着压缩填料装置的发展，新型材料、润滑剂和阻塞剂也被开发出来，通过减少冷却水的用量来延长填料寿命。多年来，已经开发了几种技术，包括碳分段环和弹性径向密封元件[75，76]。轴向端面的机械密封作为水轮机的一种可行的长期密封解决方案正在变得流行。软碳石墨通常用作密封面，并与硬面材料（例如，氧化铝陶瓷）。然而，氧化铝陶瓷作为一种非常好的绝缘体，其热性能和PV性能通过将密封界面处的压力乘以机械密封平均端面直径的旋转速度来评估当PV值超过密封面对上的限值时，由于高磨损和发热，寿命会缩短[76]。为了克服PV限制，已经开发了新型材料，例如SiC，其将PV性能提高了2-此外，SiC具有非常好的耐磨性，这对于侵蚀性水域是有用的性质。当与碳/陶瓷面对相比时，SiC/SiC面对具有33%的PV限制●E. Quaranta和P. Davies工程学8（2022）148154·TM#21517;，同时产生的热量减少50%[76]。高性能热塑性密封材料和弹性聚合物的开发也在进行中，其耐磨性是传统橡胶弹性体的五倍[75]。有关轴承和密封的其他案例研究可参见参考文献。[77、78]。6. 用于海洋水电和水力涡轮机的在海洋环境中的水力发电厂将潮汐流和波浪的能量转化为电力。在潮汐环境中，低水头涡轮机利用潮汐范围的势能，而水力涡轮机利用潮汐流和洋流的动能在波浪能方面，水力机械装置将波浪的振荡运动转化为机械能[79，80]。海洋气候特别严酷多变，海水具有腐蚀性。潮汐能转换器也经受疲劳载荷，而维护事件必须是罕见的，因为进入高能量位置中的水下装置是具有挑战性的。因此，由于湍流和波流相互作用等局部载荷事件尚未得到很好的表征[81]，转子往往会过度设计，在某些情况下高达30%，以确保所需的耐久性。这在材料使用、成本和性能方面是低效的。因此，正在开发具有改进的强度、疲劳和抗腐蚀性能的新型材料，以降低成本并增加耐久性。迄今为止开发的大多数原型是纤维复合材料，例如GF和CF，用环氧树脂基体浸渍。这些新材料主要是适用的和经济的，由于它们的旋转速度非常低，相比水力高水头涡轮机，如弗朗西斯和佩尔顿涡轮机。环氧树脂通常被选择用于水下应用，因为在可用的热固性树脂系统中，当化学被优化时，它们提供优异的抗渐进性吸湿性和水解降解性[82]。还考虑了乙烯基酯树脂和热塑性聚合物。后者提供了回收的可能性;然而，它需要改变制造工艺，增加成本[83]。表1比较了海洋水电背景下的传统材料和复合材料[84]。存在一系列材料选择;然而，机械性能和耐久性以及复杂形状的容易制造已经导致绝大多数开发者选择纤维复合材料，大多数具有CF增强以提高抗疲劳性。从原型测试中获得的公开信息非常有限，因为这些通常是商业开发。在撰写本文时，只有一个潮汐涡轮机装置可以被视为商业农场，即彭特兰湾的MeyGen项目[85]。潮汐流能量转换器原型的一些示例，以流体动力涡轮机的形式，如下所述[37，48]。SeaFlow项目是一个300千瓦的潮汐原型，是2003年6月在德文郡海岸安装的首批海上试验之一。转轮直径为11 m，具有两个复合材料叶片表1潮汐涡轮机的材料特性，基于参考文献[84].配有应变片。该结构包括一个中心65 mm厚的碳复合材料翼梁，上面覆盖有加强玻璃/环氧整流罩。2008年，采用与SeaFlow（SeaGen项目）相似的设计，浸没了叶片长7.5米。2003年，挪威哈默菲斯特附近安装了一座潮汐发电站，10米长的叶片由GF复合材料制成。在美国，在RITE项目范围内，2007年在纽约安装了六台涡轮机。涡轮机的直径为4.9 m，具有三个复合叶片，类似于现有的风力涡轮机设计。然而，发生了一些叶片故障，并重新设计了叶片。Sabella项目包括2008年4月在布列塔尼海岸的原型装置，称为D03。2015年，在Ushant岛附近安装了一台500千瓦的涡轮机演示器（D10）这有六个碳/环氧树脂叶片制成的中央预浸复合材料翼梁注入复合材料面层。使用玻璃增强复合材料作为发生器盖（图6）。2009年，一个500千瓦的原型与6米的叶片浸入丹麦潮汐发电有限公司它有复合材料（碳和玻璃）刀片。GF复合材料潮汐涡轮机叶片用于OpenHydro涡轮机，直径为11米。复合材料也是令人感兴趣的，用于支架、安装框架和其他部件这些系统。CRIMSON项目由美国海洋可再生能源公司（ORPC）制造，价值390万欧元，采用完全由回收碳纤维制成的箔材，分别减少了33%和66%的资本和运营支出。MeyGen项目包括四台1.5 MW复合叶片涡轮机，三台来自AndritzHydro Hammerfest，一台来自Atlantis（AR 1500）。第一台涡轮机于2016年投入运营，到2017年，所有四台涡轮机都安装完毕。该租约允许在25年项目的不同阶段安装高达400兆瓦的电力。到2020年1月，MeyGen潮汐流阵列产生了超过25.5 GW h的电力。复合材料也被考虑用于一些波浪能装置;然而，它们在商业上不如潮汐能装置先进。一些例子如下。全尺寸波浪龙波浪能转换装置的复合材料结构设计（20 kW原型由钢制成，丹麦）。一种凯夫拉和橡胶的复合材料被用于阿基米德英国AWS海洋能源公司的波浪摆动系统。这利用了淹没的类似于波浪的元件，这些元件通过改变它们的体积来响应海面上经过的波浪，CF复合材料1.601451240萨贝拉D10潮汐涡轮机在布列斯特的码头边，安装前（照片由Erwann Nicolas（Sabella，法国）提供）。●●●●●●●●●●材料密度弹性模量拉伸强度（g·cm-3）（GPa）（MPa）碳钢7.85207400–500不锈钢7.75193750–850Ti合金4.501141170Al合金2.7070300–550GF复合材料2.10451020E. Quaranta和P. Davies工程学8（2022）148155所产生的压力改变，从而浮动得更高或更低。引起的垂直运动被转换成电力。聚合物复合材料和夹层材料（泡沫芯上的复合材料面层）在浮力至关重要的许多浮动能量转换器中很受欢迎。在50多年的小船建造过程中，复合材料在海水中的应用经验丰富，在风力发电行业中，复合材料是首选材料，在复合材料疲劳方面也有广泛的知识。然而，当复合材料同时承受海水和脂肪负荷时会发生什么的经验很少，这是水电应用的情况;因此，这是一个研究领域[86]。尽管如此，如果正确选择和制造CF复合材料，它们的长期耐久性是极好的[87]。参考文献[82]对GF增强环氧材料在海水中的耐久性进行了详细研究。研究了三种等级的GF。随着吸水率的增加，弯曲残余破坏应力降低，尤其是E-GFy增强的复合材料，而轴向模量保持不变。高性能玻璃纤维也是可用的（例如，‘‘Advantex”) and confer improved long-termproperty retention compared to standard E-glass 对碳/环氧树脂进行的类似老化研究显示，在60 °C下完全水饱和老化后，性能略有下降。然而，研究表明，潮汐涡轮机叶片中使用的厚复合材料在实际运行条件下不太可能完全饱和[88];因此，基于完全水饱和度的预测可能非常保守。海水浸泡后碳/环氧复合材料性能的变化受基体、纤维/基体界面和制造质量的影响。这可能使材料选择比金属材料更困难，并需要严格的质量控制程序;然而，长期性能可能非常出色。一项正在进行的关于Sabella材料的老化研究，包括在不同温度下浸泡样品超过七年，现在表明预测寿命远超过20年[89]海洋能源部门的进一步进展与海水抽水蓄能系统有关，该系统包括两个相互连接的水库，其中较低的一个是海洋。工厂运作在峰值能量需求期间处于涡轮机模式，以及在低能量需求期间处于泵送模式，以消耗由太阳能和风力发电厂产生的剩余能量。腐蚀问题可以通过使用GF增强塑料管和用于涡轮机和与水接触的部件的耐腐蚀钢来解决。采用了新材料，如上水库衬砌采用三元乙丙橡胶（EPDM）橡胶板。EPDM已通过多项测试证明具有优异的材料性能和耐候特性[90]。介绍了一种密度比水流体高2.5倍的新型流体2017年由英国RheEnergise开发，称为R19流体，它是惰性和非反应性的，被认为用于闭环泵水电站。大约65%的抽水蓄能项目成本与土木工程相关，使项目规模缩小2.5倍，从而提供了巨大的节省机会。7. 讨论水力发电是一种清洁的可再生能源，与其他可再生能源相比，水力发电设备不需要...yE-GF最初是为电气绝缘应用而开发的（这就是“E”的起源E-GF是所有纤维增强材料中使用最广泛的几个数量级，这是因为与其他纤维相比，其成本低且开发较早。保留关键材料，如锂和钴（用于电动汽车），钕，镨和镝（用于电动汽车和风力发电）[91]。 一些新的材料被引入水电部门，许多正在进行的研究正在进行中[92]。新型材料可以在新发电厂和翻新项目中找到应用[93]。新型材料的引入可以在反动式涡轮机和自由表面涡轮机（例如，涡流涡轮机、阿基米德螺旋桨和水轮），以及重量的减轻和寿命的延长。然而，涡轮机转轮重量的减少将导致旋转储备的减少，这保证了水电的灵活性。有些液压机甚至与飞轮相结合，以增加旋转储备，这与频率控制有关[94]。超疏水涂层材料可以提高效率，有机涂层的摩擦电纳米发电机有望用于海洋水电部门。纤维增强复合材料，特别是CF复合材料的开发正在进行中，纤维增强复合材料已经广泛应用于海洋和风能领域，但最近被引入水电涡轮机中。存在对其他轻质材料的兴趣这些材料确保了更高的效率、更轻的重量以及在恶劣环境中更高的抵抗力。