水利水电工程领域的创新材料丨Engineering
水利水电工程领域的创新材料丨Engineering
engineering2015
《Engineering》是中国工程院院刊主刊，2015年创刊，中英文双语出版，全文开放获取，目标是建设世界一流工程科技综合性权威期刊，报道全球工程前沿，促进工程科技进步，服务社会、造福人类。
引言
水电行业目前正在经历几项技术发展。新技术和方法的不断涌现，使水力发电更加灵活和可持续。研究人员最近还开发出了新材料以提高水电技术的性能、耐用性和可靠性；然而，缺乏对其进行系统讨论的研究文献。因此，意大利European Commission Joint Research Centre的Emanuele Quaranta等研究人员介绍了用于水电应用的新型材料，并对它们的性能、优势和局限性进行了讨论。例如，复合材料可以使钢铁设备的重量减轻50%～80%，聚合材料和超疏水材料可以减少4%~20%的压头损失，新型轴承材料可以减少6%的轴承磨损。虽然某些材料的初始成本相对于传统材料的成本尚不具有竞争力，但这些改进提高了材料的效率，延长了材料寿命，减少了浪费和维护需求。本文根据以下类别描述新型材料：涡轮机、大坝和水道、轴承、密封件及海洋水电的新型材料。
水力发电是一种可再生能源，它通过涡轮机和发电机的旋转，将水能转化为电能。2020年全球水力发电装机容量为1308 GW，预计到2050年将增长约60%，以遏制主要由化石燃料引起的全球气温上升问题，并满足能源需求。水力发电发展将有助于创造60万个专业工作岗位，预计需要1.7万亿美元的投资。
水力发电行业受到了以下新挑战的影响：①需要增加灵活性以弥补风力和太阳能发电的高度不稳定性，并在日常和季节性规模上提供辅助服务，在非设计条件下高效工作。抽水蓄能电站对于按需提供和消耗能源至关重要。②需要建设更大的水库来缓解洪涝和干旱问题。③农村电气化还通过为现有的水力建筑和小型屏障提供电力，刺激了小型水力发电站的发展，而这些设施已经有了其他用途。④要最小化水力发电站产生的影响，并且要使水力发电是环保的。因此，一些新兴的水力发电技术正在开发中，以满足这些需求。新型材料可以在降低生产劳动成本，减少污染、浪费和材料（特别是由于涡轮转子等水力部件的重量大幅减少）方面发挥重要作用，同时提高了性能和耐久性。然而，由于制造成本和原材料成本较高，一些新材料的初始成本还不具有竞争力。
此外，尽管相关主题研究很重要，但文献中尚未报道水力发电中应用新材料的最新科学综述。例如，迄今为止，关于复合材料在水力发电涡轮机中的开发或使用的报道很少，而且少数已发表的报道要么仅限于理论研究，要么局限于非常具体的应用。因此， 意大利European Commission Joint Research Centre的Emanuele Quaranta等研究人员结合一些相关案例研究，讨论了用于水力发电应用的新材料，特别是过去几十年才引入的材料[用于涡轮机的新型材料、用于大坝和水道的新型材料、用于轴承的新型材料、用于密封件的新型材料、用于海洋水力发电的新型材料（图1）] 。
图1. 位于布雷斯特的Sabella D10潮汐涡轮机码头，安装前的照片由Erwann Nicolas（Sabella，法国）提供。
这些新材料与传统材料相比，其中一些材料的应用受到了高成本的限制，使用复合材料等新型材料的经验仍然有限；复合材料超过100年的长期表现仍是未知的。例如，复合材料制成的鱼梯的重量比混凝土结构的鱼梯低14.2%，但总材料成本（不包括安装成本）是同尺寸混凝土梯子的5倍。然而，近年来碳纤维的价格逐渐下降，目前大约是不锈钢成本的10倍。在复合材料密度低以及碳纤维填充率低的条件下，使用这两种类型材料制成的水轮机的总材料成本正在变得越来越相近。
使用全新材料开发水电组件是一项复杂的设计工作。这需要调查其耐久性（如在高机械负荷下老化、湿老化、抗气蚀性、疲劳性）或机械性能，以及成本、重量和环境可持续性，以便更好地了解其使用寿命优势和局限性。新材料也应有助于减少二氧化碳排放。未来的研究应该致力于获得新的复合材料结构，如三维增强复合材料。为了促进潮汐涡轮机的发展，需要进一步研究剩余金属部件的防腐系统（如采用新型石墨烯基涂层）。在未来的研究中，应收集更多关于这些防腐蚀系统性能及其生命周期评估的信息。轴承环保摩擦学是提高可持续性的另一个新兴研究领域。
关键词： 轴承；复合材料；水坝；水电；材料；海洋；密封件；涡轮机
扫二维码 | 查看原文
原文链接：http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2021.06.025
以上内容来自： Emanuele Quaranta, Peter Davies. Emerging and Innovative Materials for Hydropower Engineering Applications: Turbines, Bearings, Sealing, Dams and Waterways, and Ocean Power [J]. Engineering, 2022, 8(1): 148-158.
《中国工程科学》杂志社欢迎您的加入！
Engineering编辑部招聘助理编辑（兼职/实习）
岗位描述
1. 协助编辑参与稿件管理。
2. 协助编辑进行中英文稿件的技术加工、翻译校对。
3. 协助编辑进行专题组稿前期的资料收集、整理。
4. 协助编辑进行期刊宣传，包括文章推送、元数据整理及作者信息整理等。
岗位要求
1. 较好的语言文字功底，对期刊出版感兴趣，具有较强团队合作精神，对待工作认真细致，责任心强。
2. 统招本科以上学历（或在校大三、大四本科生/硕士研究生），理、工、农、医专业背景。
3. 英语六级（或雅思、托福等国际认证考试成绩）。
4. 工作初期，每周到岗至少1天；工作熟悉后，可根据需要在家/学校办公，定期进行交接即可。工作至少需持续1年时间。
5. 兼职岗位有编辑工作经验者优先，实习生岗位有学术论文发表经验者优先。
待遇面议（可开具实习证明）
地址： 北京市朝阳区惠新东街4号富盛大厦1座
工作时间： 周一~周五 早8:30~晚5:00
报名方式 ： 有意者请将报名材料发至hr@engineering.org.cn，邮件标题请注明“兼职（或实习）+姓名+电话”，报名材料须按下列规定表格形式填写（可扫描二维码下载）。
联系人： 张老师，010-58582511