Steel fiber composites for tidal turbine blades

Abstract

The last decade has seen a drastic increase in focus on several types of renewable energy, including a still increasing interest in tidal power. This method of harnessing energy and the technology required to do so are relatively new, and even though a number of prototypes have been built during the last years, none have yet emerged as a standard or definite solution. As of today, all the prototypes have based their turbine blade technology on that of wind turbines, thus producing the blades in glass fiber reinforced composite materials.

The main objective of this master thesis is to further examine the potential of using steel fiber reinforced composites (SFRC) in design and engineering of tidal turbine blades. Previous work has determined a certain potential based on good mechanical properties, recycling advantages and ease of processability. This thesis however, will give special focus to the material failure modes; corrosion and fatigue, as well as corrosion’s effect on fatigue properties. Although not the main aim of this thesis; the possibilities of using hybrid steel/glass fiber reinforced composites will also be looked into, but only with regard to corrosion resistance, not fatigue or other mechanical properties.

The corrosion potential of several composite samples (all created using vacuum infusion technology), was measured in seawater against an AgCl reference electrode over a course of 3 weeks. The samples differed from each other as one half was made with only steel fibers (Sandvik spring wire 12R20/T302, diameter 0.15 mm) and vacuum infused with epoxy (Araldite ESR3/Hardener ESH3), while the other half was hybrid steel/glass composite samples. The fiber fraction of steel also differed for each sample. The complete process of vacuum infusion is presented step by step as a procedure, and the assumptions and choices that were made in regard to fabrication of the samples is stated in this report. An introduction to corrosion prevention methods was done, with analysis and suggestions for proper prevention techniques for a tidal turbine blade. The corrosion potential testing showed that epoxy adds additional protection to the steel fibers in both the SFRC and hybrid samples. However, this testing should be repeated over a longer time-span in order to conclude if the hybrid material holds any advantage over the SFRC regarding corrosion resistance.

In order to study corrosion’s influence on fatigue, physical testing was conducted on single steel fibers (same steel fiber type as in the corrosion testing), some pre-exposed to seawater for a period of 10 weeks, and others not. Half of the corrosion exposed samples had additionally been coated with epoxy (same epoxy as above) prior to the exposure, while the other half were “blank”. All samples were subsequently tested for fatigue using a Bose Electroforce rig. During the testing, data representing cycles (focus on 103 to 106 cycles) till failure was obtained for different stress levels for each variety of samples. This data was used in order to compose SN curves for the different sample varieties. The testing showed that 10 weeks in seawater had a small impact on the fatigue properties of the steel fiber material. A bigger influence was the epoxy coating, a phenomenon especially noticeable on higher stress level testing. The epoxy coating seemed to deprive the steel fibers of their elasticity and render them more exposed to fatigue failure than they would be without the coating. All testing displayed varied levels of scatter in the results on each of the specimen types.

Det siste 10-året har vitnet en økende interesse for, og satsning på flere typer fornybar energi, deriblant energiutvinnelse basert på tidevanns-turbiner. Denne typen energiutvinnelse, samt teknologien den er basert på er relativt ny, og selv om flere prototyper har blitt bygd og installert de siste årene har ingen dem vist seg å være en standard eller endelig løsning.

Hovedmålet for denne masteroppgaven er å videre undersøke potensialet i å bruke stålfiber kompositter innen design og fabrikasjon av tidevannsturbin-blader. Tidligere arbeid har avdekket et visst potensiale basert på gode mekaniske egenskaper, fordeler innen resirkulerings, samt prosess og fabrikasjonsmuligheter. Denne oppgaven fokuserer istedet på skadetilstandene korrosjon og utmatting, i tillegg til korrosjons påvirkning av utmattingsegenskapene. Mulighetene for bruk av hybrid kompositter av stål/glass fiber kombinert med epoxy vil også undersøkes nærmere, men kun i sammenheng med korrosjonsforebyggelse, ikke utmatting eller andre mekaniske egenskaper. Dette er ikke et av hovedmålene for oppgaven.

Korrosjonspotensialet til flere kompositt-prøver som alle ble laget vha vakuum infusjon, ble testet mot en sølvklorid referanse elektrode i sjøvann. Prøvene varierte ved at halvparten var laget av rustfrie stålfibre (Sandvik spring wire 12R20/T302, diameter 0.15 mm) infusert med epoxy (Araldite ESR3/Hardener ESH3), mens den andre halvparten var hybrid-kompositter. Stål-fiberfraksjonen varierte også fra prøve til prøve. Videre i oppgaven er vakuum infjusjonsprosessen presentert som en steg for steg prosedyre, da valg og antakelser som ble foretatt under fabrikasjonen av prøvene blir forklart. Til sist er det foretatt en introduksjon til metoder for korrsjonsforebyggelse, med analyse og forslag til hvilke metoder som er mest egnet med tanke på korrosjonsforebyggelse for et tidevannsturbin-blad. Testingen av korrosjonspotensialet viste at epoxy tilføyer ekstra beskyttelse til stålfibrene i bade stål og hybrid komposittene. Om hybrid materialet har noe fordeler ovenfor stålfiber komposittene ble ikke klart, og bør undersøkes nærmere gjennom testing som foregår over lengre tidsperioder.

For å undersøke korrosjons påvirkning på et materiales utmattingsegenskaper har fysisk testing blitt utført på individuelle stålfibre (same materialtype som nevnt ovenfor), hvor et visst antall av fibrene på forhånd hadde blitt utsatt for korrosjon i 10 uker, og andre ikke. Alle prøvene var av samme type stål, men halvparten av de som var utsatt for korrosjon hadde på forhånd blitt belagt med epoxy (samme type epoxy som nevnt ovenfor), mens den andre halvparten av fiberprøvene var ”blanke”. Alle prøvene ble deretter utmattingstestet vha av en Bose Electroforce test-rig. Data ble samlet inn for varierende spenningsnivåer for de forskjellige prøvene, tilsvarende sykler fra 103 til 106 til svikt. Disse dataene ble senere brukt til å lage SN kurver for de forskjellige variantene av prøver for å sammenlikne resultatene. Testingen viste at 10 uker i sjøvann hadde en liten innvirkning på utmattingsegenskapene til stålfibrene. En større påkjenning var epoxy belegget som berøvet fibrene for elastitet, en trend spesielt merkbar under testing ved høyere spenningsnivåer. All testing fremviste stor spredning i utmattings-resultatene for alle prøve-typene.