Fatigue loads in a Francis turbine runner

Abstract

Utvidelsen av fornybare energikilder i det europeiske energimarkedet fører til en økende etterspørsel etter regulerbare energikilder som kan stabilisere nettfrekvensen. Vannkraft kan fungere som en regulerbar energikilde, men det stiller krav om en mer fleksibel daglig drift av turbinene. Dette fører til at turbinene i større grad å operere under ugunstige driftsforhold når det gjelder effektivitet og utmattelse, i tillegg til en økning i antall start-stop sykluser.

Turbiner med som kan operere med variabel turtallskjøring har større fleksibilitet når det gjelder hva slags operasjonsparametere de kan driftes med. Dette oppgaven tar til sikte å undersøke hvordan operasjon med variabelt turtallskjøring kan redusere utmattelsen i løpehjulet til Francis turbiner. For å oppnå dette har det blitt utført trykkmålinger på en skalert modellturbin med lav spesifikk hastighet.

Trykkmålingene har blitt brukt til å kartlegge trykkpulsasjoner og beregne spenninger og utmattelse i løpeskovlen for hele driftsområdet. Frekvensene til trykkpulsasjonene har også blitt undersøkt, men har ikke blitt brukt videre siden spenningene som oppstår på løpehjulsskovlen har andre frekvenser.

Resultatene viser at utmattelsesbelastningen kan reduseres kraftig ved å bruke en turbin med variable hastighet. De største reduseringene i utmattelsesbelastninger finner man for start-stop sykluser, hvor en liten reduksjon i løpehjulshastighet førte til over 80 prosent mindre utmattelsesbelastninger.

Siden utmattelsesberegningene kun var basert på trykkmålinger måtte en rekke antagelser tas for å produsere resultater. Usikkerhetene disse beregningene skaper gjør at resultatene ikke kan bruker som absoluttverdier, men heller som indikatorer på de relative forskjellene innenfor driftsområdet.

The expansion of intermittent renewable energy sources in the European energy market is leading to an increasing demand of regulatory energy sources to stabilize the energy grid. Hydropower can act as a regulatory energy supply, but that is requiring a more flexible day-to-day operation of turbines. This leads to turbines having to operate to a larger degree in unfavorable operating conditions when it comes to efficiency and fatigue, and an increase in start-stop cycles.

Variable speed turbines do not have to operate at a synchronous speed, and therefore has greater flexibility when it comes to operation. This thesis aims to investigate the effect variable speed operation can have on the fatigue life of the runner. To accomplish this, pressure measurements for a scaled model of a low-specific-speed Francis turbine has been conducted.

These pressure measurements are used to map the pressure pulsations and calculate stresses and fatigue over the operating range for start-stop cycles and for steady-state operation. The frequencies of the pressure pulsations were also analyzed. But couldn’t be used for the fatigue analyzes since they were not measured for the runner blade. The results show that the fatigue loads can be significantly reduced by reducing the runner speed with a variable speed turbine. The most significant reductions in fatigue loads are from start-stop cycles, where a slight reduction in runner speed at part load gave above 80 percent reduction in fatigue loads.

Because the fatigue results were based solely on pressure measurements, several assumptions had to be made in order to produce results. The uncertainty these assumptions bring are large enough that the results should not be used directly, but rather as indications on the relative differences on the operating range.