Test of a Francis turbine with new guide vanes
Abstract
Verden har gjennom Parisavtalen i 2015 og senere den oppdaterte Glasgowavtalen i2021 blitt enig om å fase ut kullkraft. I tillegg til et større forbruk med store variasjoner,er det et behov for å bygge ut fornybare energikilder. Sol og vindkraft er i dagsett på som en av de viktigste uutnyttede kildene. Utfordringen for disse fornybareenergikildene er at de kun kan produsere strøm når det henholdsvis er sol og vind.Vannkraft er sett på som en fornybare kilde som kan komplettere energiproduksjonenog i teorien produsere for å dekke behovet. Det betyr at vannkraft må brukesmer på ugunstige driftspunkter og det vil være mer start og stopp. Dette redusererlevetiden til aggregatene. Det internasjonale samarbeidsprosjektet HydroFlex, støttetav EU har som mål å utvikle verktøy og undersøke løsninger for mer ugunstigdrift av vannkraft. Vannkraftlaboratoriet ved NTNU er en samarbeidspartner somstår for blant annet de fysiske testene og validering av de numeriske beregningenesom er gjort.
I denne masteroppgaven har det blitt gjennomført en modell test i henhold tilstandarden IEC60193 for nye ledeskovler designet av PhD kandidatene Filip Stojkovskiog Marija Lazarevkj. Nevnte ledeskovler er laget for å validere de numeriskeberegningene og videreutvikle et verktøy for design av ledeskovler for størrevariabel drift av francis turbiner.
Vannkraftlaboratoriet ved NTNU har gjennomgått en større oppgradering med bytteut generator, ventiler og samtidig designet nytt kontrollprogram. Etter oppgraderingenble gjennomført en referanse modelltest skulle gjennomføres for å sjekke atriggen oppførte seg som forventet/før oppusingen. Testen viste at riggen oppførteseg normalt, men det nye målesystemet hadde en for høy usikkerhet. Dette ble løstved å øke måletiden.
De nye ledeskovlene har blitt designet feil. Dette ble løst ved å bygge opp låseringenmed et gammelt sagblad.
Modelltesten av de nye ledeskovlene viser en reduksjon i virkningsgrad på bestevirkningsgrads punkt fra 92.5% med gamle ledeskovler til 90.7% med nye. De nye ledeskovlene har endret åpningsmønster slik at ledeskovlene må åpnes mer for åslippe like mye vann inn i turbinen. Dette diskuteres som mulig årask til virkningsgradreduksjonen,da endret vinkel kan endre hastighetstrekantenen og dermed reduserehastighetskomponenten i innløp beskrevet i Eulers turbinligning. Den endredevinkelen kan også skape ujevn strøm og separasjon på trykksiden av turbinbladene.
To av ledeskovlene har vært instrumentert med strekklapper på ledeskovlakslingenefor å måle moment. Disse viser at det er høyeste momentet er ved lavestmassestrøm, og synker når vannmengden øker. Momentet snur aldri vei og hardermed ingen nullpunkt. Dette vil ved en driftsstans i servoen som kontrollererladeapparatet resultere i at ladeapparatet vil søke der det er lavest moment, som erved full åpning.
Modelltesten har blitt gjennomført etter IEC60193 og resultatet viser ledeskovleneikke leverer like godt som referanseledeskovlene. Det er høy usikkerhet som skyldeslav prøvetakningshastighet. Resultatene vil kunne brukes til å validere numeriskebergeninger og vidreutvikling av designverktøyet for ledeskovler. The world has through the Paris Agreement of 2015 and the later updated GlasgowAgreement in 2021 agreed on out-phasing coal power. So in addition to anincreased demand for variable power in the future, there is a need to increase thecapacity of renewable energy sources. Solar and wind power are considered thetwo key unharvested energy sources. However, the challenge with these two energysources is that they are dependent on the weather, and are not able to providepower on-demand. Hydro power is on the hand capable doing exactly that, andis therefore considered as a viable renewable energy source that can fully complementthe solar and wind power. Though this means that hydro power needs to beinstalled in places where conditions are sub-optimal, and operations are more variable.Such variable operation deteriorates the various elements of a hydro powerturbine, and consequently reduce the lifetime. The international collaborative projectHydroFlex, supported by EU, has as its purpose to develop tools and researchsolutions for operating hydro power plants at sub-optimal places. The WaterpowerLaboratory at NTNU is one of the collaborators of the project, and is responsiblefor the physical tests and the validation of the numerical simulations.
In this masters thesis a model test of the new guide vanes has been conducted accordingto the IEC60193 standard. The new guide vanes are designed by PhDcandidates Filip Stojkovski and Marija Lazarevikj, who has tried to design guidevanes that perform better for variable operation of Francis turbines. Prior numericalsimulations had shown promising results.
The Waterpower Laboratory at NTNU has been through an extensive refurbishment,where generator and valves have been replaced, and a new control programhas been developed. After the refurbishment a reference model test were made to control for any effect it may have had on the results. The test revealed no noticeablechanges apart from the new logging system showed a too high uncertainty.This was solved by increasing the sampling time.
The new guide vanes has a design fault as they were 0.77 mm too high. An attemptto solve this was made by expanding the lock ring using an old band saw blade.The model test of the new guide vanes shows a 2 % reduction in efficiency at bestoperating point from 92.5 % to 90.7 % when compared to the old ones. The newguide vanes has a different opening pattern, which means that they have to openmore, to allow for the same amount of discharge. The increased opening angleaffects the velocity triangle, and thereby reduce the velocity at the inlet as givenby Eulers turbine equation. Additionally, the changed angle may give rise to disturbancesand create flow separations on the pressure sides of the turbine blades.Combined these may be explain the 2 % reduction in efficiency.
Two of the guide vanes has been instrumented with strain gauges to measure thetorque on their shaft. These shows that the maximum torque point is at the lowestflow rate, and is reduced as the discharge increases. The torque never changesdirection and has therefore no zero points. Consequently, in a case of a servofailure, the guide vanes will seek to a full opening angle, as this is the point withleast torque.
The model test of the new guide vanes was also conducted according to the IEC60193standard. Results show that these new guide vanes leads to worse efficiency comparedto the old ones. However, the results are highly uncertain, mainly due to lowsampling rate of the new system installed after the refurbishment of the laboratory.Nonetheless, the results can be used to validate the numerical simulations andfurther develop design tools for guide vanes.