Trykkpulsasjoner i Francisturbin

Abstract

Formålet med denne avhandlingen er å finne mulige teorier på hvorfor turbin 3 ved Kvilldalanlegget i Suldal kommune har erfart sprekkdannelser i den senere tid. Turbinen har en driftshistorie som ikke er god, men det er utført forbedringer fortløpende siden oppstarten i 1981. Problemstillingen er i prosjektutførelsen angrepet fra flere vinkler. Det er referert til rapporter som stadfester at sprekkdannelser i løpehjulet fra år 2000 og 2008 kan relateres til mangelfull sveis. Det settes også spørsmålstegn ved om turbinen er produsert etter tilfredsstillende standarder både med hensyn til sveis og NDT. Aggregatene ved Kvilldalanlegget har 30 løpeskovler og 24 ledeskovler, dette fører til 6 simultane bladpasseringer i omdreiningshulrommet. I følge teorien vil disse subharmoniske frekvensene som da oppstår kunne være skadelig. Trykkpulsasjonsmålinger i omdreiningshulrommet avdekket ikke store amplituder ved disse frekvensene, men det bemerkes at målingene utført ikke er egnet til å kvantifisere det samlede lastbidraget disse simultane passeringene utgjør. Det ble utført referansemålinger ved en likedannet og driftssikker turbin i Kvilldalanlegget. Sammenligning av måledata avdekket sammenfallende amplituder ved ledeskovlsfrekvensen på de fleste driftspunkt. Det var imidlertid unntak hvor amplituden fra turbin 3 virket forsterket. Dette ledet til en teori om at det forekommer interferensfenomener hvor trykkstøt fra rotorstator interaksjon forplantes i omdreiningshulrommet og sammenfaller med en annen bladpassering. En trykkresponsanalyse avdekket at det trolig forekommer betydelige systemdynamiske forsterkninger i frekvensområdet rundt de subharmoniske frekvensene omtalt ovenfor. Videre fremkom det blandt annet forsterkning ved et frekvensintervall rett i overkant av 1 Hz. Det ble funnet trolig at dette skyldes en trykkrefleksjon relatert til et blindrør i det oppstrøms forgreningssystemet. Dette er interessant på grunn av at det forekommer pulsasjoner i sugerøret ved en tilsvarende frekvens. En systemdynamisk simulering av avløpet til turbin 3 sannsynliggjorde at dette kan relateres til en massesvingning mellom kavitert sugerørsvirvel og sugerørslukesjakt. Denne typen interferens er på generelt grunnlag ikke ønskelig. En av teoriene på hvorfor sprekkdannelsesfenomentet oppstår er relatert til skjevstrømning satt opp i forgreningssystemet. CFD simuleringer utført ledet imidlertid til konklusjonen om at trykksjakten ville gjøre et slikt fenomen neglisjerbart før innløpet til spiraltrommen. Det ble konkludert med at utmattingsproblematikken trolig primært kan relateres til materialtekniske betraktninger, men at teorier skissert i denne avhandlingen potensielt kan medføre et bidrag.