Aksialkrefter på en reversibel pumpeturbin
Description
Full text available on 2022-06-17
Abstract
Duge kraftverk har utfordringer knyttet til aksiell last ved ett av to aggregat, som gjør at rotorhar løftet seg ved et par anledninger. For dette prosjektet blir de aksielle kreftene undersøkt for åbygge opp en bedre forståelse av kreftene som virker. Utfordringene med aksiell last begrensermulighetene til å kjøre på bestemte driftspunkter og reduserer fleksibiliteten til kraftverket. Vedå løse de nevnte utfordringene, kan Duge kraftverk operere med større fleksibilitet og høyeredriftspunkter enn i dag, og dermed oppnå stor økonomisk gevinst. Det ble gjennomført forsøkpå en Francismodell i Vannkraftlaboratoriet ved NTNU for å undersøke de aksielle kreftenei første del av oppgaven. Feltmålinger fra Duge ble analysert i andre del. Det ble utviklet enanalytisk modell for å estimere og simulere aksiallasten. Aksiallastmodellen baseres på et settav ligninger som bruker ulike parametre og geometrier for å beregne aksielle krefter som virkerover og under løpehjulet. For å evaluere aksiallastmodellen, ble det gjennomført forsøk i Vannkraftlaboratorietfor å sammenligne målt aksiallast med resultatene fra simuleringene.
Francisløpehjul og løpehjul i reversible Francis pumpeturbiner, er begge designet slik at dehydrauliske kreftene over og under løpehjulet aktivt brukes til å balansere de aksielle kreftenefra de store massene som roterer. Ved å balansere de aksielle kreftene, letter det lasten på bærelageret.Det er et mål om å ha en aksiallast på rotor som gir en margin mot at rotor løfter segpå 10% i forhold til roterende masse ved største negative hydrauliske lastbidraget ved drift påstasjonære driftspunkter. Resultatet fra målt og beregnet aksiallast i Vannkraftlaboratoriet blesammenlignet for å undersøke om aksiallastmodellen treffer på dette designmålet. Resultateneviste at det for driftspunktene på bestpunkt og overlast blir estimert en last som er under 10%forskjell fra målt aksiallast for de fleste forsøkene. På dellast var det en forskjell på rett i overkantav 15%. Felles for alle simuleringene var at de overestimerte aksiallasten i forhold til denmålte lasten. Resultatene fra laboratorieforsøkene viste at det er en stor variasjon i aksiallastmellom de ulike driftspunktene.
I andre del av prosjektet, ble feltmålinger fra Duge analysert. Med målinger fra hendelsene medløft av rotor og andre målinger utført ved Duge, ble det gjort undersøkelser rundt hva som kanpåvirke de aksielle kreftene. Aksiallastmodellen ble brukt for å se på hvilke krefter som er årsakentil løft, og om det er noe forvarsel som kan observeres fra simuleringen. Resultatene frasimuleringen viste at det er lite som indikerer at rotor skal løfte seg. Simuleringene med data frasiste løftehendelse, viste en margin på 30 tonn mot løft samtidig som løftet skjer. Flere analyserav målingene ved Duge viser at trykkene ved innløp og avløp til løpehjul kan føre til at marginenmot at rotor løfter seg blir liten. Ved begge løftehendelsene er trykkdifferansen mellominnløpstrykket til spiraltrommen og sugerørskonus 200 mVs. Videre undersøkelser viser at entenkt situasjon med økt innløpstrykk, økt sugerørstrykk og stor volumstrøm er kombinasjonersom gir en større negativ hydraulisk last som virker oppover og fører til mindre margin mot løftved stasjonær tilstand. Et grovt estimat gjort ut fra resultater i Vannkraftlaboratoriet og målingerfra Duge viser at 52 tonn mer last på rotor, kan gi en sikker drift med god margin mot løft. Enløsning for å oppnå dette kan være å øke trykket i spaltevannshulrommet. Med en trykkøkningi øvre spaltevannshulrom på 18 mVs, kan dette gi effekten som trengs i form av økt trykk overflaten i spaltevannshulrommet nedstrøms siste øvre labyrint. Tester i laboratoriet viser positiveresultater i form av økt last ved struping av ventil koblet til spaltevannsarrangementet i øvrespaltevann. Struping av ventil på øvre spaltevann er også mulig å gjøre ved Duge. Hvorvidtdette kan løse situasjonen på Duge må undersøkes videre og testes på prototype i felt. Duge power plant struggles with one of the turbines lifts at certain areas of operation. Due tothe lift problems, the powerplant cannot operate at some desired operation points. In order toinvestigate the axial forces and what affect the forces, experiments were conducted in the WaterpowerLaboratory at NTNU in the first part of this thesis, and analyses of field measurementsfrom Duge in the second part. A model was developed in order to calculate and simulate theaxial forces acting on the runner. In the Waterpower Laboratory it is possible to measure theaxial forces on the turbine. The measurements were used for validation of the simulated axialforces.
A Francis runner and a reversible Francis pump turbine runner are both designed to balancethe axial forces in order to ease the load on the thrust bearing. A design goal is a hydraulicaxial force that leads to an axial resultant force of 10% of the total rotating mass. Results frommeasured axial force in the laboratory and calculated axial force from the analytical model werecompared. The results from simulations of the axial forces showed some variations on howaccurate the model is calculating the forces compared to the measured axial forces. The resultsfrom the simulations showed less than 10% difference between simulated and measures axialforce at best efficiency point and at over load. At part load the difference between simulatedand measured axial force was 15%. All of the simulations showed an overestimated axial forcecompared to the measured force. The results from the measured axial forces also showed thatthere are significant differences in total axial force at different operation points.
The field measurements from the lift incidents and a couple of other operations from Dugepower plant were analysed with the aim to investigate what cause the lift. The axial force simulationmodel was used to see if it is possible to find what triggers the lift of the rotor byuse of the measured parameters from the incidents. Analyses of the measured parameters wereconducted to investigate the cause of the lift. The results from the simulations show no sign ofthe lift that happens. From the last lift incident, the results from the simulation show a forceacting downwards, corresponding to 30 tons, the moment the rotor lifts. The analyses of themeasurements from Duge power plant show that the pressure at inlet and outlet of the runnermay be one of the reasons for the lift. At both lift incidents the differential pressure betweenthe inlet of the spiral casing and the draft tube cone is 200 mWc. A situation with high inletpressure, large volumetric flow and high outlet pressure yield a large negative hydraulic axialforce at steady state condition. This leads to a low resultant force acting downwards and risk oflift of the rotor if the resultant force becomes negative. A rough estimate, based on the resultsfrom the analyses at theWaterpower laboratory and Duge combined with the theory, shows thatwith additional 52 tons acting downwards, could give a safe operation when it comes to liftincidents. A solution in order to provide the additional axial force is by increasing the pressurein the leakage water from the upper clearance downstream the labyrinth seal. With an increaseof 18 mWc of pressure in the clearance, this may be enough to provide the additional axial force.Tests in the laboratory show positive results from increasing the pressure from the leakagewater when it comes to increased total axial force. At Duge the leakage water can be throttledby an existing valve. Further work is needed to validate if this solution can provide the wantedeffect and result in a safe operation at all operation points.