Aksialkrefter på en reversibel pumpeturbin

Abstract

Duge kraftverk har utfordringer knyttet til aksiell last ved ett av to aggregat, som gjør at rotor har løftet seg ved et par anledninger. For dette prosjektet blir de aksielle kreftene undersøkt for å bygge opp en bedre forståelse av kreftene som virker. Utfordringene med aksiell last begrenser mulighetene til å kjøre på bestemte driftspunkter og reduserer fleksibiliteten til kraftverket. Ved å løse de nevnte utfordringene, kan Duge kraftverk operere med større fleksibilitet og høyere driftspunkter enn i dag, og dermed oppnå stor økonomisk gevinst. Det ble gjennomført forsøk på en Francismodell i Vannkraftlaboratoriet ved NTNU for å undersøke de aksielle kreftene i første del av oppgaven. Feltmålinger fra Duge ble analysert i andre del. Det ble utviklet en analytisk modell for å estimere og simulere aksiallasten. Aksiallastmodellen baseres på et sett av ligninger som bruker ulike parametre og geometrier for å beregne aksielle krefter som virker over og under løpehjulet. For å evaluere aksiallastmodellen, ble det gjennomført forsøk i Vannkraftlaboratoriet for å sammenligne målt aksiallast med resultatene fra simuleringene.

Francisløpehjul og løpehjul i reversible Francis pumpeturbiner, er begge designet slik at de hydrauliske kreftene over og under løpehjulet aktivt brukes til å balansere de aksielle kreftene fra 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 seg på 10% i forhold til roterende masse ved største negative hydrauliske lastbidraget ved drift på stasjonære driftspunkter. Resultatet fra målt og beregnet aksiallast i Vannkraftlaboratoriet ble sammenlignet for å undersøke om aksiallastmodellen treffer på dette designmålet. Resultatene viste 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 overkant av 15%. Felles for alle simuleringene var at de overestimerte aksiallasten i forhold til den målte lasten. Resultatene fra laboratorieforsøkene viste at det er en stor variasjon i aksiallast mellom de ulike driftspunktene.

I andre del av prosjektet, ble feltmålinger fra Duge analysert. Med målinger fra hendelsene med løft av rotor og andre målinger utført ved Duge, ble det gjort undersøkelser rundt hva som kan påvirke de aksielle kreftene. Aksiallastmodellen ble brukt for å se på hvilke krefter som er årsaken til løft, og om det er noe forvarsel som kan observeres fra simuleringen. Resultatene fra simuleringen viste at det er lite som indikerer at rotor skal løfte seg. Simuleringene med data fra siste løftehendelse, viste en margin på 30 tonn mot løft samtidig som løftet skjer. Flere analyser av målingene ved Duge viser at trykkene ved innløp og avløp til løpehjul kan føre til at marginen mot at rotor løfter seg blir liten. Ved begge løftehendelsene er trykkdifferansen mellom innløpstrykket til spiraltrommen og sugerørskonus 200 mVs. Videre undersøkelser viser at en tenkt situasjon med økt innløpstrykk, økt sugerørstrykk og stor volumstrøm er kombinasjoner som gir en større negativ hydraulisk last som virker oppover og fører til mindre margin mot løft ved stasjonær tilstand. Et grovt estimat gjort ut fra resultater i Vannkraftlaboratoriet og målinger fra Duge viser at 52 tonn mer last på rotor, kan gi en sikker drift med god margin mot løft. En løsning for å oppnå dette kan være å øke trykket i spaltevannshulrommet. Med en trykkøkning i øvre spaltevannshulrom på 18 mVs, kan dette gi effekten som trengs i form av økt trykk over flaten i spaltevannshulrommet nedstrøms siste øvre labyrint. Tester i laboratoriet viser positive resultater i form av økt last ved struping av ventil koblet til spaltevannsarrangementet i øvre spaltevann. Struping av ventil på øvre spaltevann er også mulig å gjøre ved Duge. Hvorvidt dette 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 to the lift problems, the powerplant cannot operate at some desired operation points. In order to investigate the axial forces and what affect the forces, experiments were conducted in the Waterpower Laboratory at NTNU in the first part of this thesis, and analyses of field measurements from Duge in the second part. A model was developed in order to calculate and simulate the axial forces acting on the runner. In the Waterpower Laboratory it is possible to measure the axial forces on the turbine. The measurements were used for validation of the simulated axial forces.

A Francis runner and a reversible Francis pump turbine runner are both designed to balance the axial forces in order to ease the load on the thrust bearing. A design goal is a hydraulic axial force that leads to an axial resultant force of 10% of the total rotating mass. Results from measured axial force in the laboratory and calculated axial force from the analytical model were compared. The results from simulations of the axial forces showed some variations on how accurate the model is calculating the forces compared to the measured axial forces. The results from the simulations showed less than 10% difference between simulated and measures axial force at best efficiency point and at over load. At part load the difference between simulated and measured axial force was 15%. All of the simulations showed an overestimated axial force compared to the measured force. The results from the measured axial forces also showed that there 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 Duge power plant were analysed with the aim to investigate what cause the lift. The axial force simulation model was used to see if it is possible to find what triggers the lift of the rotor by use of the measured parameters from the incidents. Analyses of the measured parameters were conducted to investigate the cause of the lift. The results from the simulations show no sign of the lift that happens. From the last lift incident, the results from the simulation show a force acting downwards, corresponding to 30 tons, the moment the rotor lifts. The analyses of the measurements from Duge power plant show that the pressure at inlet and outlet of the runner may be one of the reasons for the lift. At both lift incidents the differential pressure between the inlet of the spiral casing and the draft tube cone is 200 mWc. A situation with high inlet pressure, large volumetric flow and high outlet pressure yield a large negative hydraulic axial force at steady state condition. This leads to a low resultant force acting downwards and risk of lift of the rotor if the resultant force becomes negative. A rough estimate, based on the results from the analyses at theWaterpower laboratory and Duge combined with the theory, shows that with additional 52 tons acting downwards, could give a safe operation when it comes to lift incidents. A solution in order to provide the additional axial force is by increasing the pressure in the leakage water from the upper clearance downstream the labyrinth seal. With an increase of 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 leakage water when it comes to increased total axial force. At Duge the leakage water can be throttled by an existing valve. Further work is needed to validate if this solution can provide the wanted effect and result in a safe operation at all operation points.