Interaction between turbine pressure pulsations and transients in the penstock

Abstract

Utmattingsbrudd er et kjent problem i moderne høytrykks Francisturbiner. Når et løpehjul sprekker, medfører dette store kostnader for både eier av kraftverket og leverandøren av hjulet. Det er dokumentert flere tilfeller av snarlig etter installasjon av nye løpehjul, noe som er bakgrunnen for at forskningsprosjektet «Fatigue Loads in Hydro Turbines ble igangsatt. Denne masteroppgaven bidrar til prosjektet ved å undersøke transienter i komplekse vannveier som er tilknyttet høytrykk Francisturbiner. Tidligere studier har konkludert med at rotor-stator interaksjon er en hovedårsak til sprekkdannelsene i flere høytrykksmaskiner. Transienter generert av rotor-stator interaksjon har derfor vært et hovedfokus i denne oppgaven.

Hovedresultatene i oppgaven kommer fra trykkmålinger som ble gjort på Kvilldal kraftverk. Vannkraftverket består av fire høytrykk Francisturbiner med separate trykksjakter. Trykksjaktene er koblet sammen oppstrøms noe som tillater transienter generert av én turbin til å påvirke en annen. Det komplekse vannveisystemet gjør Kvilldal til et interessant forskningsobjekt med tanke på transienter. Feltmålingene består av totalt 111 måleserier som dekker 34 driftspunkter. Turbinene ble operert manuelt og noen av måleseriene ble gjort med stengte kuleventiler på en eller to turbiner. Plassering av trykkceller oppstrøms de avstengte kuleventilene muliggjorde måling av transienter i trykksjakter som kun var påvirket av de operative turbinene. Transienter relatert til rotor stator interaksjon ble observert ved innløpet til aktive turbiner, men ikke oppstrøms de avstengte kule ventilene.

Målinger ble også gjort på Francisriggen i Vannkraftlaboratoriet på NTNU, mens turbinen opererte under stabile forhold, og resulterte i at bølgehastigheten i trykksjakten ble konstatert. Arbeidet innebar applikasjon av henholdsvis «seismiskinterferometri» og «dekonvolusjonsinterferometri» som postprosesserings teknikker. Det er viktig å kjenne verdien til bølgehastigheten siden den har en sentral rolle i mulig forekomst av resonans i vannveiene. Resonans bidrar til økt belastning på strukturelle komponenter og øker sannsynligheten for utmattingsbrudd.

Numeriske modeller, av vannveiene på Kvilldal og trykksjakten i Vannkraftlaboratoriet på NTNU er også blitt konstruert. De er basert på karakteristikkmetoden. All teori, alle antagelser og beskrivelse av hvordan metoden er implementert er samlet i et eget kapittel. Modellene er i hovedsak brukt til å undersøke trender i spektralanalysen som funksjon av ulike konstanter og variabler, men modellen av trykksjakten i Vannkraftlaboratoriet hadde ogsp en viktig rolle i utviklingen av seismiskinterferometri og dekonvolusjonsinterferometri som postprosesserings teknikker. Resultatene fra måledataene ble sammenlignet med resultatene fra de simulerte dataene hvor bølgehastigheten er en kjent konstant.

Kjennskap til bølgehastigheten er verdifull i designfasen av vannveisystemer hvor det er viktig å minimere risikoen for resonans. Videre arbeid med utvikling av de nevnte postprosesserings teknikkene er derfor å anbefale. Resultatene fra måledataene fra Kvilldal viste ikke bølgehastigheten.

Cracks from fatigue loads are a significant concern in modern high head Francis turbines because the cracks lead to considerable cost for turbine manufacturers and power plant owners. Several cases of developing cracks on runner blades shortly after the runners' operational debut have resulted in the research project called "Fatigue loads in Hydro Turbines". The work presented in this thesis is part of the project and investigate transients in waterways connected to high head Francis turbines through measurements and numerical simulations. Earlier research concludes that rotor-stator interaction is the leading cause of cracks in high head Francis runners. Transients generated by rotor-stator interaction and their ability to cause resonance in the waterways is, therefore, a focus in this assignment.

The main results in this thesis come from measurements conducted at Kvilldal hydropower station, which consists of four High head Francis turbines with separate penstocks. The separate penstocks allow pressure fluctuations generated at one turbine to affect the inlet conditions of other turbines which make the power plant an exciting research object. The turbines were operated manually during the measurements when 111 measurement series were conducted, covering 34 different load combinations. Several of the load combinations involved closed bulb valves. Pressure transducers upstream the closed valves detected transients generated by the draft tube surges at other turbines. Transients related to rotor-stator interaction were observed with small amplitudes in the penstocks close to operational turbines, but not upstream the closed bulb valves.

Measurements performed on the Francis rig in the Hydropower Laboratory at NTNU resulted in the observation of the propagation velocity of transients in the penstock. Application of Seismic interferometry and deconvolution interferometry as post-processing techniques unveiled the propagation velocity during steady-state operation. The propagation velocity of transients has a crucial role in terms of resonance in waterways, which may lead to cracks resulting from fatigue in structural components due to an increase in stress.

A separate chapter presents the creation of one-dimensional models of the waterways upstream the turbines at Kvilldal and the penstock in the Hydropower Laboratory. The models are based on the characteristics method and are used to investigate the behavior of transients. The model of the penstock in the Hydropower Laboratory played a crucial role in the development and validation of seismic interferometry and deconvolution interferometry as post-processing techniques. Results from the measured data were compared against, the model which has a known wave-speed.

Knowing the wave-speed is valuable for designers who try to prevent resonance in power plants. Therefore, further research on how to best apply seismic interferometry and deconvolution interferometry as post-processing techniques are needed. Results were inconclusive when the methods were applied to the data from Kvilldal.