Development of a Francis Turbine Test Rig at Kathmandu University

Abstract

Nepal har et stort potensial for vannkraft som ikke er utnyttet. Denne masteroppgaven er en del av det langvarige samarbeidet mellom Kathmandu University (KU) og Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) for å utvikle en lab for testing av vannturbiner, kalt Turbine Testing Lab (TTL). Målet for laben er å kunne utføre tester i henhold til standardene i IEC60193. Målsetningen for denne oppgaven er å utvikle et målesystem for aksiell last og friksjonsmoment som skal installeres på TTL. Enheten er en del av bæreblokken og den måler krefter med strekklapper. Hovedutfordringen er at tøyningene forårsaket av aksiell last er mye større enn tøyningene forårsaket av friksjonsmoment.

To design er undersøkt. The første designet har blitt testet eksperimentelt, kalibrasjonsligninger er funnet og en usikkerhetsanalyse er utført. Det ble bekreftet at kalibrasjonsligningene for aksielle krefter og friksjonsmoment ikke kan være funksjoner av de samme strekklappene fordi usikkerhetene da blir for store. Som et resultat av lærdommen av arbeidet på det første designet, er et forbedret design utviklet. Dette andre designet er den anbefalte versjonen å installere på TTL. Numeriske analyser gir grunn til å tro at strekklappene vil gi målinger som gir kalibrasjonsligninger som er uavhengig av hverandre. Dette vil senke usikkerhetene drastisk. Et kompendium som akkompagnerer det endelige designet er også skrevet for å lette fullføringsprosessen.

Nepal has great potentials for hydropower that is not yet utilized. This Master’s thesis is a part of the long-standing collaboration between Kathmandu University (KU) and Norwegian University of Science and Technology (NTNU) to develop a Turbine Testing Lab (TTL). The goal of the lab is to perform hydropower research within the standards of IEC60193. The objective of this thesis is to develop an axial load and friction torque measuring device to be installed at TTL. The device is a part of the bearing block and is measuring the forces with strain gauges. The main challenge is that the strains caused by the axial load are much bigger than that caused by friction torque.

Two designs have been investigated. The first design has been experimentally tested, calibration equations have been obtained, and uncertainty analysis has been performed. It is found that the calibration equations for the axial load and friction torque should not be functions of the same strain gauges, as the uncertainties become too high. As a result of the insight obtained during the work on the first design, an improved design is developed. This second design is the recommended version to install. Based on numerical analysis, the output from the strain gauges should be such that the final calibration equations are not related, meaning they are functions of one strain gauge set each. This will lower the uncertainties drastically. A compendium that accompanies the final design to ease the process of completion has been made as part of this thesis.