Test of a Francis turbine with variable speed operation

Abstract

I disse dager med utfordringer knyttet til frekvens responsen på nettet, kan Francis turbiner ha mulighet til å tilføre mer intermitterende energi på nettet. Dessverre kan løpehjulet oppleve utmatning eller sprekke grunnet økt lastvariasjon. En studie har indikert at et optimalisert design av det tradisjonelle Francis løpehjulet for variabelt turtall kan føre til økt virkningsgrad og gi en jevnere respons til lastvariasjonen. Denne oppgaven fokuserer derfor på en eksperimentell test, eller mer korrekt en modelltest, av et løpehjul designet ved NTNU for variabelt turtall for å verifisere simuleringer. Testen har blitt utført ved Vannkraftlaboratoriet, NTNU. Målinger av virkningsgrad, trykkpulsasjoner, aksiallast og rusing har blitt utført. Modelltesten var i utgangspunktet planlagt og gjennomføres i lukket sløyfe konfigurasjon da dette gir høy løftehøyde og virkningsgrad, og reduserer friksjonsfaktoren. Testen endte opp med å bli fullført i åpen sløyfe konfigurasjon grunnet problemer i lukket sløyfe. Det konstruerte Hill-diagrammet viser at under testen er det noe ustabilitet. Likevel viser diagrammet at rundt bestpunkt, ved 92.46 % virkningsgrad, har løpehjulet et noe bredt arbeidsområde og at diagrammet ser ut til å strekke seg mot konstant ledeskovlsåpning. Den variable turtallskurven i diagrammet gir en indikasjon på hvor den høyeste virkninsgraden er for variabelt turtall og kurven trender mot høyre ved økende redusert volumstrømning. Den målte aksiallasten indikerer at lasten øker raskere mot redusert rotasjonshastighet, noe som kan bli forklart ved at reaksjonsraten endrer seg raskere mot redusert rotasjonshastighet og indikerer økt last på bladene for dette designet. Topp-topp trykkmålinger viser sterke virvelbevegelser i områder langt fra bestpunkt. Spektralanalyse av tre sensorer gjorde det mulig å finne nettfrekvensen, Rotor-Stator-Interaksjonsfrekvensen og løpehjulet sin bladpasseringsfrekvens. Referansemålinger viser et mønster med forandringer i oppførsel til riggen og ingen kjente grunner til dette. Den relative usikkerheten i virkningsgraden er beregnet til +- 0.1122 %. Analyser indikerer at volumstrømssenor har den største påvirkningen for denne usikkerheten.

These days, with challenges concerning the grid frequency, the Francis turbines can be capable of providing opportunities for more intermittent energy into the grid. Unfortunately, the perceived impact for the runner due to a larger load variation may lead to fatigue and cracks of the runner. A review study has indicated that an optimized design of the traditionally Francis runner for variable speed operation (VSO) could have improved efficiency and smoother response to load variation. Therefore, this thesis focuses on the experimental test, or more correct, a model test of a runner designed at NTNU for VSO to verify the simulations. The test has been conducted at the Waterpower Laboratory at NTNU. Measurements regarding efficiency, pressure pulsations, axial load, and runaway speed have been performed. The model test was initially planned to do in a closed loop configuration (CLC) as this will provide high head, reduce the impact of the friction factor, and give the highest efficiency. The test ended up being conducted in an open loop with a lower head due to difficulties with CLC. The Hill-chart constructed shows that there during the test was some instability in the sensors. Despite this, the chart illustrates that around the best efficiency point (BEP) at 92.46 %, the runner has a somewhat broad operating range and that the chart seems to stretch towards constant guide vane opening. The VSO curve in the Hill-chart gives an indication of where the highest efficiency for VSO can be found and is shifting to right from low to high discharge factor. Measured axial load shows that the load has a steeper slope towards a higher speed factor, n_{ED}, which might be explained by reaction ratios changes much faster against n_{ED} and is indicating a higher load at the blades for this design. Peak-peak pressure measurements indicate strong vortices far away from BEP. Spectral analysis of three sensors made it possible to find the grid frequency, RSI, and runner blade passing frequency. Reference measurements show a pattern with changing behavior in the rig and with no known cause. The relative efficiency uncertainty is calculated to be +- 0.1122 %. Analysis indicates that the flow meter has the highest impact on this uncertainty.