| dc.description.abstract | En økende mengde ikke-regulerbare energikilder på strømnettet og høy priskonkurranse på elektrisitet, har ført til endrede driftsstrategier for vannkraftverk de siste årene. Vannturbiner opereres i større grad utenfor deres beste driftspunkt, med raske lastendringer og hyppigere stanser og oppstarter. Dette utsetter turbinene for større dynamiske belastninger og øker risikoen for utmattingskader og havari. Spesielt Francisløpehjul har utfordringer knyttet til dette hvor både nye og eldre løpehjul har begynt å vise tegn på tretthetssymptomer, i hovedsak gjennom sprekkdannelse. Det er utfordrende med dagens overvåkningssystem å identifisere sprekker på løpehjul under drift, og større sprekkdannelser blir derfor oftere avslørt under rutineinspeksjoner ved stans, som krever tid og betydelige økonomiske ressurser å reparere. Metoder for å overvåke sprekkdannelse under drift er derfor av økende interesse.
I denne oppgaven har det blitt undersøkt hvordan en typisk feilmekanisme på et Francis modell løpehjul kan identifiseres ved hjelp av målinger under drift. Testene har blitt utført på Francisriggen på Vannkraftlaboratoriet på NTNU. En tenkt realistisk sprekk har blitt gjenskapt manuelt på avløpskanten på et av bladene, i krysset mellom ringen og kanten. Sprekklengden økte i flere steg, langs en semi-elliptisk kurve innover i bladet, og resulterte i et løsrevet bruddstykke. Trykksensorer og akselerometre ble installert på turbinen, og stasjonære målinger for ulike driftspunkt og ulike fallhøyder ble gjennomført for hvert steg. Ved å analysere dataen i tid og frekvensdomenet ble det undersøkt hvordan trykk- og vibrasjonssignaturene endret seg med sprekkutviklingen.
Resultatene avslørte en endring i trykksignaturen etter at bruddstykket ble fjernet. I tidssignalet ble det observert en lokal trykkreduksjon for hver løpehjulsrotasjon sammenlignet med tidligere sprekksteg. Trykkreduksjonen viste seg å øke med driftspunkt, men forble uendret med økende fallhøyde. En kombinasjon av lokale strømningseffekter i kanalen, og en omfordeling av belastningene på det ødelagte bladet, antas å være årsaken. Fra frekvensanalysen ble det observert en tydelig økning i amplituden til rotasjonsfrekvensen, trolig som følge av en økt hydraulisk ubalanse skapt av det ødelagte bladet. I vibrasjonssignaturen ble det identifisert en økning i sidebånd rundt bladpasseringsfrekvensen. Hverken trykk eller vibrasjonssensorene målte noen tydelige endringer under selve sprekkdannelsen før bruddstykket ble fjernet.
Basert på de observerte resultatene har overførbarheten til prototyper blitt diskutert. | |
| dc.description.abstract | The recent entry of intermittent energy sources on the grid in the regime of a market-driven electricity production, necessitates new operational strategies for hydropower production. Hydraulic turbines are more frequently being operated outside their optimal operating range, with rapid load changes and more starts and stops. The flexible pattern of operation, exposes the turbine to higher dynamic loads and increases the risk of fatigue damage. Especially fatigue crack growth is a concern for Francis runners, and both new and old runners have experienced problems related to this the past years. However, it is challenging to detect cracks during operation with the current monitoring system, based on measuring vibrations of stationary parts. Hence, routine inspections during production stop often reveal cracks of critical sizes, which are costly to repair and require additional downtime. New methods for monitoring the appearance of cracks during operation are therefore of interest.
This thesis has investigated how a typical fault occurring on a Francis model runner can be identified during operation. The measurements have been performed on the Francis turbine test rig at the Waterpower Laboratory at NTNU. A crack was manually created on the trailing edge of one runner blade, in the t-joint between the blade and the shroud. To simulate a real situation of a fatigue crack growth, the crack length was extended in stages following a semi-elliptical path, and resulted in a fully realised shark-bite shaped fragment being cut out of the blade. The turbine was instrumented with several pressure sensors and accelerometers, and steady-state measurements were conducted for different operating points and heads between each stage. By analysing the data in the time and frequency domains, the changes in pressure and vibration signatures with crack development were investigated.
The results revealed a change in the pressure signature after the fragment was detached from the blade. In the time series, a local reduction in static pressure occurred for each runner revolution, in accordance with the damaged blade. The pressure reduction increased with higher loads, but remained unaffected by the head. A combination of local flow effects in the channel and a redistribution of the loads of the damaged blade, is believed to be the cause. In the frequency spectra, a rapid increase in the amplitude of the rotational frequency occurred, probably a consequence of a hydraulic imbalance caused by the damaged runner. The vibration sensors did not capture any change in overall vibration levels, whereas in the frequency spectra, an increase in side-bands around the blade passing frequency occurred. Neither the pressure nor the vibration sensors measured any obvious changes during the crack growth, before the fragment was detached.
Based on the observed results, the transferability to a prototype has been discussed. | |
