| dc.description.abstract | Verden har gjennom Parisavtalen i 2015 og senere den oppdaterte Glasgowavtalen i
2021 blitt enig om å fase ut kullkraft. I tillegg til et større forbruk med store variasjoner,
er det et behov for å bygge ut fornybare energikilder. Sol og vindkraft er i dag
sett på som en av de viktigste uutnyttede kildene. Utfordringen for disse fornybare
energikildene er at de kun kan produsere strøm når det henholdsvis er sol og vind.
Vannkraft er sett på som en fornybare kilde som kan komplettere energiproduksjonen
og i teorien produsere for å dekke behovet. Det betyr at vannkraft må brukes
mer på ugunstige driftspunkter og det vil være mer start og stopp. Dette reduserer
levetiden til aggregatene. Det internasjonale samarbeidsprosjektet HydroFlex, støttet
av EU har som mål å utvikle verktøy og undersøke løsninger for mer ugunstig
drift av vannkraft. Vannkraftlaboratoriet ved NTNU er en samarbeidspartner som
står for blant annet de fysiske testene og validering av de numeriske beregningene
som er gjort.
I denne masteroppgaven har det blitt gjennomført en modell test i henhold til
standarden IEC60193 for nye ledeskovler designet av PhD kandidatene Filip Stojkovski
og Marija Lazarevkj. Nevnte ledeskovler er laget for å validere de numeriske
beregningene og videreutvikle et verktøy for design av ledeskovler for større
variabel drift av francis turbiner.
Vannkraftlaboratoriet ved NTNU har gjennomgått en større oppgradering med bytte
ut generator, ventiler og samtidig designet nytt kontrollprogram. Etter oppgraderingen
ble gjennomført en referanse modelltest skulle gjennomføres for å sjekke at
riggen oppførte seg som forventet/før oppusingen. Testen viste at riggen oppførte
seg normalt, men det nye målesystemet hadde en for høy usikkerhet. Dette ble løst
ved å øke måletiden.
De nye ledeskovlene har blitt designet feil. Dette ble løst ved å bygge opp låseringen
med et gammelt sagblad.
Modelltesten av de nye ledeskovlene viser en reduksjon i virkningsgrad på beste
virkningsgrads punkt fra 92.5% med gamle ledeskovler til 90.7% med nye. De nye ledeskovlene har endret åpningsmønster slik at ledeskovlene må åpnes mer for å
slippe like mye vann inn i turbinen. Dette diskuteres som mulig årask til virkningsgradreduksjonen,
da endret vinkel kan endre hastighetstrekantenen og dermed redusere
hastighetskomponenten i innløp beskrevet i Eulers turbinligning. Den endrede
vinkelen kan også skape ujevn strøm og separasjon på trykksiden av turbinbladene.
To av ledeskovlene har vært instrumentert med strekklapper på ledeskovlakslingene
for å måle moment. Disse viser at det er høyeste momentet er ved lavest
massestrøm, og synker når vannmengden øker. Momentet snur aldri vei og har
dermed ingen nullpunkt. Dette vil ved en driftsstans i servoen som kontrollerer
ladeapparatet resultere i at ladeapparatet vil søke der det er lavest moment, som er
ved full åpning.
Modelltesten har blitt gjennomført etter IEC60193 og resultatet viser ledeskovlene
ikke leverer like godt som referanseledeskovlene. Det er høy usikkerhet som skyldes
lav prøvetakningshastighet. Resultatene vil kunne brukes til å validere numeriske
bergeninger og vidreutvikling av designverktøyet for ledeskovler. | |
| dc.description.abstract | The world has through the Paris Agreement of 2015 and the later updated Glasgow
Agreement in 2021 agreed on out-phasing coal power. So in addition to an
increased demand for variable power in the future, there is a need to increase the
capacity of renewable energy sources. Solar and wind power are considered the
two key unharvested energy sources. However, the challenge with these two energy
sources is that they are dependent on the weather, and are not able to provide
power on-demand. Hydro power is on the hand capable doing exactly that, and
is therefore considered as a viable renewable energy source that can fully complement
the solar and wind power. Though this means that hydro power needs to be
installed in places where conditions are sub-optimal, and operations are more variable.
Such variable operation deteriorates the various elements of a hydro power
turbine, and consequently reduce the lifetime. The international collaborative project
HydroFlex, supported by EU, has as its purpose to develop tools and research
solutions for operating hydro power plants at sub-optimal places. The Waterpower
Laboratory at NTNU is one of the collaborators of the project, and is responsible
for the physical tests and the validation of the numerical simulations.
In this masters thesis a model test of the new guide vanes has been conducted according
to the IEC60193 standard. The new guide vanes are designed by PhD
candidates Filip Stojkovski and Marija Lazarevikj, who has tried to design guide
vanes that perform better for variable operation of Francis turbines. Prior numerical
simulations had shown promising results.
The Waterpower Laboratory at NTNU has been through an extensive refurbishment,
where generator and valves have been replaced, and a new control program
has been developed. After the refurbishment a reference model test were made to control for any effect it may have had on the results. The test revealed no noticeable
changes apart from the new logging system showed a too high uncertainty.
This was solved by increasing the sampling time.
The new guide vanes has a design fault as they were 0.77 mm too high. An attempt
to solve this was made by expanding the lock ring using an old band saw blade.
The model test of the new guide vanes shows a 2 % reduction in efficiency at best
operating point from 92.5 % to 90.7 % when compared to the old ones. The new
guide vanes has a different opening pattern, which means that they have to open
more, to allow for the same amount of discharge. The increased opening angle
affects the velocity triangle, and thereby reduce the velocity at the inlet as given
by Eulers turbine equation. Additionally, the changed angle may give rise to disturbances
and create flow separations on the pressure sides of the turbine blades.
Combined these may be explain the 2 % reduction in efficiency.
Two of the guide vanes has been instrumented with strain gauges to measure the
torque on their shaft. These shows that the maximum torque point is at the lowest
flow rate, and is reduced as the discharge increases. The torque never changes
direction and has therefore no zero points. Consequently, in a case of a servo
failure, the guide vanes will seek to a full opening angle, as this is the point with
least torque.
The model test of the new guide vanes was also conducted according to the IEC60193
standard. Results show that these new guide vanes leads to worse efficiency compared
to the old ones. However, the results are highly uncertain, mainly due to low
sampling rate of the new system installed after the refurbishment of the laboratory.
Nonetheless, the results can be used to validate the numerical simulations and
further develop design tools for guide vanes. | |
