A generic lifetime estimation model for Francis turbines
Abstract
Ettersom mer intermitterende energikilder kobles til strømnettet må Francisturbineri økende grad tilby balanseringstjenester. Dette fører til at turbinene periodisk opererer i suboptimale konfigurasjoner. Siden Francisturbiner varierer mye i design, eret generisk turbindesign ikke tydelig definert. Med det sagt viser dette prosjektetat generalisering av noen turbinaspekter er mulig. Videre viser det at ekstrapolering av spesifikke eksperimentelle data mellom forskjellige turbiner rettferdiggjøres. En generisk utmattingsskademodell for Francis løpehjul ble derfor lagetog videre omgjort til en Functional Mock-up Unit (FMU). Dette ble gjort både forå sikre den videre modellutviklingen og for å muliggjøre modellutveksling. Ved ådefinere lastintervaller, med tilhørende spenningsamplituder, kan driftsdata brukestil å telle lastsykluser. Miners summering brukte materialspesifikke S-N-kurver forå lokalisere materialtretthetslevetiden for forskjellige spenningsamplituder. Driftsdata fra Bratsberg kraftverk i Norge ble innhentet, og modellen ble testet på turbinen. Basert på den akkumulerte utmattingen fra de fem årene, projiserte en MonteCarlo-simulering 5000 unike levetidsestimater. Fra levetidsfordelingen var gjennomsnittlig turbinlevetid 36.7 år med et standardavvik på 13.0. Prosjektet ble settpå som en suksess både med tanke på modellen som ble laget, og FMU-byggingen.Prosjektet konkluderer med at driftshistorikk, løpehjulsfrekvens og en S-N-kurve,kan brukes med Palmgren-Miner-regelen å evaluere akkumulerte utmatting. Viderekonkluderer oppgaven med at turbinlevetid kan projiseres fra dette. As more intermittent energy sources are connected to the grid, Francis turbinesincreasingly provide grid balancing services. This will cause the turbines to periodically operate in sub-optimal configurations. Since Francis turbines vary greatly indesign, a generic turbine design is not clearly defined. The objective of this projectwas to develop a lifetime estimator for a generic Francis turbine. This project showsthat the generalisation of some turbine aspects appears possible. It also showedthat extrapolating specific experimental data between different turbines might bejustified. A generic fatigue damage model for Francis turbine runners was constructed and compiled into a Functional Mock-up Unit (FMU). This was done bothto ensure the continued model development and to enable model exchanges. Bydefining load intervals, with corresponding stress amplitudes, operating data wasused to count stress cycles. Miner’s summation was used together with materialspecific S-N curves to locate the material fatigue life for different stress amplitudes.Operating data from the Bratsberg power plant in Norway was acquired, and themodel was tested on this turbine. Based on the accumulated fatigue from the fiveyears, a Monte Carlo simulation projected 5000 unique lifetime estimations. Fromthe lifetime distribution analysis, the average turbine lifetime was 36.7 years witha standard deviation of 13.0. The major conclusion of this thesis is that a generalfatigue damage model of the Francis turbine is possible. By utilising operatinghistory, runner frequency, and S-N curve, the Palmgren-Miner was used to evaluateaccumulated fatigue damage and project the expected turbine lifetime.