A generic lifetime estimation model for Francis turbines

Abstract

Ettersom mer intermitterende energikilder kobles til strømnettet må Francisturbiner i økende grad tilby balanseringstjenester. Dette fører til at turbinene periodisk opererer i suboptimale konfigurasjoner. Siden Francisturbiner varierer mye i design, er et generisk turbindesign ikke tydelig definert. Med det sagt viser dette prosjektet at 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 laget og videre omgjort til en Functional Mock-up Unit (FMU). Dette ble gjort både for å sikre den videre modellutviklingen og for å muliggjøre modellutveksling. Ved å definere lastintervaller, med tilhørende spenningsamplituder, kan driftsdata brukes til å telle lastsykluser. Miners summering brukte materialspesifikke S-N-kurver for å 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 Monte Carlo-simulering 5000 unike levetidsestimater. Fra levetidsfordelingen var gjennomsnittlig turbinlevetid 36.7 år med et standardavvik på 13.0. Prosjektet ble sett på 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. Videre konkluderer oppgaven med at turbinlevetid kan projiseres fra dette.

As more intermittent energy sources are connected to the grid, Francis turbines increasingly provide grid balancing services. This will cause the turbines to periodically operate in sub-optimal configurations. Since Francis turbines vary greatly in design, a generic turbine design is not clearly defined. The objective of this project was to develop a lifetime estimator for a generic Francis turbine. This project shows that the generalisation of some turbine aspects appears possible. It also showed that extrapolating specific experimental data between different turbines might be justified. A generic fatigue damage model for Francis turbine runners was constructed and compiled into a Functional Mock-up Unit (FMU). This was done both to ensure the continued model development and to enable model exchanges. By defining load intervals, with corresponding stress amplitudes, operating data was used 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 the model was tested on this turbine. Based on the accumulated fatigue from the five years, a Monte Carlo simulation projected 5000 unique lifetime estimations. From the lifetime distribution analysis, the average turbine lifetime was 36.7 years with a standard deviation of 13.0. The major conclusion of this thesis is that a general fatigue damage model of the Francis turbine is possible. By utilising operating history, runner frequency, and S-N curve, the Palmgren-Miner was used to evaluate accumulated fatigue damage and project the expected turbine lifetime.