Modifying a Francis Turbine Model for Mitigating Mechanical Backlash

Abstract

Denne masteroppgaven undersøker mekanisk slark i ledeapparatet på Francis-riggen ved Vannkraftlaboratoriet, NTNU Trondheim. Arbeidet er en videreføring av prosjektoppgaven av Haugum [1], og både numeriske og eksperimentelle analyser er gjennomført for å analysere det eksisterende ledeapparatet. For å oppfylle stabilitetskravet om maksimal slark tilsvarende 1% av maksimalt aktuatorslag, foreslås det også et nytt design av ledeapparatet. Eksperimentelle målinger på det eksisterende systemet avdekket en mekanisk slark på 2,60 ± 0,29 mm, som tilsvarer et gjennomsnitt på 4,15% av maksimalt aktuatorslag. For det nye, foreslåtte designet ble det estimert en slark på rundt 0,56 mm, som tilsvarer 0,9% av maksimalt utslag. Dette anses tilfredsstillende i forhold til stabilitetskravene. Likevel er det imidlertid viktig å ta med i betraktningene at det er flere antagelser involvert i beregningene av estimatet, noe som vil føre til en betydelig usikkerhet knyttet til om det foreslåtte ledeapparatet vil ha en slark som er innenfor stabilitetskravene.

This master’s thesis investigates the mechanical backlash of the guide vane system on the Francis rig at the Waterpower Laboratory, NTNU Trondheim. The work is a continuation of the specialization project by Haugum [1], and both numerical and experimental analyses are conducted to examine the existing guide vane system. Additionally, a new design for the guide vane system is proposed to meet the specified requirement of a total backlash below 1% of maximum actuator stroke length, which should ensure stable governing of the rig. Experimental measurements on the existing system revealed a mechanical backlash of 2.60 ± 0.29 mm, corresponding to an average of 4.15% of maximum stroke length. The suggested new design resulted in an estimated total backlash of about 0.56 mm, equivalent to 0.9% of maximum stroke length, which is deemed satisfactory. However, it is important to acknowledge the presence of several assumptions in the calculations of the estimated backlash, leading to a considerable level of uncertainty regarding the performance of the suggested guide vane system.