Pressure Pulsations in Francis Turbines

Abstract

Med innføringen av intermitterende energikilder som sol og vind i energisystemet, og utfasingen av fossile brennstoff, vil Francisturbiner oppleve større lastendringer. Francisturbiner kan endre laster raskt for å balansere forbruk og produksjon av elektrisk energi, i motsetning til vind- og solenergi. Disse endringene i driftslaster forårsaker imidlertid utmattingsbelastninger som kan føre til sprekker i turbinen.

Denne masteroppgaven ser på hvordan man kan bruke trykk- og vibrasjonssensorer for å oppdage sprekker i bladene på løpehjulet til turbinen, spesifikt en turbin med to sprekker i løpehjulet plassert 180 grader fra hverandre. Forsøket ble utført ved Vannkraftlaboratoriet på NTNU, hvor turbinen ble utstyrt med nøye plasserte trykk- og vibrasjonssensorer. Disse sensorene sporet turbinens trykkpulsasjoner under normale forhold, med et vanlig løpehjul, og også når det ble tilført skade på løpehjulet til turbinen for å simulere sprekker.

Dataene samlet fra disse forsøk ble behandlet ved bruk av LabVIEW-programvare og MATLAB, med fokus på analyse både i tids- og frekvensdomenet for å oppdage tegn på sprekker. Forsøket dekket ulike driftslaster for å forstå hvordan sensorene reagerte under forskjellige belastninger. Resultatene viste at trykksensorer er kan brukes til å oppdage sprekker. Imidlertid må det gjøres ytterligere undersøkelser for å avjøre om vibrasjonssensorer kan brukes til å oppdage sprekker.

Målingene fra trykksensoren i frekvensdomenet viste en generell økning i relative trykkamplituder både for løpehjulsfrekvensen i trykksensorer på ledeskovlene og for Rheingans-frekvensen i trykksensorer på sugerørskonusen. Grafene viste også frekvenser lik to ganger løpehjulets rotasjonsfrekvens og dens harmoniske, noe som mest sannsynlig skyldes sprekker i løpehjulet. Frekvenser på én gang løpehjulets rotasjonsfrekvens ble også oppdaget, men de var ikke like dominerende som frekvensene på to ganger løpehjulets rotasjonsfrekvens. Det eneste potensielle beviset fra vibrasjonssensorene var sidebåndene til løpehjulsfrekvensen, med avstander på to ganger løpehjulets rotasjonsfrekvens. Disse kan imidlertid skyldes støy og bør undersøkes nærmere.

I tidsdomenet oppdaget både trykk- og vibrasjonssensorer en økning i trykk- og vibrasjonsamplituder ved sprekker i løpehjulet. Dette var også tydelig ved analyse av peak-to-peak-verdiene. I tillegg viste trykksensorene på ledeskovlene to fall i middeltrykket for hver rotasjon, noe som er bevis på to sprekker i løpehjulet.

Denne tilnærmingen med å bruke begge typer sensorer forbedrer evnen til å oppdage sprekker og hjelper med å utvikle vedlikeholdsstrategier som kan forlenge levetiden og effektiviteten til Francisturbiner. Dette arbeidet, kombinert med tidligere forskning ved NTNUs Vannkraftlaboratorium, kan brukes til å oppdage sprekker i en Francisturbin.

With the introduction of intermittent energy sources like solar and wind to the energy system and the phase-out of fossil fuel energy sources, Francis turbines will experience greater load changes. Francis turbines can change loads rapidly to balance the consumption and production of electrical energy, unlike wind and solar energy. However, these changes in operating loads cause fatigue loads which can lead to cracks in the turbine.

This thesis looks at how to use pressure and vibration sensors to detect cracks in the turbine runner blades, specifically a turbine with two cracked blades in the runner, placed 180 degrees from each other. Experiments were carried out at the NTNU Waterpower Laboratory, where the turbine was fitted with carefully placed pressure and vibration sensors. These sensors tracked the turbine’s pressure pulsations under normal conditions, with a regular runner, and also when damage was artificially added to the turbine runner to simulate cracks.

The data collected from these tests was processed using LabVIEW software and MATLAB, focusing on analysis both in the time and frequency domain to spot signs of damage. The study covered various operating loads to fully understand how the sensors reacted under different stresses. The results showed that pressure sensors can be used to detect signs of cracks. However, further investigation needs to be done to determine if vibration sensors can be used to detect cracks.

The pressure sensor measurements in the frequency domain detected an overall increase in relative pressure amplitudes for both the blade passing frequency in guide vane pressure sensors and the Rheingans frequency in draft tube pressure sensors. In addition, the graphs showed that frequencies equal to two times the runner rotational frequency and its harmonics were detected. These were most likely due to the cracks in the runner. Frequencies of one time the runner rotational frequency were also detected, but they were not as dominant as two times the runner rotational frequency. The only potential evidence detected by the vibration sensors is the sidebands of the blade passing frequency, at distances of two times the runner rotational frequency. However, it is possible that these occurred due to noise and should be further investigated.

Lastly, in the time domain, both the pressure and vibration sensors detected an increase in pressure and vibration amplitudes when there were cracks in the runner. This was also evident when analyzing the peak-to-peak values. Additionally, the guide vane pressure sensors were able to detect two drops in the mean pressure for every rotation, which is evidence of the two cracks in the runner.

This approach of using both types of sensors not only improves the ability to detect cracks but also helps in developing maintenance strategies that can extend the life and efficiency of Francis turbines. This work, when combined with previous work done at NTNU’s Waterpower Laboratory, can be implemented to detect cracks in a Francis turbine.