Hydraulic Scale Modelling of Pressurized Sand Traps

Abstract

Vannkraftverk har i flere tiår hatt store utfordringer med sedimenter. Hvis disse sedimentene kommer inn i turbinene via ulike kilder, kan det føre til alvorlige skader på turbinen. Dette kan resultere i redusert kraftproduksjon og økonomiske tap. Det finnes flere løsninger for å håndtere disse sedimentene. En av løsningene er den lukkede sandfangeren. Basert på nyere forskning viser implementering av ribber og rake-struktur i den lukkede sandfangeren forbedret fangst effektivitet. Denne avhandlingen fokuserer på testing av hydraulisk skalamodellering av trykksatte sandfangere med ribber og ramp-struktur, og vil undersøke hvordan ulike helningsforhold og ruhetsnivåer påvirker fangst effektiviteten. Sandfanger nr. 3 ved Tonstad kraftverk er tatt som prototype. Fysiske modeller er laget med skalaforhold på 1:100 og 1:200. Disse brukes til å studere fangst effektiviteten under forskjellige helnings- og ruhetsforhold. Basert på resultatene oppnådd, har pleksiglass ruhet med en fallende helning (4°) i 1:100 skalamodellene den maksimale effektiviteten (76,2%), mens sandpapir ruhet under samme helning gir den laveste effektiviteten (66,8%). I 1:200 skalamodellene viser pleksiglass ruhet den høyeste effektiviteten på 21,9%, og skrånende helninger (4°) har effektivitet uansett ruhetsforhold. Dette viser at glatte ruhetsforhold bidrar til å oppnå høyere fangst effektivitet, men mer undersøkelse er nødvendig for å bestemme de optimale helningsforholdene for å oppnå høyere fangst effektivitet.

Hydropower plants have been majorly facing challenges with sediments for decades. If these sediments enter the turbines through various sources, it can cause serious damage to the turbine. This may lead to reduced power production accompanied by economic losses. There are several solutions available to handle these sediments. One of the solutions is the closed sand trap. Based on recent research, the implementation of ribs and ramp structure in the closed sand trap shows improved trap efficiency. This thesis focuses on testing the hydraulic scale modeling of pressurized sand traps with ribs and rake structure and examines how various slope conditions and roughness levels affect trap efficiency. Sand trap no. 3 of the Tonstad power plant have been taken as the prototype. Physical models are made with scale ratios of 1:100 and 1:200. They are used to study the trap efficiency under different slopes and roughness conditions. Based on the results obtained, plexiglass roughness with a declined slope (4°) in the 1:100 scale models have the maximum efficiency (76.2%), whereas sandpaper roughness under the same slope produces the lowest efficiency (66.8%). In the 1:200 scale models, plexiglass roughness shows the highest efficiency of 21.9%, and inclined slopes (4°) have high efficiencies regardless of roughness conditions. This shows that the smooth roughness conditions aid in achieving higher trap efficiency, but more investigation is needed to determine the optimal slope conditions to achieve higher trap efficiency.