NORCONSULT OM FRANCISTURBINER

Tynnere francisturbiner øker havarifaren

Høyere materialutnyttelse gjør at det skal lite til før en sprekk i en francisturbin får store konsekvenser.

 

 

Som Teknisk Ukeblad tidligere har skrevet, var det resonans på en egenfrekvens i strømningen gjennom turbinen som stoppet det nye Svartisen-aggregatet (250 MW) i fjor.

Problemet med høytrykks francisturbiner som sprekker har vært at lastvariasjonene har vært for mange og for store, noe som gir høye spenninger og utmatting.

Løpehjulene kan da sprekke veldig raskt.

– Vannet beveger seg 40–50 meter i sekundet når det går inn i turbinen, forteller leder for Norconsults maskinseksjon, Halvard Bjørndal.

Les også: Løpehjulet sprakk i Svartisen

Trykkpulsasjoner

Hver gang en skovl i løpehjulet passerer en lede­skovl som styrer vannet inn på hjulet, det vil si 200 til 250 ganger i sekundet, skapes det trykkpulsasjoner.

Trykkpulsasjonene gir vekslende spenninger i løpehjulet. Dette kan gi utmatting og sprekker hvis spenningsamplitudene blir høye nok, spesielt hvis man i tillegg har høye egenspenninger i hjulet.

Gamle generatorer gir gylne tider for leverandørene

Rivende utvikling

Hvis en egenfrekvens i løpehjulet har samme frekvens som trykkpulsasjonene, kan man også få meget høye spenningsamplituder på grunn av mekanisk resonans.

– Utviklingen i kunnskapen på dette området har vært rivende de siste årene. Omslaget hvor de nye metodene og det nye store teknologiskiftet kom, var mellom 1995 og 2005. Da fikk man mye bedre strømningsberegninger og kunnskap om spenningsfordelingen i løpehjulet. Den nye kunnskapen har nå ført til at man har slanket konstruksjonene og laget smekrere løpehjul, slik at virkningsgraden økes og kostnadene redu­seres, sier Bjørndal.

Ulempen er at konstruksjonen har blitt mer følsom for dynamiske påkjenninger.

Les også: Etterlyser nasjonal kraftdugnad

Innebygde støpefeil

Bjørndal påpeker at høyere materialutnyttelse og spenninger gir mindre toleranser for støpe- og sveisefeil. Da blir kritisk sprekkstørrelse svært liten. Dessuten har overgang fra valsede plater til støpegods i skovlene for francistur­biner ført til fare for innebygde støpefeil.

Høytrykkshjul har dessuten lange og trange skovlkanaler, noe som krever meget kvalifiserte sveisere. De store løpehjulsverkstedene produserer flest mellom- og lavtrykkshjul. Erfaringen med produksjonsteknologi for høytrykkshjul var sterkere hos de verkstedene som var spesialisert på dette tidligere, ifølge Bjørndal.

Han understreker imidlertid at verkstedene ofte urettmessig får skylden får havari når hoved­årsaken er underdimensjonering.

Les også: Millimeterpresisjon gir mer kraft

Unøyaktig beregning

Problemet er ifølge Bjørndal at man med dagens kunnskap og beregningsverktøy ikke har nøyaktige beregninger av trykkpulsasjoner og strømningsvirvler som gir utmattingsbelastninger i løpehjulene.

Dimensjoneringen av dette gjøres i all hoved­sak på grunnlag av empiriske data hos hver enkelt leverandør, og detaljene omkring dette er normalt ikke tilgjengelig for kraftselskapene og konsulentene.

Les også: Slik kan Norge forsyne Europa med energi

Strekklapper på bladene

Norconsult har derfor utviklet utstyr og meto­dikk for å kunne måle belastningen på løpehjulet under drift, både statiske og dynamiske påkjenninger, for slik å kunne verifisere at belastningene er akseptable og avdekke eventuelle ugunstige driftsområder.

– Selskapet har utført slike målinger siden 1997 i Norge, USA og Asia og har dermed fått unike kunnskaper om hvordan spenningene varierer mellom ulike løpehjul fra flere leverandører. Svartisen er siste anlegg hvor vi utførte denne type målinger, sier Bjørndal.

Han forteller at selskapet limer strekklapper direkte på bladene i løpehjulet for å måle spenningene, og dekker både strekklapper og kabel med vanntett spesialepoksy. I tillegg monterer selskapet trykksensorer inne i løpehjuls­kanalene.

Sensorene kobles opp mot en vanntett forsterker og datalogger med innebygd batteri som plasseres i sentrum av løpehjulet. Ved å kjøre turbinen under forskjellige laster, mens man foretar kontinuerlige målinger, får man oversikt over belastningsvariasjonene. Måleresultatene sammenlignes så mot beregningene utført av leverandøren.

Les også:

– Kun fem nordmenn kan designe en generator

Vil ha større vannkraftverk

Kaprer mer vind med ny turbin 

Vil ha mer kraft fra peltonturbinene