Turbiner som sprekker

Uforklarlige sprekker i høytrykks francis-løpehjul som gjør at de havarerer, har skapt hodebry for turbinprodusenter og kraftverkseiere. Nå får de hjelp av forskere til å løse mysteriet.

Av Stein Arne Bakken i Fagbladet Energiteknikk. Innlegget er hentet fra forskningsbilaget om vannkraftforskning og HydroCen som utkom i mars 2017

Bruk av nye designmetoder gjør at disse turbinene er blitt produsert med mindre stål og tynnere skovler. Løpehjulene er mindre stive og har begynt å vibrere som følge av trykkreftene i vannet. Det kan forklare sprekkdannelser i enkelte løpehjul.

– Vi har dette som en hypotese når vi gjennom FoU-prosjektet HiFrancis forsøker å avdekke hvorfor dette skjer og gi leverandørene et teoretisk grunnlag for å finne frem til et design som motvirker sprekkdannelser, sier professor Ole Gunnar Dahlhaug på Vannkraftlaboratoriet ved NTNU i Trondheim.

Dahlhaug er prosjektleder for HiFrancis (High Head Francis Turbines). Med et budsjett på over 25 millioner kroner over fire år er dette det største FoU-prosjektet som har vært på Vannkraftlaboratoriet/Institutt for energi og prosessteknikk. HiFrancis inngår i HydroCens portefølje av prosjekter.

Samtlige turbinleverandører

12 millioner kroner kommer fra Norges forskningsråd, resten fra bransjen. Kraftselskapene, med Statkraft i spissen, er naturlig nok opptatt av at det forskes frem ny kunnskap om årsaker og løsninger på problemet med sprekker i francisturbiner.

Samtlige leverandører av løpehjul der det er oppstått sprekker, er deltakere i prosjektet. Dahlhaug poengterer at de skal forske frem forståelse for den grunnleggende fysikken som ligger bak. Denne kunnskapen skal være åpen for alle, også de konkurrerende leverandørene, slik at disse kan gjøre beregninger for design av løpehjul som ikke fører til høye trykkpulsasjoner, resonans og sprekkdannelser.

300 høytrykksturbiner

Den kommersielle delen, som går ut på å utvikle programvaren for analyser og simuleringer, er skilt ut som et eget FoU-prosjekt, High Head Francis – FSI Toolkit, som blir gjort av ERD Medeso.

Ifølge Dahlhaug er det om lag 300 høytrykks franscisturbiner i verden for fallhøyder over 300 meter. Norge har 122 turbiner i denne kategorien med samlet effekt på 13.622 MW.

Utbredt problem

Statkraft har opplevd sprekkdannelser i francis-løpehjul som er blitt installert i kraftverkene Svartisen, Vinje, Eriksdal og Sønna.

I Driva kraftverk, som TrønderEnergi eier, havarerte de nye løpehjulene etter kort tid.

Også Otra Kraft fikk sprekkdannelser i løpehjul i Brokke kraftverk, det samme opplevde E-CO Energi i Hol1.

Professor Dahlhaug forteller at flere av sprekkene oppstår på løpehjul som er produsert de siste femten årene, kort tid etter at de er installert. Derfor må man se nærmere på design av nye løpehjul. Tidligere måtte turbinkonstruktørene «ta godt i» for å være på den sikre siden. Det siste tiåret er det utviklet stadig mer avanserte numeriske beregningsverktøy som gjør det mulig å treffe mer nøyaktig i dimensjoneringene av løpehjulene.

Samtidig er det kommet bedre stålkvaliteter. Det blir brukt mindre stål i de nye løpehjulene, de er blitt tynnere og lettere.

Resonans i løpehjulet

Dette har ført til at egenfrekvensen har endret seg. Hver gang skovlen på løpehjulet passerer en ledeskovl, så oppstår det en trykkpulsasjon. Frekvensen på denne pulsasjonen er turtallet multiplisert med antall ledeskovler. Dersom denne frekvensen er lik egenfrekvensen på løpehjulet, så får vi resonans.

– Løpehjulet blir utsatt for svære trykkrefter når vannet treffer skovlene. Når løpehjulet ikke lenger er like massivt som før, men er blitt mykere, vil disse pulserende trykkreftene forårsake bevegelser – vibrasjoner – i løpehjulet. Vibrasjonene i løpehjulet vil igjen påvirke vannet, og dermed oppstå det vi kaller fluid-struktur-interaksjon mellom bevegelsene i løpehjulet og i vannet. Disse kreftene kan til sammen forårsake sprekkdannelser, forklarer Dahlhaug.

– Hovedoppgaven fremover er å forstå fysikken i fluid-struktur-interaksjonen. Bare da kan vi forenkle geometrien og redusere den enorme mengden data, slik at det blir overkommelig å gjennomføre simuleringer, sier lederen for HiFrancis-prosjektet.

Dette blogginnlegget ble opprinnelig publisert 30.06.2017 på www.ntnutechzone.no