Sprekker i løpehjul. analyser, forebygging og erfaringer Bjarne Børresen Technology Manager

Transkript

1 Sprekker i løpehjul. analyser, forebygging og erfaringer Bjarne Børresen Technology Manager

2 A specialist knows more and more about less and less until eventually he knows everything about nothing. A generalist know less and less about more and more until eventually he knows nothing about everything.

3 Rainpower Lab Service Lab/ Lab Fabrikasjon Service Lab Service Norge Mål prototyp virkningsgrad før oppgradering Inspeksjon på anlegg Teknisk analyse og design Presentere resultater fra analyser Produsere nye eller reparere komponenter Sammenstilling og installasjon Av turbin Måle prototyp virkningsgrad etter oppgradering Opplæring av drifts- og vedlikeholdspersonell Etter Før Totalleverandør av hydromekanisk utstyr.

4 Tre utsagn: 1. Turbiner har en endelig levetid 2. Det er en motsetning mellom virkningsgrad og sprekker 3. Med tilstrekkelig informasjon kan forventet levetid beregnes

5 Kort historisk oversikt *) Basert på data for 368 Francis aggregat

6 Kort historisk oversikt *) Basert på data for 368 Francis aggregat

7 Utsagn 1: Turbiner har en endelig levetid

8 Klassisk utmattingsdimensjonering S-N kurven (Wöhler kurve) Antall lastvekslinger til brudd Empiriske data for prøvestykker Avhengi av lastforhold Spenningsforhold: R min max

9 k i i i i i N n Antall faktiske sykler ved en gitt spenningsvariasjon - Antall sykler til brudd ved en gitt spenningsvariasjon i i n i i N Palmgren-Miner regel

10 Bruddmekanikk Empirisk relasjon for sprekkvekst (Paris og Erdogan) da dn C K m Terskelverdi Spenningsintensisteten K I a f g K th

11 Utfordringer S-N kurven viser ikke spredning i utmattingsdata Direkte bruk av S-N kurven angir bare brudd/ikke brudd ikke sannsynlighet for brudd Vanskelig å ta hensyn til ulike materialsammensetninger. Kilde: A Fatigue Assessment Methodology for Notched Components Containing Defects, A. Wormsen (2007)

12 Størrelse teller Forholdet mellom utmattings styrke for to ulike komponenter av ulike størrelse V 0 and V, kan skrives som : K d 1/b 1 V s 0 K W V Kilde: A Fatigue Assessment Methodology for Notched Components Containing Defects, A. Wormsen (2007)

13 Hele driftshistorien må med.. Kilde: Tonstad Unit 1 og 2, Turbine runner stress measurements Norconsult

14 Utsagn 2: Det er en motsetning mellom virkningsgrad og sprekker

15 i j j i ij x u x u y W w L y W P w ~ Virkningsgradstap virkningsgradstap er knyttet til viskøse krefter Kan skille mellom veggfriksjon ( skin friction ) og avløpstap Veggfriksjon: L T innløp

16 Spenninger Avløpstap: Knyttet til tykkelsen på avløpskantent T e og tykkelsen på skovlen T T e Spenning: Kraft/Area F A T L

17 U Ledeskovlkaskaden Tap i spiral og stag er avhengi av vannveiens lengde: Mye spinn ut av spiraltromme Små innløpsvinkler Økt tap i spiral og stag Lite spinn ut av spiraltromme (mer radiell strømning) Større avbøyning av vannet i ledeskovl kaskaden Større hastighetsvariasjon på innløp løpehjul Potensial teori hastigehtsvariasjon ved 0.9 Dp a

18 Utsagn 3: Med tilstrekkelig informasjon kan forventet levetid beregnes

19 Dagens design prosess: statisk Statisk CFD (ulike lastpunkt) Statisk FEA (hydraulisk last + sentrifugalkrefter) Evaluering av design i henhold til material og områdespesifikke kriterier.

20 Dagens design prosess: dynamisk 1) Tidsavhenging CFD for å beregne ledeskovl løpehjulsinteraksjon 2) Beregning av mekanisk egenverdier 3) Sammenlikne egenverdier med kjente påtrykte frekvenser. 4) Estimerer dynamisk spenning fra transient CFD og forsterkningsfaktor.

21 Utfordringer Effekt av vann på egenverdiberegningene ( added mass ) C m f f w a fw egenfrekvens i vann fa - egenfrekvens i luft Empirisk data Cm= Avhenger av svingemønster Stort antall frekvenser

22 Dynamisk forsterkning Beregninger med semi-koblet CFD og FEA viser avvik mellom strekklappmåliger og beregninger. Tar ikke hensyn til dynamisk forsterkning. Mx Cx Kx Gp Hp F s F F F r Kilde: Dynamic stress assessment in high head Francis runners. Yasir Dawood Siwani (2008)

23 Ulike tilnærminger til utmattingsanalyse Tradisjonell: Lokal spenning og en defekt Vanskelig å ta hensyn til sammenstillinger med ulike egenskaper Ingen størrelseseffekt Kilde: A Fatigue Assessment Methodology for Notched Components Containing Defects, A. Wormsen (2007)

24 Influensdiagram

25 Driftsdata God forståelse av driftsprofil viktig for en optimal, sannsynlighetsbasert dimensjonering Arbeidet i AG2 innenfor EBL prosjektet Verdiskapende Vedlikehold vil gi nyttig verktøy for å forstå historisk driftmønster og framtidige endringer av driftsmønsteret som følge av endringer i markedet.

26 Veikart for pålitelighets sentrert beregning Utmatningssprekker i løpehjul, Generell oversikt over levetid basert på belastning og materialfeil H. Brekke (1982) Experimental and theoretical analysis of inlet flow of a Francis Turbine Runner C. Larson (2003) Analysis of non-stationary flow in a Francis Reversible Pump Turbine Runner J. Jernsletten (1995) Fatigue Design of Hydraulic Turbine Runners H-J Huth (2005) 3D Euler + statisk FEA Unsteady flow in wicket gate and runner with focus on static and dynamic load on runner. Ø. Antonsen (2007) A Fatigue Assessment Methodology for Notched Components Containing Defects A. Wormsen (2007) 3D Navier Stokes + statisk FEA Probabilistisk utmatningsanalyser Full transient FEA Koblet FEA (added mass) Transient CFD+ semi-transient FEA Variation of hydraulic pressure in annular space between guide vanes and impeller of a Francis turbine. E. Lund (1966) Analytiske beregninger A scientific therory should be as simple as possible, but no simpler. Albert Einstein idag tid

27 Månelandingsprosjekt

28 Tusen takk!