JAKTEN PÅ MER EFFEKTIVE AGGREGATER GIR NYE PROBLEMER

Transkript

1 Produksjonsteknisk konferanse Gardermoen 10. mars 2009 JAKTEN PÅ MER EFFEKTIVE AGGREGATER GIR NYE PROBLEMER Presentert av Halvard Bjørndal Norconsult AS 1

2 BAKGRUNN Sterkt konkurranse (og prispress) i vannkraftbransjen over mange år har krevd billigere produksjon og mindre prosjekteringstid hos leverandøren Sterkt økede materialkostnader t de senere år har resultert i slankere konstruksjoner for å redusere kostnadene Totalhavari Norconsult har i de senere år erfart at faktorer som sjelden ga problemer tidligere nå har gitt havari eller alvorlige driftsproblemer Vi vil her fokusere på: Sprekker i Francis hjul (spesielt høytykk) Manglende stivhet i lager/innfesting 2

3 DIMENSJONERING AV FRANCIS TURBINHJUL Kunnskapen og programmene for strømningsberegning (CFD) hos de større turbinleverandørene gjør at man nå beregner stasjonær strømning i optimalt driftspunkt med meget god nøyaktighet Moderne løpehjul har liten trykkgradient mot avløpet av skovlene for å bedre kavitasjonsegenskapene, dette gir liten trykkdifferanse og belastning på skovlen i dette området For å øke virkningsgraden ønsker man å ha så tynn skovl som mulig Beregnet optimal trykkfordeling over skovlene blir benyttet som inngangsparameter i FEM- programmene for å beregne spenningene i løpehjulet Ved å optimalisert geometrien kan man teoretisk vise lave statiske spenninger, selv med en svært tynn skovl mot avløpet Dette forutsetter imidlertid en ideell turbin uten trykkpulsasjoner! 3

4 TRYKKPULSASJONER I FRANCIS TURBINER Det er to hovedtyper: Trykkpulsasjoner fra interaksjonen mellom ledeapparat og innløpet av løpehjulet (spesielt høytrykksturbiner) Trykkpulsasjoner fra ustabile strømningsforhold i sugerøret under kjøring på dellast (spesielt lavtrykksturbiner) Trykkpulsasjonene går gjennom hele skovlkanalen og gir vekslende spenninger i løpehjulet 4

5 TRYKKPULSASJONER VED INNLØPET AV LØPEHJULET Hver gang en skovl i løpehjulet passerer en ledeskovl oppstår det en trykkpuls Pulsasjonene er høyfrekvente (antall ledeskovler * turtall) og amplituden er avhengig av flere forhold som: Vannhastighet (fallhøyde/last) Avstand ledeskovl/løpehjul Geometri på ledeskovl og innløp løpehjulskovl I tilegg vil trykkpulsasjonene forplante seg i omdreiningshulrommet mellom ledeapparat og løpehjul og man kan få hydraulisk resonans med betydelig økt pulsasjonsnivå Dette er komplekse forhold med betydelig usikkerhet og det utføres mye forskning på dette tema både på universiteter og hos leverandører Trykkpulsasjoner mellom ledeapparat og løpehjul 5

6 USTABILE STRØMNINGSFORHOLD O I SUGERØRET Fenomenet er mest framtredende på lavtrykksturbiner t og skyldes uheldig geometrisk utforming av løpehjul, sugerør eller kombinasjonen mellom dem Opptrer under kjøring på dellast Pulsasjonene er lavfrekvente Hvis pulsasjonene har samme frekvens som en hydrauliske resonans kan det oppstå betydelige svingninger i vannveien Løpehjul A n 11 = 60 Løpehjul B n 11 = 82 k] al spenningsvidde relativ til statisk spenning [ - peak - peak Maksim maksimal s g svidde Relativ maksimal spenning [ - peak - p eak] Løpehjul A Strekklapp trykkside Strekklapp sugeside Last [%] Løpehjul B Strekklapp trykkside Strekklapp Sugeside Last [%] 6

7 DYNAMISKE SPENNINGER I SKOVLENE Trykkpulsasjonene gir vekslende spenninger i løpehjulet l Dette kan gi utmatting og sprekker hvis spenningsamplitudene p blir høye nok, spesielt hvis man har høye egenspenninger i hjulet I de fleste tilfeller er det en direkte sammenheng mellom trykkamplituden og spenningsamplituden (tvungen svingning) spenningen er kun en funksjon av geometri, tykkelse og trykkamplitude Hvis en egenfrekvens i løpehjulet har samme frekvens som trykkpulsasjonene kan man få meget høye spenningsamplituder på grunn av mekanisk resonans Sprekker i skovler Bildene er hentet fra: Dynamic Assessment of Hydraulic Turbines, André Coutu, HydroVision

8 EGENFREKVENSER Egenfrekvensene til løpehjulet i luft kan beregnes med stor nøyaktighet ved hjelp av FEM analyser Forsøk med å senke løpehjulet ned i vann viser også god samsvar med beregninger av vannets innvirkning added mass effekt Når løpehjulet monteres i turbinen blir forholdet komplisert ved at vannmengden omkring løpehjulet er begrenset og stivheten til lokkene har også påvirkning i Beregning av løpehjulets egenfrekvens under drift har derfor betydelig usikkerhet Egensvingeformer 8

9 PRODUKSJONSTEKNOLOGI Høyere materialutnyttelse og spenninger gir mindre toleranser for støpe og sveisefeil kritisk sprekkstørrelse blir svært liten Overgang fra valsede plater til støpegods i skovlene for Francisturbiner har medført fare for innebygde støpefeil Løpehjul leveres nå vanligvis i 13-4 stål, dette er noe vanskeligere å sveise og er sprøere enn 16-5 som ble brukt tidligere dette øker produksjonskravene Høytrykkshjul har lange og trange skovlkanaler det krever meget kvalifiserte sveisere De store løpehjulsverkstedene l produserer flest mellom- og lavtrykkshjul l fokus på produksjonsteknologi for høytrykkshjul var sterkere hos de verksteder som var spesialisert på dette tidligere NB! Verkstedet får ofte urettmessig skylden for havari også når hovedårsaken er underdimensjonering 9

10 MANGLENDE STIVHET I LAGERINNFESTINGER Normale krav til dimensjonering av vannkraftaggregater (generator og turbin) er at første kritiske turtall skal ligge minst 25% over maksimalt ruseturtall (ca % over driftsturtallet) Vi ser stadig oftere at dette ikke overholdes og har opplevd kritisk turtall ned mot driftsturtallet Dette gir betydelige problemer med lagre og vibrasjon og kan i verste fall gi totalhavari av aggregatet t dette er derfor ikke akseptabelt Årsaken er som oftest mangelfull stivhet i lagerinnfestingen g (lagerstruktur, kryss og generatorhus) Vibrasjon Vibrasjon ved resonans Resonans Normal ubalanse Turtall (RPM) 10

11 BEREGNING AV KRITISK TURTALL Vi ser ofte at leverandørens beregning av kii kritisk kturtall er forenklet og bare omhandler akselsystemet og en antatt lagerstivhet lagerinnfestingen tas ikke med i beregningen 1.0 Dette medfører at kritisk turtall i virkeligheten er 0.8 mye lavere enn hva de forenklede beregningene viser Lagerinnfestingen bør minst være 5 ganger 0.4 stivere lageret 0.2 Det må forlanges at leverandørene utfører reelle beregninger av lagre og lagerinnfestinger Varierende stivhet i lagerinnfesting Driftsturtall Rusing Turtall (RPM) 11

12 SPESIELLE FORHOLD OMKRING KOMPAKTGENERATORER Horisontale kompaktgeneratorer masseproduseres og er normalt konstruert for bruk som skipsgeneratorer e.l. Som vannkraftgeneratorer i småkraftverk medfører det noen tilleggskrav: Ruseturtall kun vannkraft har problemer med overturtall - gir økte spenninger i roterende deler og fare for resonans Aksiallager løpehjulet kobles normalt direkte på generatorakselen og gir betydelig aksialkraft Svinghjul - dimensjonere for økt belastning i lagrene Leverandøren må dokumentere at disse forholdene er ivaretatt, hvis ikke får man en underdimensjonert generator 12

13 OPPSUMMERING Moderne beregningsverktøy gir mulighet for slankere konstruksjoner uten for høye lokale spenninger Dette gir mindre marginer mot uforutsette effekter, beregningsfeil og materialfeil, noe som stiller høyere krav til at man har oversikt over alle statiske ti og spesielt dynamiske belastninger Tradisjonell dimensjonering ga tunge konstruksjoner med betydelig stivhet kontroll av tilstrekkelig stivhet er nå blitt et selvstendig dimensjoneringskriterium i it i Høyere materialutnyttelse stiller større krav til materialkvalitet og fabrikasjon Dette gir store muligheter, men også større krav til kompetanse hos leverandørene Uavhengig kontroll av leveransen er blitt mer komplisert og stiller høyere krav til kompetanse. De gamle håndformlene holder ikke lenger 13