1 Økning av operasjonsområde og virkningsgrad på vannturbiner ved bruk av vanninjeksjon i sugerør Håkon Hjort Francke 16.11.21
2 Innhold Bakgrunn og motivasjon Teori og hypotese Måleoppsett og resultater fra laboratoriet Måleoppsett og resultater fra feltmålinger Oppsummering, konklusjon og videre arbeid
3 Francis-turbinen - Francis-turbinen er den vanligste turbinen i Norge i dag -Problemer utenfor designpunkt pga fast turtall og løpeskovler - Spesielt store problemer på dellast [Tilstandskontroll av vannkraftverk, 1994]
4 Problemer på dellast Problemområde
5 Bakgrunn og motivasjon Forhold som må møtes av turbinen - Fleksibilitet (driftsentralen) - Konsesjonsbetingelser Drift i dellastområder ønskelig Konsekvenser - Vibrasjon/kavitasjon -Tapt vann (Minste pådrag > minstevannsføring) - Start/stopp kostnader
6 Motivasjon Forbedring med strømningskontroll 1. Utvide turbinens driftsområde økt fleksibilitet t 2. Påvirke virkningsgraden
7 Innhold Bakgrunn og motivasjon Teori og hypotese Måleoppsett og resultater fra laboratoriet Måleoppsett og resultater fra feltmålinger Oppsummering, konklusjon og videre arbeid
8 Dellast-virvel -Vortex breakdown -Rotasjon med høy energi -Blir synlig ved kavitet (lokalt lavt trykk) -Roterende lavtrykk -Masse-fjær oscillasjon f surge f n [ Hz ] 3.6 Rheingans [19], 194
9 Dellast-virvel Konsekvenser Vibrasjoner/kavitasjon it j Massesvingninger Surge Dårlig utnyttelse av sugerørstverrsnittet
1 Dellast-virvel - Fører til dårlig utnyttelse av sugerørstverrsnittet - Tilbakestrømning i senter av sugerøret Vortex rope Backflow Ineffective use of cross-sectional area Kjeldsen [18]
11 Hypotese Vanninjeksjon Vanninjeksjon j i sugerøret - Injisere vann vha dyser - Motvirke spinn og tilbakestrømning Vanninjeksjon - Reduserer trykkpulsamplitudene og vibrasjoner - Kan deaktiveres og bli usynlig - Kan ettermonteres
12 Hypotese Parameterstudie - Vannmengde igjennom dysene - Q (Skal minimaliseres) - Antall dyser - n - Avstand fra utløp på løpehjul - L - Vertikal dysevinkel - α - Horisontal dysevinkel - Mulige resultat: - Parameteren har et optimalt punkt - Parameteren kan gå mot uendelig - Optimalisering av en parameter kan påvirke en annen parameter
13 Innhold Bakgrunn og motivasjon Teori og hypotese Måleoppsett og resultater fra laboratoriet Måleoppsett og resultater fra feltmålinger Oppsummering, konklusjon og videre arbeid
14 Laboratoriemålinger 1. Forenklet sugerør 2. Modellturbin - Virvelgenerator - Bevegelige dyser på - Ingen konus sugerørskonus
15 Test av dyse på forenklet geometri Virvelgenerator Oppsett av spinn Observasjonsseksjon (pleksiglass) Dyse (motspinn) Trykkmålinger Pitot & LDV Hastighetsmåling
16 Grad av swirl - Angir grad av swirl - Swirl-tallet ll t [S] - Grad av swirl i måletverrsnittet - Generert swirl -Grad av generert swirl (uavhengig av dyse) S Angular momentum Axial momentum Generert swirl Q R 2 r cr cz dr R R 2 r cz dr Q Virvelgenerator Virvelgenerator Q Aksiell
17 Automatisk Pitotmåling Forenklet swirl-rig - KnivPitot Lineær stepmotor posisjonerer Pitotrøret - Roterende stepermotor t retter Pitotrøret mot strømningen KnivPitot
18 Trykkpuls ved ulike driftspunkt Forenklet swirl-rig ST TD of pressur re [kpa] 7 6 5 4 3 2 1 Sensor 1 - Nozzle Off Sensor 2 - Nozzle Off Sensor 1 - Nozzle On Sensor 2 - Nozzle On.2.4.6.8 1 Q swirlgen / (Q swirlgen + Q axial ) - Dysen reduserer trykkpulsasjonene signifikant i et gitt swirl-område
19 Trykkpulsasjoner og swirl Forenklet swirl-rig STD of pressu ure [kpa] 7 6 5 4 3 2 1 Sensor 1-Nozzle Off Sensor 2 - Nozzle Off Sensor 1 - Nozzle On Sensor 2 - Nozzle On -.5.5 1 1.5 2 Swirl Number - S -Trykkpulsasjonene er direkte avhengig av swirl number -Dysen reduserer trykkpulsasjoner fordi den reduserer swirl number
2 Oppsummering Forenklet swirl-rig - Trykkpulsasjoner avhengig av swirl-tallet - Bruk av dyse kan redusere trykkpulsasjonene - Dysen reduserer trykkpulsasjoner ved å redusere graden av swirl il
21 Test av dyser på modellturbin i laboratoriet Vertical - α Horizontal - Unit Max 11 57 [Deg] Min -24 52 [Deg]
22 Bevegelige dyser Modellturbin - Fem dyser montert med lik avstand - Opplagret vha en dysekule tettet med o-ringer Dysekule
23 Bevegelige dyser på sugerørskonusen Modellturbin - Dyseringen montert sammen med pleksiglass for god visualisering
24 Bevegelige dyser på sugerørskonusen Modellturbin Sett fra innsiden opp mot løpehjulet
4-2 ma 4-2 ma 4-2 ma -2 ma 2 ma ma 25 Målinger: Måleoppsett Modellturbin SN: 2184839 S N: A7 394 4-2 ma 4-2 ma 4-4-2 4-2 - Trykkpulsasjon -Pitot - Virkningsgrad
26 Resultat Kartlegging av trykkpuls Modellturbin - Trykkpulsmålinger ble gjort ved ulike driftspunkt for å finne punkt med høyest grad av pulsasjoner - Tre punkt ble plukket ut for videre dysetester (test 1, test 5 og test 16)
27 Resultat Trykkpuls og vinkelmatrise Modellturbin Test 1 Dellastvirvel
28 Resultat Trykkpuls og dyse flow Modellturbin.8 Test nr 1 - ned =,24 & QED =,58 rvel of Pa] Average STD pressure - [kp 7.7.6.5.4 Nozzles Off Q optimal 2.3 L/S De ellastvir of a] Average STD pressure - [kp 1.5 14 1.4 1.3 1.2 1.1 2 2.4 2.8 3.2 3.6 Test nr 5 - ned =,24 & QED =,82 Nozzles Off Q optimal 2.9 L/S 1 2 2.4 2.8 3.2 3.6 Overlas stvirvel Average STD of pressure - [kpa a] 5 4 3 2 1 Test nr 16 - ned =,181 & QED =,147 Nozzles Off Q optimal 3.1 L/S 2 2.4 2.8 3.2 3.6 Nozzle flow - [l/s]
29 Resultat - Trykkpuls ved overlastvirvel 36 Modellturbin Am mplitude - [kp Pa] 32 28 24 2 Nozzle Flo ow - [l/s] 16 4 3 2 1 1 2 3 1 2 3 Time [ms] Time [ms] Aktivering av dyser
3 Resultat - Virkningsgrad Modellturbin -Økt hydraulisk virkningsgrad -Forbedrer strømningsforhold i sugerøret? -Dårligere totalvirkningsgradt i
31 Resultat Swirl-tall (Pitot) Modellturbin - Best reduksjon av swirl ved å skyte nedover -Ved negativ vertikal vinkel er ikke den horisontale vinkelen signifikant
32 Oppsummering Modellturbin - Vinklene må endres etter aktuelt driftspunkt - Dyseflow må tunes etter aktuelt driftspunkt - Kan også virke på overlastvirvel - Forbedret hydraulisk virkningsgrad - Totalvirkningsgrad dårligere (tapt vann)
33 Innhold Bakgrunn og motivasjon Teori og hypotese Måleoppsett og resultater fra laboratoriet Måleoppsett og resultater fra feltmålinger Oppsummering, konklusjon og videre arbeid
34 Feltmålinger på prototyp Skarsfjord Kraftverk Manufacturer Kværner Head 15m Power 4MW Rotational speed 75 rpm Speed number.3 Skibotn Kraftverk Manufacturer Kværner Head 43m Power 72 MW Rotational speed 6 rpm Speed number.3
35 Skarsfjord Kraftverk 4 MW Number of nozzles: 5 Nozzle outlet diameter 13 mm Nozzle angle α 8 Deg Nozzle angle β 35 Deg Nozzle flow range - 32 l/s
36 Måleoppsett Skarsfjord Kraftverk Målinger: - Trykkpulsasjon -Pitot - Virkningsgrad Dahlhaug [33]
37 Resultat - Trykkpulsasjoner Skarsfjord Kraftverk STD of pres ssure - [kpa a] 1 8 6 4 2 nozzles 1 nozzles 2nozzles 3 nozzles 4 nozzles 5 nozzles 2 3 4 5 6 7 8 9 Generator load - [%] - Dysene reduserer trykkpulsasjoner signifikant i et gitt lastområde - Stor forbedring med bare en dyse - Sammenfaller med tester i laboratoriet
38 Nozzles Pressure - [kpa] 16 12 8 4 Resultat - Trykkpulsasjoner 6 sec Measurement 1 sec zoom 16 12 8 4 Skarsfjord Kraftverk 2 4 6 4 42 44 46 48 5 1 Nozzles Pressure - [kpa] 16 12 8 4 2 4 6 16 12 8 4 4 42 44 46 48 5 - Fjerner uregelmessige trykkfluktuasjoner 3 Nozzles 2 Nozzles Pr ressure - [kpa] Pressure - [kpa] 16 12 8 4 16 12 8 4 2 4 6 2 4 6 16 12 8 4 16 12 8 4 4 42 44 46 48 5 4 42 44 46 48 5 - Reduserer Rheingansamplituden - Nok med 2 dyser? 4 Nozzles Pres ssure - [kpa] 16 12 8 4 16 12 8 4 2 4 6 4 42 44 46 48 5 5 No ozzles Press ure - [kpa] 16 12 8 4 16 12 8 4 2 4 6 Time - [ms] 4 42 44 46 48 5 Time - [ms]
39 Resultat - Virkningsgrad Skarsfjord Kraftverk - Hydraulisk virkningsgrad forbedret med -.6% - Ttliki Totalvirkningsgrad redusert med d24 2.4-46%(d 4.6% (dysetap) Nor rmalized Effic ciency 1 96.96.92.88.84 Hydraulic ef fficiency improveme ent - [%].8.6.4.2 1 2 3 4 Generator power - [MW] 1.4 MW 1.7 MW 2. MW 2.2 MW.8.8.8.6.4.2.6.4.2.6.4.2 2 4 6 8 Nozzle Flow - [L/s] 2 4 6 8 Nozzle Flow - [L/s] 2 4 6 8 Nozzle Flow - [L/s] 2 4 6 8 Nozzle Flow - [L/s]
4 Skibotn Kraftverk 72 MW Number of nozzles 7 Nozzle outlet diameter 27 mm Nozzle angle α Deg Nozzle angle β 35 Deg Nozzle flow range -22 l/s
41 Måleoppsett Skibotn Kraftverk Målinger: - Trykkpulsasjon - Akselkast
42 Resultat - Trykkpulsasjoner Skibotn Kraftverk No ozzles Pressure e - [kpa] 28 24 2 16 12 8 Time signal [kpa RMS ] 3 2 1 Frequency analysis 1 Noz zzles Pressure - [kpa] 28 24 2 16 12 8 1 2 3 4 5 [kpa RMS ] 3 2 1 2 4 6 8 1 1 2 3 4 5 2 4 6 8 1 2 Nozzle es Pressure - [k kpa] 28 24 2 16 12 8 [kpa RMS ] 3 2 1 1 2 3 4 5 2 4 6 8 1 3 Nozzles ] Pressure - [kpa] 28 24 2 16 12 8 [kpa RMS ] 3 2 1 1 2 3 4 5 - Rheingans-amplituden fjernet 2 4 6 8 1 - Økende jetstøy pga høy dyseenergi ved bruk av flere dyser
43 Resultat - Akselkast Skibotn Kraftverk STD [V Voltage] 1.4 1.2 1. Shaft run-out - Turbine Bearing - x direction 12:13: 12:22:28 12:37:57 12:53:24 13:8:52 Time [tt:mm:ss] - Akselkast redusert ved bruk av dyser - Uavhengig av antall dyser
44 Oppsummering Feltmålinger - Vanninjeksjon kan redusere trykkpulsasjoner - Reduserer vibrasjoner - Forbedret hydraulisk virkningsgrad (totalvirkningsgrad dårligere) - God overenstemmelse med laboratoriemålinger - Viktig at dysetrykket ikke blir for stort (jetstøy)
45 Innhold Bakgrunn og motivasjon Teori og hypotese Måleoppsett og resultater fra laboratoriet Måleoppsett og resultater fra feltmålinger Oppsummering, konklusjon og videre arbeid
46 Oppsummering - Forenklet swirl-rig -Trykkpulsasjoner avhengig gg av swirl-tallet - Vanninjeksjon kan virke ved å redusere swirl-tallet - Modellturbin - Optimalisering av dysevinkler - Dyseflow må tunes etter aktuelt driftspunkt - Kan også virke på overlastvirvel - Forbedret hydraulisk virkningsgrad (totalvirkningsgrad dårligere) - Feltmålinger - God overenstemmelse med laboratoriemålinger - Reduserer vibrasjoner -Viktig at dysetrykket y ikke blir for stort - Forbedret hydraulisk virkningsgrad (totalvirkningsgrad dårligere)
47 Konklusjon Generelle - Vanninjeksjon kan redusere trykkpulsasjoner og vibrasjoner - Kan bedre strømningsforhold i sugerøret på dellast - Reduserer totalvirkningsgraden - Bør ikke ha for høy dyseenergi (høyfrekvent støy)
48 Konklusjon I fht hypotese (Ref. Parametre) - For alle parametre: generelt avhengig gg av driftspunkt - Q,n - For gitt α og β finnes opt Q, n. - L - Videre arbeid - α - Viktig for reduksjon av trykkfluktuasjoner og swirl, og økning av hydraulisk virkningsgrad. g Anbefalt α=. - β - Viktig for reduksjon av trykkfluktuasjoner. Anbefalt β=52
49 Videre arbeid - Forske på viktigheten t av avstanden L - Forske på betydningen av ulike dysegeometrier - Utvikle et kontrollsystem - Aktivere dyser etter behov - Justere hvor mye vann som skal brukes? - Justerer vinklene på dysene?