High head Francis turbines

Gjennomsnittsalderen på norske vannkraftverk er ca 50 år, og mange viser tegn på tretthet og må stadig vedlikeholdes. I tillegg har enkelte kraftverk i Norge opplevd havari når de installerer nye Francisturbiner. Hovedproblemet er dannelsen av sprekker i turbinens løpehjul pga høye trykkpulsasjoner og/eller resonans. Den norske vannkraftindustrien har derfor adressert risikoen for havari som et problem og ønsker at turbinprodusenter er i stand til å levere turbiner uten dannelse av sprekker. Til sammen 9 kraftselskap, 4 turbin produsenter, 3 konsulenter, Energi Norge, Norsk Vannkraftsenter og NTNU er partnere i dette prosjektet. De største utfordringene for dette prosjektet er å utføre målinger i modellturbinen som kan benyttes til å utvikle en prosedyre for gjennomføring av numerisk analyse av Fluid-Struktur Interaksjonen (FSI) på høytrykks Francis-turbiner. Denne prosedyren kan benyttes av vannkraftbransjen for å redusere risiko for havari i nye turbiner i fremtiden. Prosjektet har utviklet forenklede modeller i Vannkraftlaboratoriet ved NTNU for turbinens løpehjul og benyttet en komplett Francis turbin hvor grundige målinger kombinert med FSI-analyse vil bli gjennomført. Strømningsforholdene i et løpehjul forenkles og isoleres i et kaskade og materialegenskaper, som for eksempel egenfrekvensen til løpehjulet vil bli testet med forenklede geometrier. Modellen av Francisturbinen på Tokke kraftverk vil bli benyttet for målingene. Her vil flere driftsforhold til turbinen undersøkes. Hovedutfordringen er å gjennomføre gode målinger av trykk og spenning i løpehjulet. På hjemmesiden til HiFrancis-prosjektet finnes mer informasjon og alle publikasjoner: www.ntnu.edu/web/norwegian-hydropower-center/hifrancis Målingene fra Tokke modell turbinen vil bli gitt til andre forskere ved Francis-99 workshops. Francis-99 vil sikte på å bestemme "state of the art" for CFD- og FSI-analyser av høytrykks Francis turbiner ved forskjellige driftsforhold . Siste workshop ble avholdd i mai 2019, og resultatene fra Francis-99 er publisert slik at alle kan lære av dette arbeidet. Du finner mer informasjon her: www.ntnu.edu/web/norwegian-hydropower-center/francis-99

Statkraft har anslått verdien av denne forskningen til kr. 86 millioner. Dette er redusert risiko for havari i to kraftverk der de har bestilt nye turbiner. Det er utarbeidet en "Buyers guide - Guidelines for acquiring for high head Francis turbines." Denne skal benyttes av kraftselskap som skal kjøpe nye Francisturbiner, og den er vil redusere risiko for havari i disse innkjøp. NB. Minner om at det var perioder der man hadde 25% havari blant innkjøp av høytrykks Francis turbiner.

The Norwegian topography has enabled the development of high head power plants, many of which exceed 300-meter head. About 30% of all Francis turbines installed in such plants are located in Norway. Due to its national relevance and competence export potential, it is important for the Norwegian hydropower industry to maintain and develop its competence in this field. HiFrancis was born out of the need for further knowledge regarding a series of Francis turbine failures in the national grid. In the current market, turbines are operating at off-design operational conditions, and the industry is facing problems with both newly installed and old Francis units. The main problem is crack formation in the turbine runner, caused by pressure fluctuations. Computational Fluid-Structure Interaction (FSI) analysis are required to analyze the detrimental effect on the turbines. These are inherently complex and require huge amounts of CPU-time. As a conclusion from previous work, main challenges facing such analysis originates from the natural frequency of the runner and the fluid properties of existing pressure oscillations. Without tools for performing trustworthy FSI analysis, modifying high-pressure plants to for future use becomes risky and challenging. The following knowledge is required to develop tomorrow's high head Francis turbines: 1. Generic parameters needed for a FSI-analysis 2. Understanding fatigue loads during all states of operation. This will be achieved by 4 work packages where the main challenge in the research process will be to conduct the laboratory tests with sufficient quality for use as verification of numerical tools. These measurements include: 1. Pressure propagation speed and dampening 2. Natural frequencies of a turbine in operation 3. Velocities and pressure oscillations in a model turbine 4. Material stresses inside a runner Partners from turbine manufacturers, utility companies and consultants will assist the proposed tests and studies.