Development of Recommended Practice and Toolkit for accurate load prediction on high head Francis turbines

HiFrancis prosjektet Bakgrunnen til prosjektet Gjennomsnittlig alder på norske vannkraftverk er 45 år, og mange har behov for renovering. I tillegg har flere nyrenoverte anlegg allerede havarert etter installasjon av nye høytrykk Francis-turbiner der hovedproblemene har vist seg å være sprekkdannelser grunnet sykliske laster. Å kunne predikere disse lastene samt turbinens dynamiske respons, er fremhevet av vannkraftindustrien som et viktig punkt for å sikre pålitelig drift. Kraftmarkedet er i endring, med økt avtrykk fra sol- og vindenergi, og å løse nåtidens utfordringer er essensielt for å utnytte fremtidens verdiskapningsmuligheter. I dette forskningsprosjektet har målet vært å sikre stabil drift og redusere risiko for havari med rot årsak i resonansproblematikk. Dette har blitt gjort igjennom å utvikle metoder for nøyaktige og raske numeriske simuleringer av roterende maskineri. Høytrykk Francis-turbiner har vært hovedfokuset, spesifikt Francis-99 modellen ved NTNU, men de brukte metodene har bevist blitt utviklet for generisk bruk i alle industrier. Metode Simuleringer av det strømmende vannet (CFD) og strukturen i løpehjulet (FEA) har blitt utført. Samtidig har metoder for analyse av den komplekse fluid-struktur-interaksjonen (FSI) blitt utviklet. Resultatene fra simuleringene har gjennom prosjektet blitt validert mot eksperimentelle måledata utført ved Vannkraftlaboratoriet ved NTNU. I tillegg til nøyaktige resultater har det hele tiden vært et fokus på å redusere simuleringstiden, uten at det går på bekostning av nøyaktighet. Det har derfor blitt utviklet flere software komponenter i vår Digitale Lab leveranse for å gjøre denne type beregninger raskere og bedre enn ved prosjektets oppstart. Resultater I tillegg til software leveransene fra prosjektet har prosjektet produsert flere skriftlige guider, som skal fungere som referanser for industrien i fremtidig utvikling/prosjektering og kjøp av høytrykks Francis turbiner; - Buyers Guide: En guide som skal brukes i forbindelse med kjøp av turbiner. Formålet er at alle parter, kjøper, konsulent og selger, skal ha et jevnere kunnskapsgrunnlag når det gjelder mulige problemer. Dette skal føre til bedre diskusjoner og lavere risiko for alle involverte. - Recommended Practice CFD/ FEA: En teknisk guide som beskriver numerisk simulering av høytrykks vannkraftturbiner. I tillegg er de tekniske hovedresultatene av prosjektet som følger; - CFD analyser av turbinen passer veldig godt overens med eksperimentelle data. Spesielt for drift utenfor resonans er CFD analysene nøyaktige. Undersøkelser viser også at ved resonansbetingelser, så kan CFD kun finne en del av fluidtrykket. For å finne den siste (akustiske) delen av trykket må man gjøre en FSI analyse som innebærer strukturen til løpehjulet. - En prosedyre har blitt foreslått for å evaluere sannsynlighet for resonans, samt den strukturelle responsen ved resonans. - En Model Order Reduction metode basert på Krylov vektorer har blir utviklet. Denne metoden kan i tidsbesparelser på 20 ganger eller mer, uten effekt på nøyaktigheten. Metoden skal hovedsakelig brukes i struktursimuleringer. - En Model Order Reduction metode basert på modal dekomposisjon er blitt utviklet. Denne metoden gir store tidsbesparelser i forhold til en vanlig to-veis simulering. I tillegg klarer metoden å finne fenomener som ikke er mulig å simulere med en en-veis kobling. For å evaluere verdien av denne forskningen har konsulentfirmaet Impello gjort en selvstendig verdiskapnings-analyse. De estimerte at verdiskapningen, i form av redusert risiko for havari, er i størrelsesordenen 500 MNOK i Norge, samt flere milliarder på verdensbasis. Hele vannkraftbransjen, fra produsenter og konsulenter til leverandører har vært inkludert, og det har ført til et betydelig kunnskapsløft. I tillegg, vil kunnskapen som er opparbeidet kunne brukes mot andre industrier, og føre til flere mulige synergieffekter.

På vegne av NFR undersøkte Impello effektene av forskningen på miljøvennlig energi. Resultatene ble presentert i rapporten «Effekter av energiforskningen». Rapporten konkluderte med redusert sannsynligheten for resonans og påfølgende havari i nye HF-turbiner fra 10 % til 5 %. Verdiskapingspotensialet ble estimert til 500 mill. NOK i Norge og 1.5 mrd NOK globalt for utskiftning av eksisterende HF-turbiner. For nye HF-turbiner kan reduserte havari-kostnader utgjøre mer enn 5 mrd. kr globalt. Alle de store turbinleverandørene er med på prosjektet og kan få nytte av kompetanseutviklingen, i tillegg lages det en rekke dokumenter som skal støtte opp under både produsenter, konsulenter og leverandører under innkjøp og design av nye aggregat. Statkraft har estimert en besparelse på 80 millioner kroner, som følge av redusert risiko for havari i to nyinnkjøpte turbiner. For EDRMedeso har vi sett en markant økning i aktivitet mot vannkraftsbransjen, samt forsking og utviklingsprosjekter

The underlying idea for value creation is to develop a solution for accurate and fast numerical simulations of high head Francis turbines. The project will deliver two ready-to-use innovations: 1. A Recommended Practice for numerical simulations of high head Francis turbines. The document will describe modeling techniques in detail as well as valid assumptions, verified to give reliable results. The ambition is that this document will be the industry standard in future simulations on high head Francis turbines. 2. A software Toolkit supporting the developed workflow. Existing mathematical models that reduce computational time for the numerical simulations will be implemented. To secure reduced simulation time with respect to human interaction, the Toolkit will be packaged in a user-friendly environment. The average age of a Norwegian hydro power plant is 45 years, and many will be maintained or refurbished the coming years. Some newly refurbished high head power plants have experienced failures after installing new and modern Francis turbines, where the turbine develops cracks in the blades. Using numerical simulations, the cyclic fluid loads and the behavior of the turbine in operation can be predicted. When performed early in the design process, improved turbine designs can be achieved. This is highlighted by the industry as a prerequisite to secure reliable operation in the future. The Recommended Practice along with the Toolkit will be a vital and valuable innovation to meet the future requirements safely. The central R&D challenges addressed in this project is: 1. Accurate prediction of fluid flow through the turbine 2. Accurate prediction of natural frequencies of the turbine 3. A simulation workflow that handles the interaction between the fluid flow and the turbine 4. Proving the validity for the simulation workflow 5. Reduction of the computational time for the simulation workflow 6. Improvement of the human interaction for the simulation workflow