FSI (Fluid Struktur Interaksjon) analyse av høytrykk Francis turbiner

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. I dette forskningsprosjektet vil vi utvikle metoder for nøyaktige og raske numeriske simuleringer av høytrykk Francis-turbiner. Simuleringer av det strømmende vannet (CFD) og løpehjulet (FEA) samt analyser av fluid-struktur-interaksjon (FSI) blir utført. Resultatene fra simuleringene blir validert mot eksperimentelle måledata utført ved Vannkraftlaboratoriet ved NTNU. Statusen på prosjektet er pr. i dag som følger; - Arbeidet på CFD er nå ferdig og resultatene passer godt med eksperimentelle data. Undersøkelser viser at ved resonansbetingelser, CFD kan kun finne den viskøse delen av trykket. Den akustiske delen kan beregnes i en strukturanalyse. Reduserte modeller som prøver å minimere den nødvendige regnekraften uten å redusere nøyaktigheten har blitt testet med gode resultater. Funnene har blitt inkludert i en «Recommended practice» som er blitt gjort tilgjengelig for prosjektpartnerne. Dette dokumentet vil bli oppdatert jevnlig. - På struktursiden har det akustiske trykket blitt undersøkt sammen med sensitivitetene i de numeriske modellene. Det viser seg at dempingsfaktoren er den viktigste inputen til simuleringene og bør undersøkes videre. - Når det gjelder resonans fenomenet i løpehjulet har vi fått veldig gode resultater sammenliknet med eksperimenter. En numerisk arbeidsmetode har blitt foreslått; o Modal analyse for å undersøke risiko for resonans o CFD analyse for å få fluidtrykk og dempingsfaktorer o Harmonisk analyse for å få totaltrykk, strukturelle deformasjoner og spenninger. - Funnene, sammen med sensitivitetsanalyser har blitt inkludert i en «Recommended practice» for FEA analyser. - En "buyers guide" for høytrykk Francis turbiner er under utarbeiding. - En ny FSI metode har blitt utviklet og testet med gode resultater. 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.

Samfunnseffekter: På vegne av Norges forskningsråd undersøkte Impello Management AS effektene av forskningen på miljøvennlig energi. Resultatene ble presentert i «Effekter av energiforskningen». - Økt drifts- og forsyningssikkerhet: Sannsynligheten for havari i nye HF-turbiner antas å bli redusert fra 10 % til 5 %. - Estimert nåverdi for utskifting av eksisterende HF-turbiner: - 500 mill. kr i Norge - 1,5 mrd. kr globalt - For nye HF-turbiner: 5 mrd. kr globalt. Partnereffekter: Alle de store turbinleverandørene, produsenter og konsulenter er med på prosjektet og kan få nytte av kompetanseutviklingen. Statkraft har estimert en besparelse på 80 millioner kroner som konsekvens av redusert risiko. EDRMedeso: Markant økning av omsetning innen vannkraftsbransjen. De har også opparbeidet seg et rykte som en anerkjent institusjon innen vannkraft-simulering og forskning, og har et tett samarbeid med NTNU på en rekke prosjekter, masteroppgaver og doktoravhandlinger.

Å forstå fenomener relatert til fluid struktur interaksjon, og å beregne dem ved hjelp av numeriske verktøy er et voksende problemområde for mange industrier. Fluid struktur interaksjons problematikken er relevant problemstilling for petrolium-, kjernekraft- og vannkraft-industrien for å nevne noen. Spesielt innen vannkraft har dette vært et problemområde med økt fokus i senere tid. I den forbindelse fikk EDR Medeso tilslag på IPN prosjektet (ES567402), der vi skal utforske og finne en metode for raskere og nøyaktig predikere laster på høytrykk Francis turbiner. EDR Medeso er også partner i KPN prosjektet (ES564111) High head Francis turbines, der målet er å forstå den grunnleggende fysikken og levere måledata for validering av numeriske analyser. Målet og hensikten med prosjektet er direkte knyttet til disse to prosjektene. Gjennomsnittlig alder på norske vannkraftverk er 45 år, og mange viser tegn på tretthet og trenger renovering. Flere nyrenoverte anlegg har havarert etter installasjon av ny høytrykk Francis turbin, og hovedproblemet er sprekkdannelse i turbinen på grunn av sykliske laster. Å kunne beregne disse lastene for å få bukt med dette problemet er fremhevet av vannkraftindustrien som et essensielt punkt for å sikre pålitelig drift. I fremtiden vil driftsmønsteret forandres med økt behov for fleksibilitet på grunn av en økt utbygging av ikke-regulerbare energikilder slik som sol- og vindkraft. Denne fleksibiliteten vil inkludere flere lastforandringer som vil sette større krav til turbindesignet med tanke på turbinens levetid. Denne fleksibiliteten vil bli en del av fremtidens designkrav for høytrykk Francis turbiner. Gårsdagens design tilfredsstiller ikke morgensdagens behov for fleksibilitet.