Interaction between turbine pressure pulsations and transients in the penstock

Utmattingsbrudd er et kjent problem i moderne høytrykks Francisturbiner. Når et løpehjul sprekker, medfører dette store kostnader for både eier av kraftverket og leverandøren av hjulet. Det er dokumentert flere tilfeller av snarlig etter installasjon av nye løpehjul, noe som er bakgrunnen for at forskningsprosjektet «Fatigue Loads in Hydro Turbines ble igangsatt. Denne masteroppgaven bidrar til prosjektet ved å undersøke transienter i komplekse vannveier som er tilknyttet høytrykk Francisturbiner. Tidligere studier har konkludert med at rotor-stator interaksjon er en hovedårsak til sprekkdannelsene i flere høytrykksmaskiner. Transienter generert av rotor-stator interaksjon har derfor vært et hovedfokus i denne oppgaven. Hovedresultatene i oppgaven kommer fra trykkmålinger som ble gjort på Kvilldal kraftverk. Vannkraftverket består av fire høytrykk Francisturbiner med separate trykksjakter. Trykksjaktene er koblet sammen oppstrøms noe som tillater transienter generert av én turbin til å påvirke en annen. Det komplekse vannveisystemet gjør Kvilldal til et interessant forskningsobjekt med tanke på transienter. Feltmålingene består av totalt 111 måleserier som dekker 34 driftspunkter. Turbinene ble operert manuelt og noen av måleseriene ble gjort med stengte kuleventiler på en eller to turbiner. Plassering av trykkceller oppstrøms de avstengte kuleventilene muliggjorde måling av transienter i trykksjakter som kun var påvirket av de operative turbinene. Transienter relatert til rotor stator interaksjon ble observert ved innløpet til aktive turbiner, men ikke oppstrøms de avstengte kule ventilene. Målinger ble også gjort på Francisriggen i Vannkraftlaboratoriet på NTNU, mens turbinen opererte under stabile forhold, og resulterte i at bølgehastigheten i trykksjakten ble konstatert. Arbeidet innebar applikasjon av henholdsvis «seismiskinterferometri» og «dekonvolusjonsinterferometri» som postprosesserings teknikker. Det er viktig å kjenne verdien til bølgehastigheten siden den har en sentral rolle i mulig forekomst av resonans i vannveiene. Resonans bidrar til økt belastning på strukturelle komponenter og øker sannsynligheten for utmattingsbrudd. Numeriske modeller, av vannveiene på Kvilldal og trykksjakten i Vannkraftlaboratoriet på NTNU er også blitt konstruert. De er basert på karakteristikkmetoden. All teori, alle antagelser og beskrivelse av hvordan metoden er implementert er samlet i et eget kapittel. Modellene er i hovedsak brukt til å undersøke trender i spektralanalysen som funksjon av ulike konstanter og variabler, men modellen av trykksjakten i Vannkraftlaboratoriet hadde ogsp en viktig rolle i utviklingen av seismiskinterferometri og dekonvolusjonsinterferometri som postprosesserings teknikker. Resultatene fra måledataene ble sammenlignet med resultatene fra de simulerte dataene hvor bølgehastigheten er en kjent konstant. Kjennskap til bølgehastigheten er verdifull i designfasen av vannveisystemer hvor det er viktig å minimere risikoen for resonans. Videre arbeid med utvikling av de nevnte postprosesserings teknikkene er derfor å anbefale. Resultatene fra måledataene fra Kvilldal viste ikke bølgehastigheten