Løste sprekk=mysteriet – sparer milliarder

– Ifølge våre egne beregninger som ble spilt inn til Forskningsrådets rapport om effektene av energiforskning, vil FoU-prosjektet HiFrancis gi en verdiskaping på 5-7 milliarder kroner. Det opplyser professor Ole Gunnar Dalhaug  på Vannkraftlaboratoriet ved NTNU i et bilag om vannkraftforskning til april-utgaven av Energiteknikk.  

Dahlhaug leder prosjektet. Med et budsjett på om lag 35 millioner kroner er HiFrancis det største FoU-prosjektet på Vannkraftlaboratoriet noensinne.

Dahlhaug viser til at Statkraft har oppgitt at de sparte 86 millioner kroner på innkjøp av Francisturbiner ved Kvilldal kraftverk ved at selskapet kunne stille spesifikasjonskrav basert på resultatet fra HiFrancis-forskningen.

Han opplyser at Norge har installert ca. 25 prosent av Franscisturbinene i verden for fallhøyder over 300 meter. I Norge er dette 122 turbiner med samlet effekt på 13622 MW.

Flere kraftverkseiere har opplevd sprekkdannelser i Francis løpehjul som er blitt produsert de siste femten årene, i enkelte tilfelle med havari kort tid etter at de ble installert. Sist skjedde dette i det i nye Lysbotn II til Lyse Produksjon, der det ble oppdaget en sprekk i et løpehjul etter bare 3500 timers drift.    

Statkraft har opplevd sprekkdannelser i løpehjul som er blitt installert i kraftverkene Svartisen, Vinje, Eriksdal og Sønna. I Driva kraftverk, som TrønderEnergi eier, havarerte de nye løpehjulene etter kort tid. Også Otra Kraft fikk sprekkdannelser i løpehjul i Brokke kraftverk, det samme opplevde E-CO Energi i Hol 1.

Forstå fysikken i vannet

– Hvordan har dere løst sprekkmysteriet, slik at det nå kan produseres løpehjul med langt mindre risiko for å få slike problemer?

– Det er gjort gjennom en intensiv forskningssats for å forstå fysikken og beregne de dynamiske og meget komplekse kreftene mellom vannstrømmen og løpehjulet inne i turbinen. Det er utført mange krevende kjøringer med avanserte simuleringsverktøy, og disse numeriske simuleringene er blitt validert gjennom en rekke fysiske modellforsøk her i laboratoriet.

Mer konkret kan vi si at vi har avslørt hvordan trykkreftene i vannet demper bevegelsene til skovlene på løpehjulet. Denne dempingen har påvirkning på utmattingen av materialet i løpehjulet. Vi er blitt i stand til å beregne trykkpulasjoner, demping og egenfrekvens, selve årsakene til at det oppstår ødeleggende resonans i turbinen. Ved å bruke disse analysemetodene, reduseres risikoen for at det blir produsert løpehjul med sprekkdannelser, sier vannkraftprofessoren.

Ønsker seg kjøpsguide

Samtlige leverandører av løpehjul med sprekkproblemer, deltar i HiFrancis-prosjektet, sammen med de største kraftselskapene. Kraftprodusentene er spesielt opptatt av at forskningen skal gi dem muligheter til å stille klare spesifikasjonskrav, for å unngå at de får levert løpehjul som havarerer.

Dahlhaug opplyser at det på grunnlag av forskningsresultatene skal utarbeides en guide/retningslinjer med konkret veiledning som kundene kan bruke for å stille riktige krav når de skal bestille løpehjul.

– Bransjen vil at vi skal lage slike retningslinjer. Samtidig er det ikke noe ønske fra oss i forskningsmiljøet å fortelle hva turbinprodusentene skal gjøre, det må bli opp til dem å bestemme hvordan de følger opp kundenes krav, sier han.  

Avansert simuleringsverktøy

Gjennom et eget FoU-prosjekt, High Head Francis – FSI Tool, utvikler teknologibedriften EDR Medeso i Sandvika programvaren som produsenter og turbineiere kan bruke til analyser og simuleringer. I nært samarbeid med forskerne på Vannkraftlaboratoriet har EDR Medeso videreutviklet ANSYS, analyseverktøyet som blir mest brukt i forbindelse med konstruksjon av vannkraftturbiner.

I tillegg skal selskapet utarbeide et dokument som skal beskrive en «Recommended Practice» for FSI-simuleringer på høytrykk Francis turbiner leverandørene kan bruke som verktøy for å unngå sprekkdannelser.

Input for bedre design

– Vi kan vel si at vi er mål når det gjelder å avdekke årsakene til sprekkdannelser som følge av resonans og gi leverandørene et teoretisk grunnlag for å designe løpehjul med langt mindre risiko for slike problemer.

Det som gjenstår, er å forske videre på hvordan sprekkdannelser påvirkes av levetiden til turbinene. Det er spesielt interessant med tanke på at kraftverkene i et fremtidig effektmarked vil få et enda tøffere kjøremønster. Men vi vil neppe rekke å komme i mål med dette arbeidet før HiFrancis-prosjekter skal avsluttes til årsskiftet, sier Dahlhaug.