Studerer slitasje på peltonturbiner

Energiteknikk møter en gruppe entusiastiske masterstudenter på Vannkraftlaboratoriet ved NTNU i Trondheim som har valgt å kalle seg «Peltonistas»; Kristoffer Sandtorv Almås, Maia Hegdal Berntsen og Serina Westersjø Strøm.

Da vi treffer dem, er de tre i ferd med å avslutte hver sin masteroppgave om sentrale problemstillinger knyttet til peltonturbiner.

Oppgavene ble levert i juni. Som ledd i studiet hadde de alle en måneds opphold i februar ved Katmandu University. Her fikk de samarbeide med forskere som er spesielt opptatt av sanderrosjon.

Vi er så heldige å ha tilgang til en 3D-printer, slik at vi raskt og rimelig kan lage og teste ut skovler som er påført slitasjespor, i ulike erosjonsmønstre
Kristoffer Sandtorv AlmåsSedimenter i vannet skader turbinene og reduserer virkningsgraden. Det er et utbredt og alvorlig problem for vannkraftverk i Asia og Sør-Amerika. Men også kraftverk her i landet opplever tiltagende sanderosjon, som følge av klimaendringene.

3D-printing av skovler

I sin prosjektoppgave i fjor høst sjekket Kristoffer Sandtorv Almås hvordan virkningsgraden blir påvirket av at en skovl var skadet av erosjon.

Det gjorde han ved å sammenligne effekten i «skadde» skovler med en referanseskovl som ikke var slitt. Skovlene i testriggen ble fremstilt i en 3D-printer på laboratoriet.

– Vi er så heldige å ha tilgang til en 3D-printer, slik at vi raskt og rimelig kan lage og teste ut skovler som er påført slitasjespor, i ulike erosjonsmønstre, sier han.

Forsøkene viste at det er i driftsområdet mellom full last og minst last at det oppstår mest erosjon.

Skade på eggen

I masteroppgaven undersøker Almås hvilke konsekvenser sanderosjon har på den forholdvis tynne eggen (splitteren) som fordeler vannstrømmen jevnt inn i hele skovlen, slik at den potensielle energien i vannet blir omformet til kinetisk energi i løpehjulet, med minst mulige tap.

– Eggen er spesielt utsatt for slitasje fra sedimenter i vannet, og når den blir deformert, svekkes effekten til turbinen, forklarer han.

Tester Brekke-hypotese

Tidligere professor ved Vannkraftlaboratoriet, Hermod Brekke, antok at virkningsgraden til turbinen ved full last falt med én prosent når tykkelsen på eggen ble økt med én prosent av bredden på skovlen.

– Jeg ønsker å teste ut denne hypotesen, sier Almås.

For å undersøke dette har studenten laget ulike «skadde» skovler i 3D-printeren, der tykkelsen på eggen er økt med henholdsvis én, to og tre prosent av skovlbredden.

Deretter tester han disse skovlene i forsøksturbinen for å finne hvor mye virkningsgraden går ned, sammenlignet med resultatet fra testingen av løpehjul der eggen på skovlene ikke er deformert.

Effekten til hver enkelt skovl ble testet under kontrollerte betingelser i laboratoriet, med tre ulike fallhøyder på vannet, for å illustrere hvordan tapet blir under varierende lastforhold.

Undersøker dysen

Også masteroppgaven til Maia Hegdal Berntsen går ut på å undersøke hvilke konsekvenser sedimenterosjon har for den hydrauliske virkningsgraden til peltonturbiner.

Men hun tar for seg strømningsteknikken i eroderte områder på dyse og nålen i turbinen, komponenter som også er utsatt for erosjon.

Også Berntsen har laget 3D-printede turbindeler som hun har testet i forsøksriggen på laboratoriet. Hun brukte et høyhastighetskamera for å filme vannstrømmen ut av dysen, og et bildebehandlingsprogram for å analysere strømningen.

Studerer vannstrømmen

Den tredje studenten, Serina Westersjø Strøm, er ikke i samme grad opptatt av erosjon, Hennes masteroppgave går ut på å finne ut hvordan vannet beveger seg i skovlene på løpehjul.

For francisturbiner er slike strømningsforhold godt kartlagt, men ikke for peltonturbiner.

Slik kunnskap er nødvendig for å gjøre peltonturbiner mer robust mot slitasje. I dag er numeriske simuleringene ikke gode nok, de stemmer ikke overens med modellforsøk i laboratoriet som må gjøres for å validere simuleringsmodellene.

Kamera på løpehjulet

For å kunne lage en kontur av hvordan vannet beveger seg når det treffer skovlen, har Strøm brukt et spesielt kamera, et såkalt boroskop, som festes til skovlen.

Kameraet beveger seg følgelig rundt med løpehjulet mens vannstrømmen blir filmet.

I tillegg blir den 3D-printede skovlen påført et observasjonsmønster som består av prikker. Med denne metoden blir det langt enklere å få tatt gode nok opptak og analysere dataene, enn ved å filme vannstrømmen med et stasjonært kamera, slik hun gjorde i sin prosjektoppgave.

Disse videopptakene blir så analysert ved å bruke et såkalt Python-skript, et dataspråk, som blir brukt til å lage en kontur, en beskrivelse, av vannstrømmen som treffer skovlen.

Studenten med det passende navnet Strøm er nå ferdig med masteroppgaven, og hun har klart å lage en kontur som følger vannstrømmen i skovlen.

Men for å få konturen til å følge vannstrømmen perfekt, trengte hun enda mer lys på skovlen for å få frem kontrasten mot vannet. Dette var ikke mulig på grunn av for liten plass til LED-lysene som ble brukt.

Teste simuleringer

Strøm samarbeider med en annen student, Jonas Scheuer, som skriver sin masteroppgave ved universitetet i Aachen.

Han skal gjøre simuleringer i dataverktøyet Ansys av skovler med samme dimensjon og det samme kjøremønsteret, og så undersøke hvor godt disse simuleringene stemmer med resultatene Serina fikk fra sine modellforsøk.

Professor Ole Gunnar Dahlhaug på Vannkraftlaboratoriet er veileder for alle tre studentene.