Design og optimalisering av løpehjul i Francis-turbiner

HydroCen-forsker Igor Iliev har designet en turbin som kan skifte gir. Den kan brukes i nye og oppgraderte vannkraftverk for å sørge for mer variabel operasjon, og er et viktig skritt for å sikre stabil strømforsyning i et fornybart energisystem med både vann-, vind- og solenergi.

Design og optimalisering av løpehjul i Francis-turbiner

HydroCen-forsker Igor Iliev har designet en turbin som kan skifte gir. Den kan brukes i nye og oppgraderte vannkraftverk for å sørge for mer variabel operasjon, og er et viktig skritt for å sikre stabil strømforsyning i et fornybart energisystem med både vann-, vind- og solenergi.

PhD-ene Gro, Igor og Johannes studerer trubiner på NTNU sin Vannkraftlab.

De enorme kreftene av vann som styrter gjennom tunnelen og inn i norske vannkraftverk er nesten hundre prosent utnyttet til å produsere kraft. Bare 4-6 prosent av energien i vannet går til spille når det går gjennom en Francis-turbin. Det har fungert perfekt i hundre år, men klimaendringene fører både til mer ustabile værforhold og kutt i fossile energikilder. Det betyr at vannkrafta nå må operere på en ny måte.

Konvensjonelle vannturbiner er designet for å operere kontinuerlig på fast turtall (omdreinings-hastighet) for å produsere en forventet mengde strøm til nettet. Når vannkraften i dag skal fungere mer som et grønt batteri som slås av og på alt etter hvor mye sol- og vindenergi som produseres, møter turbinen en stor utfordring.

Den opererer dårligere når den utsettes for vannmengder som er større og mindre enn den er designet for. Det fører både til at energi-/ kraft-produksjonen blir mindre effektiv og det gir økt slitasje på turbindelene. Denne slitasjen fører til dyre reparasjoner og kan gi nedsatt tillit til kraftverket som da ikke kan levere de tjenestene som trengs når de trengs. En løsning på dette er å sørge for turbiner og generatorer som kan operere på like godt på variable turtall, som dagens teknologi gjør på konstant turtall.

FAKTA OM FRANCIS

Francisturbinen er den mest brukte turbintypen i Norge de siste årene, blant annet på grunn av sin enkelhet.

Designet av den engelske ingeniøren James B.- Francis i 1894.

Ligner mer på et skovlhjul enn en propell i utformingen.

Videreutviklet ved blant annet Vannkraftlaboratoriet ved NTNU (NTH).

Kan tilpasses til store og små vannkraftverk, men er mest vanlig ved fallhøyder fra 30 til 70 meter.

Vannet ledes inn på turbinhjulet gjennom et spiralformet rør (spiraltromme).

Rett før turbinen i er det plassert ledeskovler som kan regulere vannmengden og dermed også hastigheten på turbinen.

Gamle ideer i ny drakt

Selv om ideen om å bruke variable hastigheter/turtall ikke er helt ny har den blitt mer aktuell i dag når man kan tjene mer på å være fleksibel. I tillegg har man innsett at turbiner designet for konstant turtall ikke fungerer optimalt når de blir drevet på variable turtall, så nye designer og metoder må derfor til for å øke effektiviteten. Det er her Igor Iliev kommer inn.

I sitt PhD-prosjekt har han tatt utgangspunkt i en Francis-turbinmodell og sett på muligheten til å forbedre designet til løpehjulet i turbinen. Løpehjulet er den turbindelen som opplever mest tap ved operasjoner på ikke-designede turtall. Han laget en algoritme som simulerte ulike mulige endringer for optimal design av løpehjulet for å finne det fulle potensialet til turbinen hvis den skulle drives nesten utelukkende med variable turtall.

Anbefaler nytt turbindesign ved oppgradering og til nye kraftverk

Resultatene fra prosjektet viser at det finnes design og modifikasjoner til Francis-turbinen som kan gjøre den bedre tilpasset til å operere med variable turtall. Disse modifikasjonene vil være individuelt avhengige av kraftverkene de skal operere i, men anbefales ved bygging av nye – og ved oppgraderinger av gamle kraftverk for en mest mulig fleksibel og optimal energi-produksjon ved variable turtall.

Figuren viser en sammenligning mellom referansedesignet til Francisturbinen (venstre) og det optimale designet for variabel hastighet (høyre).

FAKTA OM DESIGNET

Figuren beskriver kjøremønsteret med variabelt turtall som har maksimal effektivitet, hvor hastighetsvariasjon brukes for å balansere de dominerende del-tapene i turbinen. Se Igor forklare dette i webinaret GodForskerMorgen.

Ved å bruke tradisjonelle og nye metoder har Igor produsert hundrevis av digitale simuleringer av løpehjulet for å finne den optimale utformingen for variabelt turtall. Det han ut var at hoveddimensjonen av løpehjulet i turbinen er det som bestemmer hvor bra turbinen presterer, mens turbinblad-designet var det som holdt igjen det fulle potensialet til turbinen ved variable hastigheter.