Innløpet til gammelt løpehjul ved Cahua kraftverk i Peru, med slitasjeskader på grunn av erosjon i sedimentholdig vann. Turbinkapasitet 22MW. Foto: Ole Gunnar Dahlhaug

Når vannet som renner gjennom turbinen har mye sedimenter vil det slite ned delene i turbinen og  føre til lekkasjer og nedsatt produktivitet for kraftverket. Mange steder i verden er det svært høye konsentrasjoner av sand, grus og rusk i vannet. I for eksempel Nepal vil slik slitasje raskt føre til nedetid, utskiftning av deler og dette fører til omfattende økonomiske kostnader for kraftprodusenten. 

Når vann og sedimenter kommer seg inn i mellomrommet mellom disse delene og utvider det seg, øker lekkasje i turbinen. Det fører til at man ikke får utnyttet den fulle kraften fra vannet, og dermed produserer mindre energi. 

Figur 1: Viser et snitt av en Francisturbin. Det er flere ulike type skovler som leder vannet inn I turbinen. Stagskovlene (mørk blå) er fastmonterte, ledeskovlene (grønn) kan justeres, og løpeskovlene sitter I det roterende løpehjulet (rød). 

Ny kunnskap om hvordan turbinen slites 

For å bedre forstå hva som skjer i dette området har Acharya sett på strømningsmønsteret rundt skillet mellom den stasjonære og den roterende delen av turbinen, og hvordan dette slites så raskt ned av sedimenter. 

Figur 2: Figuren viser en figur og diagram av fokusområdet for prosjektet (gule sirkler). Mellomrommet mellom den stasjonære delen (SV&GV) og den roterende delen (RV) av turbinen. 

For å se på hva som påvirket hvor sterkt turbinen ble slitt av sedimentene ble det gjennomført labforsøk ved Kathmandu University hvor man brukte et “Rotating Disc Apparatus” (RDA). Her ble prøver av aluminium fastmontert til en plate. Platen ble plassert i en trommel hvor man kunne tilføre vann og sedimenter, for så se på hvordan prøvene ble slitt ned.   

Figur 3. Viser en 3D-representasjon av RDA-oppsettet, med bunnplaten og testprøvene som ble fastmontert på den. 

Økende erosjon ved høydeforskjell 

Resultatene fra forsøkene viste at ved økende rotasjonshastighet så økte slitasjen på metallet, og at hvordan plasseringen av den roterende og den stasjonære delen av turbinen hadde mye å si. Hvis den roterende delen var plassert høyere enn den stasjonære delen ville dette gi betydelig mye mer slitasje enn om de var i lik høyde, eller om den stasjonære delen lå høyere enn den roterende.

Figur 4. Figuren til venstre viser et økende vekttap (grunnet økende erosjon) ved en økende høydeforskjell mellom den stasjonære og den roterende delen av turbinen. Figuren til høyre viser hvordan det er en korrelasjon mellom bredden på sporene og antall rotasjoner. Økende antall rotasjoner vil øke erosjonen betydelig ved økning av sporbredden. 

Utbedret modell 

Basert på resultatene fra de gjennomførte forsøkene har den generelle erosjonsmodellen blitt mer spesifikk, slik at den blir mer nøyaktig for operasjon av Francisturbiner vann med sedimenter. Den “nye” modellen inkluderer også bredde og høydeforskjellene mellom den roterende og den stasjonære delen av turbinen. 

Det er ganske åpenbart at tilstedeværelsen av sideveggspalter og strømning i slike områder er vanskelig å komme rundt i hydrauliske maskiner. Designprosessen skal derfor sikre at sideveggåpninger også flyter godt for effektiv maskindesign. Strømningsfenomen knyttet til sideveggsåpninger bør vurderes godt og analyseres i startfasen av maskindesign.