FN har satt upp en 2030-agenda för hållbar utveckling där 17 mål och 169 delmål har specificerats inom kategorierna social, ekonomisk och ekologisk hållbarhet. Detta arbete har sin grund i att öka kunskapen för att kunna upprätthålla en bra produktion inom vattenkraften vilket kan kopplas till delar av dessa mål. Ur ett helhetsperspektiv finns det både fördelar och nackdelar med vattenkraft- verk när det gäller hållbarhet. Vattenkraftverk möjliggör att elsystemet byggs ut med fler förny- elsebara källor med oregelbunden produktion vilket kan kopplas till mål 7. Hållbar energi för alla och 9. Hållbar industri, innovationer och infrastruktur. Samtidigt gör kraftverken påverkan på djur och natur i området och har därför en negativ inverkan på mål15. Ekosystem och biologisk mång- fald. I Sverige är vattenkraften väl utbyggd och de arbeten som genomförs idag är ofta kopplade till förbättring och effektivisering av kraftverken. Ur en internationell synvinkel är nybyggnationer vanliga och framför allt i utvecklingsländer kan byggnationerna bidra till en negativ inverkan på mål2. Ingen hunger. Detta eftersom kraftverken påverkar vattentillförseln och därmed jordbruken. Projektet som genomförts har en direkt koppling till mål 7. Hållbar energi för alla där kunskapen från mätningarna möjliggör en förbättrad produktion som därmed bidrar till billigare elpriser och en energimix uppbyggd av hållbar och modern energi. Indirekt kan arbetet också kopplas till mål 6. Rent vatten och sanitet för alla, 8. Anständiga arbetsvillkor och ekonomisk tillväxt och 12. Hållbar konsumtion och produktion eftersom en ökad kunskap kring sprickbildning kan förhindra slitage och eventuellt haveri. Haveri kan leda till att föroreningar släpps ut i vattnet, ekonomiska förluster för företaget, samt reparationer och utbyte av komponenter. Genom att öka kunskapen kring varför slitage uppstår kan en god vattenkvalitet säkerställas, en ekonomisk tillväxt upprätthållas där alla har råd med hållbar energi och en hållbar konsumtion kan upprätthållas. [28]
5
Slutsats
Utifrån analysen av de uppmätta värdena kan slutsatsen dras att kurvan för tryckförändringen vid skovelpassage antar en sågtandsform för de flesta fallen. Dock finns det mätdata som uppvisar orim- ligt höga värden, där en möjlig orsak kan vara den stående vågen som bildas i givaren och röret genom kammarväggen. Genom att kurvanpassa de uppmätta värdena för dessa mätningar kun- de även en sågtandsform med en rimligare tryckökning uppnås. Vidare konstaterades det att de uppmätta trycken för effekterna 35 MW och 50 MW var under det ansatta värdet (0,275 MPa) i FEM-beräkningarna. För effekter lägre än 30 MW uppmättes högre tryck för givarna placerad vid löphjulscentrum, medan de givare som var placerade under och över uppmätte tryck lägre än det ansatta värdet.
Vid analys av töjning i kammarväggen konstaterades att den uppmätta töjningen i axiell och tangen- tiell riktning antog lägre värden än de beräknade. För givare T2 som var placerad i höjd med sko- velbladet var skillnaden mindre än för övriga givare. En jämförelse mellan skillnaden i tryck och skillnaden i töjning för de uppmätta och beräknade värdena visade på att skillnaderna var liknande för givarna placerade i höjd med skovelbladen. Vilket borde leda till att en korrigering av det ansat- ta trycket i FEM-beräkningarna kan leda till en beräknad töjning som ligger närmare de uppmätta värdena. Utöver detta konstaterades att det uppkommer en kort ökning i effektivspänningen vid snabbstopp, något som också påvisas i den axiella och tangentiella töjningen där ökningen sker i främst tangentiell riktning. Vid normalstopp och lastkörning sker inga markanta spänningsökning- ar, men det noterades att för givare T1 sker en ökning i effektivspänning när skovelbladen stängts under normalstopp.
För att minska mätosäkerheten vid kommande mätningar är ett förslag att vid liknande mätningar använda sig av två uppsättningar töjningsgivare. Det vill säga dubbla rader med en förskjutning i rotationsriktningen. Detta för att ta bort eventuell mätosäkerhet kring töjningsgivares placering och känslighet vid montering. Om möjligt bör också det borrade hålet undersökas, för att utesluta uppkomst av störningar i vattenvägen. Samt att kammarens väggtjocklek kan kontrolleras för att säkerställa att rätt dimensioner används vid beräkning.
6
Fortsatt arbete
Nästa steg i arbetet är att utföra liknande mätningar, men med korrigeringar utifrån de rekommen- dationer som nämnts i detta arbete på det kraftverk som berörs av sprickbildningen. Då kan en jämförelse mellan mätningarna genomföras och skillnaderna i de tryck och spänningar som upp- kommer i löphjulskammaren kan undersökas. Förhoppningsvis kan en sådan analys leda till mer kunskap kring uppkomsten av sprickorna och varför en del turbiner drabbas, medan andra inte gör det. Utifrån de mätningar och resultat som framkommit kan också en analys kring placering av gi- varna genomföras. En förbättring skulle vara att använda fler töjningsgivare för att kunna verifiera att de ger liknande resultat, likt tryckgivarna i detta projekt. Detta så att eventuell påverkan av hur givarna monteras kan uteslutas. Givarna kan också placeras i flera riktningar för att verifiera att de axiella och tangentiella töjningarna antar samma värden oberoende av placering.
Vidare finns det också mätvärden som inte har analyserats under projektet. Dessa kan dock vara av intresse och kan därför analyseras på liknande sätt som genomförts under detta arbete. Vidare kan också FEM-beräkningarna förbättras genom att ansätta det tryck som uppmättes och sedan under- söka om de beräknade töjningarna antar värden närmare de uppmätta.
Detta projekt har bidragit med en ökad förståelse kring tryck och spänningar i löphjulskammaren vid olika drifter, men behandlar inte hur skillnaderna i turbinernas konstruktion kan vara en påver- kande faktor till sprickbildningen. Därför bör vidare arbete med att undersöka likheter och olikheter mellan kraftverken utföras. Till exempel är en skillnad att i Moforsens vattenkraftverk är kantför- bandet fäst genom bultning medan det andra kraftverket har ett svetsat kantförband. En teori är då att bultningen dämpar vibrationerna från löphjulskammaren/övre delen av konen till sugröret vilket kan förhindra att sprickor uppkommer, medan svetsfogen inte har samma dämpning. Detta projekt har däremot inte behandlat denna del av turbinen, men det skulle kunna vara av intresse att undersöka detta vidare.
Referenser
[1] EU.2030 climate & energy framework. Hämtad: 2021-01-20. url: https://ec.europa.eu/clima/ policies/strategies/2030_en.
[2] Uniper.Fakta om vattenkraft. Hämtad: 2021-01-20. url: https://www.uniper.energy/sverige/ vattenkraft.
[3] Karlsson D, Power G och Nordling A. Svängmassa i elsystem. Box 5073, SE-102 42 Stock- holm: Kungl. Ingenjörsvetenskapsakademien (IVA), 2016. isbn: 978-91-7082-929-1. url: https: //www.iva.se/globalassets/rapporter/vagval-el/201606-iva-vagvalel-svangmassa-c.pdf .
[4] Nationalencyklopedin.Vattenenergi. Hämtad: 2021-01-2. url: https://www.ne.se/uppslagsverk/ encyklopedi/l%c3%a5ng/vattenenergi.
[5] Uniper.Ritningar vattenkraftverk. [Internt].
[6] Hanania J, Stenhouse K och Donev J.Energy Education-Kaplan Turbine. 2020.
[7] Uniper. Vi är uniper. Hämtad: 2021-02-19. url: https : / / www. uniper. energy / sverige / om - oss/vi-ar-uniper.
[8] SWECO. “Vibrationsmätning i samband med kombineringsprov”. I: (2013). [Internt doku- ment].
[9] SWECO. “Reparation av omslutande betong i övre sugrörskon”. I: (2013). [Internt dokument]. [10] Amoev D. “Simulering av en Kaplanturbins löphjulskammare”. Masteruppsats. Mittuniversi-
tetet, 2020. url: https://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:1442738/F ULLTEXT01.pdf . [11] Rivetti A, Lucino C och Sergio L. “Guide Vane Influence over Pressure Fluctuation at the
Discharge Ring in a Kaplan Turbine: Experimental Assessment”. I:American Journal of Hyd- ropower, Water and Enviromental Systems 1 (aug. 2014), s. 34–37.
[12] Rivetti A m. fl. “Pressure pulsation in Kaplan turbines: Prototype-CFD comparison”. I: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 15.6 (2012), s. 062035. doi: 10.1088/1755- 1315/15/6/062035. url: https://doi.org/10.1088/1755-1315/15/6/062035.
[13] Strohmer F, Enzenhofer D och Winkler S. “Reachnerishe und mestechnische imtersuchungen von dynamischen beanspruchungen einer rohrturbine”. I:Internationales Seminar
Wasserkraftenlagen-Niederdruckanlagen (1994).
[14] Radha Krishna H.C.Hydraulic design of hydraulic machinery. Ashghate Publishing Limited. isbn: 0-29139-851-0.
[15] Elfgren E.Fysika. Luleå tekniska universitet, 2018.
[16] Werner S. “Sound speed in liquid-gas mixtures: Water-air and water-steam”. I: 82.20 (juli 1977), s. 2895–2904. doi: 10.1029/JB082i020p02895.
[17] Alfredsson B.Handbok och formelsamling i Hållfasthetslära. Institutionen för hållfasthetslära KTH, 2016.
[18] Franklin GF, Powell J och Emami-Naeini A.Feedback Control of Dynamic Systems. Pearson Education, 2014. isbn: 9781292068916.
[19] DEWESoft. Signal filtering, Signal suppression, Signal processing. Hämtad: 2021-01-29. url: https://training.dewesoft.com/online/course/filters.
[20] Grout I.Digital Systems Design with FPGAs and CPLDs. Newnes, 2008. isbn: 9780080558509. [21] Figliola R och Beasley D.Theory and Design for Mechanical Measurements. John Wiley & Sons,
[22] DEWESoft. ZERO PHASE FILTER, Software user manual. Hämtad: 2021-03-12. url: https : / / d36j349d8rqm96.cloudfront.net/3/8/Dewesoft-Zero-Phase-Filter-Manual-EN.pdf .
[23] MATLAB. Fourier Transforms. Hämtad: 2021-03-19. url: https : / / se . mathworks . com / help / matlab/math/fourier-transforms.html.
[24] Samuelsson A och Wiberg NE.Finita elementmetodens grunder. Lund: Studentlitteratur, 1988. isbn: 9144291612.
[25] HBM.An Introduction to Stress Analysis and Transducer Design using Strain Gauges. HBM. [26] Bell S. A Beginner’s Guide to Uncertainty of Measurement. 2. National Physical Laboratory,
2001.
[27] Helin M.ENGCAL-210407-A-MoforsenG2-Löphjulskammare. 2021.
[28] United Nations Development Programme (UNDP). Om globala målen. Hämtad: 2021-05-18. url: https://www.globalamalen.se/om-globala-malen/.
Bilaga A: Givarens placering i förhållande till delningsfläns
I skissen över givarna på kammarväggen i figur 30 representerar den övre och nedre kanten, den övre och nedre delningsflänsen, medan kanterna mellan töjningsgivarna representerar förstyvningsring- arna. I figuren framgår inte var f jädrarna i kammaren är placerade eller hur givarnas förhållande till dem var. Alla mått är angivna i mm.
Figur 30: Schematisk bild över hur givarna var placerade i höjdled i förhållande till övre delningsflänsen.
Bilaga B: Montering av tryckgivare
Figur 31: Visar hur tryckgivaren placerades på ett rör med ventil som var borrat genom kammarväggen.
Bilaga C: Montering av accelerometer och töjningsgivare
Figur 32: Visar hur accelerometrarna och töjningsgivarna monterades på kammarväggen, där accelerometrarna är placerade till vänster och töjningsgivarna till höger.
Bilaga D: 3D-vy över kammaren från FEM-beräkningar
Figur 33: En 3D-vy över kammarens delar som inkluderas i FEM-beräkningarna. [27]
Figur 34: Kammaren i 3D, där den röda ytan representerar de snittytor som är låsta i alla frihetsgrader för fallet med betong. [27]
Figur 35: Kammaren i 3D, där den röda randen/ytan representerar den yta som var låst i alla frihetsgrader, för fallet utan betong. [27]