Verksamhetsberättelse Svenskt VattenkraftCentrum

Transkript

1 Verksamhetsberättelse Svenskt VattenkraftCentrum Elforsk rapport 10:03 Sara Hallert (red) januari 2010

2 Verksamhetsberättelse Svenskt VattenkraftCentrum Elforsk rapport 10:03 Sara Hallert januari 2010

3

4 ELFORSK Förord Svenskt Vattenkraftcentrum, SVC, är ett kompetenscentrum för utbildning och forskning inom vattenkraftområdet. Syftet med denna rapport är att ge läsaren en övergripande bild av vad SVC är, vad verksamheten resulterat i sedan starten 2005 och vilka resultat man kan förvänta sig framöver. De tekniska verksamhetsområdena i SVC beskrivs också. SVC finansieras av vattenkraftindustrin, Statens Energimyndighet, Svenska kraftnät tillsammans med Luleå tekniska universitet, Kungliga tekniska högskolan, Chalmers och Uppsala universitet. Medverkande kraftföretag är Andritz Hydro, E.ON Vattenkraft Sverige, Fortum Generation, Holmen Energi, Jämtkraft, Karlstads Energi, Linde Energi, Mälarenergi, Skellefteå Kraft, Sollefteåforsens, Statkraft Sverige, Statoil Lubricants, Sweco Infrastructure, Sweco Energuide, SveMin, Umeå Energi, Vattenfall Research and Development, Vattenfall Vattenkraft, VG Power och WSP. Nuvarande etapp pågår med en budget på nära 100 miljoner kr. SVC leds av en styrelse med följande sammansättning: Kjell Isaksson, Vattenfall Vattenkraft (ordf.) Erik Höglund, Luleå tekniska universitet Håkan Stille, Kungliga tekniska högskolan Lennart Josefson, Chalmers tekniska högskola Mats Leijon, Uppsala universitet Sture Larsson, Svenska Kraftnät Göran Hult, Fortum Generation Erik Wängdahl, E.ON Vattenkraft Sverige Per Nordlund, Statkraft Sverige Sten Åfeldt, Energimyndigheten Svante Söderholm, Energimyndigheten Olle Mill, Svenska Kraftnät (ordf. Vattenbyggnad, adjungerad) Niklas Dahlbäck, Vattenfall Vattenkraft (ordf. Vattenturbiner och generatorer, adjungerad) Cristian Andersson, Elforsk (centrumföreståndare, adjungerad) Sara Hallert, Elforsk (adjungerad) Mer information om Svenskt vattenkraftcentrum finns på programmets hemsida Stort tack till alla er som bidragit till programmets verksamhet, inte minst till Lars Hammar centrumföreståndare för SVC Stockholm, Cristian Andersson Programområde Vattenkraft Elforsk Sara Hallert Programområde Vattenkraft Elforsk

5 ELFORSK Sammanfattning Svenskt Vattenkraftcentrum etablerades Verksamheten utvärderades under Utvärderarna slog fast att behovet av programmet finns på lång sikt. Det bör även fortsättningsvis stödjas av både stat, industri och akademi i minst nuvarande omfattning. Svenskt vattenkraftcentrum har sedan start resulterat i en ny professur vid avdelningen för vattendragsteknik vid KTH. Ett flertal seniorforskare vid utvalda universitet har en tydlig vattenkraftinriktning. Dessa seniorforskare är nyckelpersoner i de miljöer som SVC bygger på. Inom SVC finansieras ett flertal forskarstuderande med vattenkraftinriktning. Ett annat resultat är det stärkta samarbetet mellan högskola och industri, vilket konkretiseras genom studieresor längs Lule älvdal, laborationer och omfattande experimentell verksamhet vid bl a Älvkarlebylaboratoriet, adjungerade professorer vid KTH, UU och LTU, ett ökat antal föreläsare från industrin vid högskolorna samt ett flertal industridoktorander. Vid de universitet som är knutna till SVC har man noterat ett ökat intresse från studenterna. SVC har också resulterat i ett ökat nätverksbyggande mellan individer och mellan aktörer. Doktorsavhandlingar och licentiatuppsatser : Doktorsavhandlingar: R. Gustavsson Rotor dynamical modelling and analysis of hydropower units (LTU), U. Andersson An experimental study of the flow in a sharp-heel Kaplan draft tube (LTU), D. Marjavaara CFD driven optimization of hydraulic turbine draft tubes using surrogate models (LTU), D. McCarthy Sliding bearings for hydropower applications, (LTU), Walter Gyllenram Analytical and numerical studies of internal swirling flows (Chalmers), G. Hellström, Internal Erosion in Embarkment Dams - Fluid flow through and deformation of porous media (LTU) Licentiatuppsatser: M. Ranlöf Core Loss Prediction in Hydroelectric Generators and Analysis of a Contra-Rotating Machine Topology (University of Uppsala, UU), J. Lidenholm, (UU), M. Nässelqvist, Simulation and Characterization of Rotodynamic Properties for Hydropower Units (LTU), B. Mulu Geberkiden Experimental and Numerical Investigation of Axial Turbine Models (LTU), P. Jonsson Numerical and Experimental Investigation of the Gibson's Method (LTU), M. Lövgren, Time dependent pressure phenomena in hydropower applications (LTU), J. Lagerlund, Remedial Injection Grouting of Embankment Dams with Non-Hardening Grout (Royal Institute of Technology, KTH), N. Granlund, Estimation of Snow Wetness Using Multi- Offset Ground Penetrating Radar - Towards more accurate estimates of snow water equivalent, (LTU) och I. Jantzer, Critical hydraulic gradients in tailings dams : comparison to natural analogies (LTU).

6 ELFORSK Summary The Swedish hydropower centre (SVC) was established in 2005 and evaluated in One conclusion from the evaluation was that there is a long term need for the centre and it should continue to be supported by the state, industry and academy at least on the same level. A result of the Swedish hydropower centre is the professorship at the Division of Water Resources Engineering, KTH - Royal Institute of Technology, Stockholm. A number of senior researchers at selected Swedish universities have a clear focus on hydro power. These senior researchers are key players in the technical environments that SVC builds upon. SVC funds a large number of research students with a theoretical hydro power focus. SVC has contributed to a strengthened co-operation between universities and the hydro power industry, exemplified by study trips along the Lule River, laboratory experiments at the Älvkarleby laboratory, adjunct professors and a number of industry-based doctoral students. The universities tied to SVC have noticed an increased interest from the students regarding hydro power. List of academic dissertations within SVC during : Doctoral Thesis: R. Gustavsson Rotor dynamical modelling and analysis of hydropower units (Luleå University of Technology, LTU), U. Andersson An experimental study of the flow in a sharp-heel Kaplan draft tube (LTU), D. Marjavaara CFD driven optimization of hydraulic turbine draft tubes using surrogate models (LTU), D. McCarthy Sliding bearings for hydropower applications, (LTU), Walter Gyllenram Analytical and numerical studies of internal swirling flows (Chalmers), G. Hellström, Internal Erosion in Embarkment Dams - Fluid flow through and deformation of porous media (LTU) Licentiat Thesis: M. Ranlöf Core Loss Prediction in Hydroelectric Generators and Analysis of a Contra-Rotating Machine Topology (University of Uppsala, UU), J. Lidenholm, (UU), M. Nässelqvist, Simulation and Characterization of Rotodynamic Properties for Hydropower Units (LTU), B. Mulu Geberkiden Experimental and Numerical Investigation of Axial Turbine Models (LTU), P. Jonsson Numerical and Experimental Investigation of the Gibson's Method (LTU), M. Lövgren, Time dependent pressure phenomena in hydropower applications (LTU), J. Lagerlund, Remedial Injection Grouting of Embankment Dams with Non-Hardening Grout (Royal Institute of Technology, KTH), N. Granlund, Estimation of Snow Wetness Using Multi- Offset Ground Penetrating Radar - Towards more accurate estimates of snow water equivalent, (LTU), I. Jantzer, Critical hydraulic gradients in tailings dams : comparison to natural analogies (LTU)

7 ELFORSK Innehåll 1 Bakgrund Vision Mål SVCs struktur Verksamhetsområden Hydrologi Geoteknik och bergmekanik Konstruktionsteknik och vattenbyggnadshydraulik Elektromekanik och rotordynamik Strömningsmekanik Tribologi, maskinelement och tribotronik Risk- och säkerhetsanalys, underhåll och reglerkraft Utvärdering 14 3 Resultat Utbildning på grundläggande och avancerad nivå Utbildning på forskarnivå Seniorforskare Övriga insatser Forskningsprojekt: Hydrologi Analys av produktionsprocessen för hydrologiska prognoser Utveckling av hydraulisk-hydromorfologisk analys som stöd för förbättrad prognos av extrema flöden Distribuerade mätsystem för förbättrade snö- och avrinningsprognoser - integrering i hydrologiska modeller Forskningsprojekt: Geoteknik och Bergmekanik Forskningsbehov för fyllningsdammar analyserat med trädmetoden Reparationsmetoder för dammkropp och undergrund i relation till inre erosion Utvärderingsmetod för inre erosion i fyllningsdammar med tätkärna av morän Inre erosioner av befintliga moränmaterial och anrikningssand Inre erosion som nedbrytningsprocess i gruvdammar Berggrundens beteende under vattenkraftdammar, med fokus på sprickerosion på berggrundens stabilitet Skjuvhållfasthet i kontaktytan mellan berg och betong under betongdammar Forskningsprojekt: Konstruktionsteknik och hydraulik Trovärdig CFD av strömningsförlopp i reglerade vatten Anläggningsdelar - Pågjutning på stora betongkonstruktioner Tillförlitlighetsbaserad utvärdering av betongdammar Förstudie hydraulisk design Hydraulisk design, säkerställning av bottenutskovs funktioner för ökad driftsäkerhet Studie av inverkan av bottenråhet på luftinblandning och kavitation vid ett utskov Forskningsprojekt: Elektromekanik och rotordynamik Rotordynamics in hydropower systems Multifysikaliska modeller för rotordynamisk analys av vattenkraftstationer Permanentmagnetiserad matare med inbyggd reglermöjlighet Beräkningsinsatser... 36

8 ELFORSK Kopplingar mellan nät och generator i vattenkraften, påverkan i generatorn Multifysikaliska modeller för rotordynamisk analys av vattenkraftstationer Kopplingar mellan nät och generator Rotordynamisk simulering och karakterisering av vertikala maskiner Kopplade svängningar i vattenkraftsrotorer Multifysikaliska modeller för rotordynamisk analys av vattenkraftstationer Analys av vibrationsdata Forskningsprojekt: Strömningsmekanik Detaljerade mätningar av Hölleforsens sugrör Tidsupplösta beräkningar av strömningen i vattenturbinsugrör Formoptimering av vattenvägen Tryck- och flödesmätning i vattenkraftsystem Randvillkor för noggranna och snabba beräkningar av strömningen i U9an Generatorkylning Framtagning, implementering, validering och utvärdering av tvåfas- och kavitationsmodeller som är relevanta och användbara för kavitationssimuleringar i verkliga vattenturbintillämpningar Experimentell undersökning av U9an Flödesmätning i vattenkraftsystem Forskningsprojekt: Tribologi, Maskinelement och Tribotronik Compliant surface guide bearings lubricated by environmentally adapted lubricants Determination of dynamic characteristics of hydrodynamic journal bearings Dynamic behavior of low viscosity fluid film bearings with compliant linings Systemfrågor: Risk- och säkerhetsanalys, underhåll och reglerkraft... 51

9 1 Bakgrund Vattenkraften svarar för ungefär 50 % av Sveriges elproduktion. Det finns ca 700 stora och 1300 små vattenkraftanläggningar. Vattenkraften har även rollen som leverantör av reglerkraft. Mer vindkraft i kraftsystemet ökar behovet av balanskraft. Elförbrukningen kan komma att se annorlunda ut i framtiden, vilket också påverkar behovet av balanskraft. I Sverige finns ca dammar varav ca 200 stycken är högkonsekvensklassade. Det innebär risk för människoliv eller betydande skador på egendom och miljö, vid dammbrott. De flesta av dessa högkonsekvensdammar tillhör vattenkraftindustrin. Därutöver har gruvindustrin ett flertal dammar för anrikningssand och som rymmer stora vattenvolymer och är klassade som högkonsekvensdammar. Klimatförändringen innebär risk för översvämningar men möjligtvis utökad vattenkraftproduktion. Vattenkraften har varit och är ovärderlig för Sveriges välfärd och industriella utveckling. Marknaden för förnyelser av vattenkraften i Sverige uppskattas det kommande decenniet till 2,5 miljarder kr per år. Gruvdammar är av stor strategisk betydelse för gruvnäring och samhälle. Behovet av specialistkompetens inom dessa båda områden beräknas öka, som en följd av anläggningarnas och personalens åldersstruktur. Det främsta motivet för Svenskt vattenkraftcentrums (SVC) grundande 2005 var att branschen befarade bristande kompetensförsörjning inom vattenkraftområdet. Det fanns då ett forskningsprogram inom turbinteknik och forskningsverksamhet inom generatorer. Inom området vattenbyggnad saknades dock motsvarande satsningar och vid högskolorna var ämnet på väg bort. SVC initierades med ambitionen att samla vattenkraftteknisk forskning inom ett centrum förverkligades ambitionen med en treårig satsning av Svenskt Vattenkraftcentrum. Nuvarande etapp pågår med en budget på nära 100 miljoner kr. All energiomvandling medför miljöpåverkan av olika slag. Parallellt med SVC driver svenska kraftföretag, Energimyndigheten, Fiskeriverket samt Naturvårdsverket forskningsprogrammet Vattenkraft - Miljöeffekter, åtgärder och kostnader i nu reglerade vatten. Läs mer på Vision SVC ska säkerställa Sveriges kunskaps- och kompetensförsörjning för effektiv och tillförlitlig vattenkraftproduktion som en viktigt förnybar del av landets energiförsörjning, och nödvändig stabiliserande faktor i kraftsystemet samt för tryggad säkerhet vid driften av dammar. 2

10 Tribologi Tribotronik Maskinelement Strömningsmekanik Elektromekanik Rotordynamik Konstruktionsteknik Hydraulik Geoteknik Bergmekanik Hydrologi 1.2 Mål Övergripande mål för att uppnå visionen är att: Skapa vetenskapligt högkvalitativa, långsiktigt hållbara kompetensbärare på lärosäten knutna till SVC. Utgöra en nationell resurs i utbildningsfrågor inom vattenkraftteknik. Öka intresset hos industri, samhälle, allmänhet och studenter för frågor med anknytning till vattenkraftteknik. Bygga upp ledande kompetens inom vattenkraftteknik. Utveckla det internationella samarbetet med deltagande från såväl industrin som akademin. 1.3 SVCs struktur SVCs styrelse Centrumföre ståndare Vattenbyggnad Vattenturbiner och generatorer Risk- och säkerhetsanalys Underhåll Reglerkraft Figur 1 SVCs struktur. Av figuren ovan framgår att SVC består av två kompetensområden, Vattenbyggnad respektive Vattenturbiner och generatorer. Varje kompetensområde är uppdelat i verksamhetsområden. Vattenbyggnad är uppdelat i hydrologi, geoteknik och bergmekanik samt konstruktionsteknik och hydraulik. Till vattenturbiner och generatorer hör elektromekanik och rotordynamik, strömningsmekanik samt tribologi, maskinelement och tribotronik. Ett övergripande verksamhetsområde behandlar systemfrågor såsom risk- och säkerhetsanalys, underhåll, tillgänglighet och reglerkraft. Utvalda universitet och högskolor har knutits till respektive kompetensområde. Till området vattenbyggnad har Kungliga tekniska högskolan (KTH) och Luleå tekniska universitet (LTU) knutits. LTU, Chalmers och Uppsala universitet har knutits till SVCs andra kompetensområde, Vattenturbiner och generatorer. Vid dessa lärosäten arbetar de kompetensbärare som är centrala för utvecklingen av SVCs verksamhet. 3

11 Kompetensbärare är ett samlingsnamn för de personer som i definierade grupperingar bedriver forskning och utveckling med bäring på vattenkraft. SVC har en styrelse med strategiskt ansvar. Till varje kompetensområde finns en styrgrupp knuten. I såväl styrelse som styrgrupper finns representanter 0från de finansierade parterna inom industri, myndighet och universitet. Denna sammansättning borgar för att resultatet från verksamheten kommer till stor nytta för finansiärerna. Styrgrupperna formulerar verksamheten i en årlig verksamhetsplan, vilken styrelsen har att besluta om. Styrgruppen för kompetensområde vattenbyggnad: Olle Mill, Svenska Kraftnät (ordf.) Svante Söderholm, Energimyndigheten Lars Hammar, Vattenfall Vattenkraft Karl-Erik Löwén, Fortum Carl-Oscar Nilsson, E.ON Vattenkraft Martin Johansson, Skellefteå Kraft Daniel Brännström, LKAB Håkan Bond, WSP Anders Gustafsson, SWECO Sten Bergström, SMHI Sven Knutsson, Luleå tekniska universitet Anders Wörman, Kungliga tekniska högskolan I styrgruppen för kompetensområde vattenturbiner och generatorer ingår: Niklas Dahlbäck, Vattenfall Vattenkraft (Ordf.) Svante Söderholm, Energimyndigheten Christer Bäck, Svenska kraftnät Peter Altzar, Fortum Erik Wängdahl, E.ON Vattenkraft Anders Bard, SWECO Svante Leonsson, Andritz Åke Byheden, Statoil Gunilla Andrée, Vattenfall R & D Lars-Erik Kämpe, VG Power Thommy Karlsson, Vattenfall Power Consultant Lars Davidsson, Chalmers Mats Leijon, Uppsala universitet Staffan Lundström, Luleå tekniska universitet SVC har ambitionen att stärka kompetensen genom ett flertal insatser. I SVC ryms såväl forskningsprojekt, forskarutbildning, adjungerande professorer, konsultuppdrag som experimentella insatser vid bl a Älvkarleby och Porjus. De experimentella resurserna gör det möjligt att verifiera modeller på verkliga aggregat. Denna bredd i verksamheten gör att SVC utmärker sig från traditionella forskningsprogram. Elforsk är centrumföreståndare för SVC och ansvarar för att verksamhetsplanen verkställs och är avtalspart i forskningsprojekten. Dessutom ansvarar Elforsk för information om verksamheten och resultatspridning genom SVC-dagarna, nyhetsblad och hemsidan mm. 4

12 1.4 Verksamhetsområden Hydrologi Hydrologi omfattar hydrologiska tillämpningar för miljöanpassad och effektiv vattenkraftproduktion, t.ex. hydrologiskt prognosarbete för planering av vattenreglering samt säker hantering av höga flöden i reglerade älvar. Tillgång på reglerkraft är också i stor utsträckning en vattenplaneringsfråga med såväl hydrologiska som hydrauliska och juridiska frågeställning som traditionellt hanterats inom detta område. Kommande klimatförändringar förändrar i viss utsträckning förutsättningarna för såväl vattenhushållning som reglerkraftbehoven och dessa måste därför beaktas i de flesta satsningar som genomförs. Med nya kunskaper inom hydrologiområdet kan vattnet som energiresurs utnyttjas mer effektivt än när våra svenska älvar reglerades under 30, 40 och 50-talen. EUs ramdirektiv för vatten, klimatförändringar och förändringar på elmarknaden mm kan skapa annorlunda förutsättningarna för vattenkraften. Figur 2 Kunskaper om hydrologiska frågeställningar är väsentliga vad gäller energiproduktion och vid dimensionering och drift av dammar. Ytterst handlar det om säkerhet för tredje man samt för leveranssäkerhet och stabilitet i elsystemet. (Källa: Anna Åkesson SVC-dagarna 2008) 5

13 1.4.2 Geoteknik och bergmekanik Verksamhetsområdet Geoteknik och Bergmekanik omfattar grundvattenströmning, fyllningsdammars mekaniska egenskaper under samtidig grundvattenströmning, inre erosion (såväl i dammkonstruktion som i undergrund), erosion och erosionsskydd på dammars slänter och invid utskov, is och klimatpåverkan på dammar, tillståndsbedömningar av fyllningsdammar, geofysiska och andra mätmetoder för övervakning och kontroll, filter och filterfunktion, reparationsmetoder av fyllningsdammar, samverkan dammkropp och undergrund och bergmekanik mm. Samverkan mellan fyllningsdamm och styva konstruktionsdelar som till exempel utskov, intag och betongdammar ingår också. Grundläggnings- och tunnelfrågor generellt kommer att vara viktiga inför uppgraderingar och reinvesteringar. Området inrymmer även gruvdammars särskilda frågeställningar i termer av deras stabilitet i ett kort- och långtidsperspektiv. Den successiva uppbyggnaden av dessa konstruktioner samt samverkan mellan dammkonstruktion och fyllningsmaterial utgör andra väsentliga delar liksom tillhörande materialfrågor (bland annat nedbrytning och förändrade egenskaper i ett långtidsperspektiv). Verksamheten inrymmer även frågor kring stabilitet av jordmassor i älvdalar med beaktande av förändrade regleringsstrategier och klimatförändringar med hänsyn till dammsäkerhet. Risken för ett ras av en stor fyllningsdamm är en väsentlig ekonomisk faktor i vattenkraftproduktionen. Trots befintlig geoteknisk och hydraulisk kompetens inom området tycks statistiken för allvarliga incidenter med skador i fyllningsdammar och direkta ras vara oförändrad. Det inträffar ett ras på dammår. Ras inträffar i huvudsak på grund av överströmning av krönet, d.v.s. på grund av otillräcklig avbördningskapacitet, eller genom inre erosion. Därför är det viktigt att fortsätta öka förståelsen för inre erosion och vilka bakomliggande förändringsprocesser som leder till kritiska erosionsförhållanden samt hur detta kan detekteras. Figur 3 Fyllningsdam Trängslet (Källa: 6

14 Läckage genom och under fyllningsdammar står för knappt hälften av observerade brottorsaker. Läckage kan leda till ett progressivt brott genom att tätkärnan eller dammen skadas. I Sverige finns idag ett stort antal betongdammar. Kombinationen av dammarnas ökande ålder, nya beräkningsmetoder för dimensionerande flöden samt ökande samhällskrav på säkerhet, leder till att dammar behöver uppgraderas och byggas om. Flera betongdammar har dragförankringar som en komponent för att klara glidstabiliteten men med oklar status. Många dammar uppvisar sprickbildning. Svenska betongdammar har dimensionerats och utvärderats på basis av deterministiska principer med enkla säkerhetsfaktorer. Inom hela byggnadsområdet sker idag en successiv övergång till mer moderna säkerhetskoncept baserad på tillförlitlighetsanalys. Detta medför en mer nyanserad bild av den viktiga frågan om konstruktionens bärighet, stadga och beständighet. Det är därför naturligt och viktigt att dammars stabilitet utvärderas på basis av moderna säkerhetskoncept. Vid bedömning av dammsäkerhet är viktigt att kunna integrera observationer, mätningar, och beräkningar för att avgöra status och säkerheten hos konstruktionen. Frågan gäller såväl grundläggningen som själva betongkonstruktionen. Säker förvaltning av vårt åldrande dammbestånd kräver hög kunskap och kompetens inom geoteknik och bergmekanik. Figur 4 Bålforsen. (Källa: ) 7

15 1.4.3 Konstruktionsteknik och vattenbyggnadshydraulik Konstruktionsteknik omfattar bl.a. kanaler, intag, kraftstationer ovan och under jord, intagstuber, svallgallerier och svallschakt, avbördningsanordningar, betongrelaterade frågeställningar, intags-, utskovs-, sugrörsluckor, intagsgrindar, provisoriska avstängningar samt pumpstationer, fiskvägar, länsor etc. Figur 5 Ombyggnationer vid träbron gjordes för att möjliggöra en uppgradering av Storforsens kraftverk i Örån som är insprängd 35 m ner i berget. (Bild: Cristian Andersson, Elforsk) Vattenbyggnadshydraulik omfattar hydraulik i kanaler, tunnlar, kraftstationers inre vattenvägar, utskov samt i naturliga vattendrag m a p strömnings-, svallnings- och tryckslagsproblematik samt hydrauliska laster för att tillgodose krav på effektivitet och säkerhet. Det kan kortfattat beskrivas som interaktion mellan det strömmande vattnet och yttre respektive inre vattenvägar och dessas konstruktioner. Forskning och utveckling pågår för att möta det behov som växer fram, och på sikt kommer reparationsområdet uppnå motsvarande utvecklingsnivå som nyproduktionsområdet. Eftersom vattenkraften till viss del har konstruktioner som skiljer sig från samhället i övrigt (dammar, tunnlar och vattenvägar) så finns det behov av att komplettera forskningen med anpassningar och riktade insatser. 8

16 1.4.4 Elektromekanik och rotordynamik Verksamhetsområdet omfattar vattenkraftstationers rotorsträng dvs turbin och generator. Majoriteten av Sveriges vattenkraftsgeneratorer är år gamla och inte designade för den intermittenta drift med många starter och stopp som avregleringen av elmarknaden medfört. Ökat inslag av vindkraft kräver mer av vattenkraftens regleringsförmåga, med fler start och stopp som följd. Båda dessa fall gör att det mekaniska systemet utsätts för större (transienta) påfrestningar. Det finns därför ett behov av att fördjupa förståelsen av gamla vattenkraftsgeneratorer samt att utveckla verktyg för att karakterisera dessa. Generatormodellering ger möjligheter att analysera förbättringar i samband med reinvesteringar med hjälp av moderna beräkningsverktyg. Av tillförlitlighets- och energiproduktionsskäl finns det goda skäl att bidra till utvecklingen på detta område för att undvika skadliga förlopp i driftsammanhang. Generatorns interaktion med elnätet är också ett intressant forskningsområde där man studerar vad transienter och andra nätstörningar som kan fortplanta sig in i generatorn har för påverkan. Figur 6 Vattenkraftgenerator (Källa: Rotordynamik bygger på modeller av kraftsystemet och kopplar därför starkt till strömning, lager och generator. Under de första åren har främst kopplingen till elektromagnetiska laster varit forskningsfokus. Nya modeller av elektromagnetiska laster utvecklas för att bättre kunna prediktera dynamiken i vattenkraftsaggregat. Genom samarbete med maskinelement utvecklas även nya lagermodeller då dagens glidlagerprogram ej tar hänsyn till vertikala rotorer. Utveckling av mätmetoder på verkliga aggregat är en viktig del för att kunna utvärdera modellutvecklingen. Idag pågår även studier av fluidinteraktionen i turbinen för att kunna få modeller av fluidens inverkan på dynamiken. Målet på sikt är att kunna utveckla tillförlitliga modeller så att transienta lastfall som start och stopp skall kunna simuleras för att kunna optimera t ex startförlopp. Genom dessa simuleringar förväntas kvalificerade bedömningar av lastfallens inverkan på livslängd kunna utföras. 9

17 1.4.5 Strömningsmekanik Strömningsmekanik omfattar strömning nära och i själva maskinen, dvs från inlopp, genom spiral, förbi löphjul, sugrör och utlopp. Inom området bedrivs strömningsmekaniska projekt av såväl beräkningsteknisk som experimentell karaktär. Strömning och värmeöverföring i lager och generatorer ingår i verksamhetsområdet Strömningsmekanik. En god strömningsteknisk utformning är en förutsättning för bra utnyttjande av vattnet till vattenkraft. Det gäller vid såväl nybyggnad som vid förnyelser. Hydraulisk och strömningsmekanisk kunskap och kompetens är en förutsättning i samband med stora reinvesteringar. Att uppgradera anläggningar med delvis givna geometrier är väsentligt svårare än nydesign. När t ex ett nytt löphjul installeras vid en uppgradering av en befintlig turbin ställs stora krav på att dess egenskaper skall kunna anpassas och optimeras i en befintlig vattenväg samtidigt som ofta både kapacitetshöjning och förbättrade verkningsgrader förväntas. Detta ställer krav på att kunna formulera specifikationer och utvärdera leverantörers anbud, dels själv kunna utföra önskvärda förändringar i t.ex. vattenvägarna. Kännedom om strömningsförloppen och dess koppling till det mekaniska systemet, samt de diagnostiska verktygens (mätningar och verktyg) förmåga är väsentligt. Mätning av flödet genom en vattenkraftkraftstation är nödvändig för att bestämma verkningsgraden. Det är en svår kvantitet att mäta och svårigheten ökar med lägre fallhöjd, vilket beror på korta vattenvägar och areaförändringar som komplicerar strömningsbilden. Intresset för flödesmätningar har ökat i Sverige med introduktionen av elcertifikat eftersom validering av effektiviseringar kräver en noggrann flödesmätning. Flera mätmetoder existerar, av intresse vid låg fallhöjd är ultraljud-, propeller- och Gibson metoder. Ultraljudsmetoden är idag den mest noggranna, men dyr. Propellermetoden är tidskrävande och innebär stora ingrepp på maskinen. Gibsons metod använder kopplingen mellan flöde och tryck vid stängning av ledskovlar. Ingreppen på maskinen är minimala och kostnaden låg. Strömningen i vattenturbinsugrör är turbulent och instationär, speciellt när anläggningen måste köras utanför bästa verkningsgrad. 10

18 Figur 7 Ett speciellt fenomen som kan skapa stora tryckfluktuationer, med oljud, strukturskador och verkningsgradssänkning som följd är det så kallade virvelrepet under navet och i början av sugröret. (Källa: Walter Gyllenram, Chalmers) För att på ett korrekt sätt kunna modellera effekterna av denna instationära strömning räcker det inte att utföra de stationära beräkningar som är vanliga inom vattenturbinindustrin idag. Istället måste man utveckla metoder som tillåter att instationär strömning utvecklas. Figur 8 I framtiden kommer forskarna inom detta verksamhetsområde att arbeta mer med rotorstator-interaktion. I figuren visas en centrifugalpump. (Källa: Olivier Petit, Chalmers.) Strömningsverktygens betydelse för att förbättra maskinprestanda och förklara fenomenen är stort eftersom konsekvenserna kan vara stora. Tillgängliga verktyg är idag experimentella och numeriska: modell försök respektive CFD (Computational Fluid Dynamics). Utvecklingen av CFD sedan början av 1980-talet har gett nya möjligheter. CFD ger en detaljerad strömningsbild och tillåter bl.a. att inverkan av randvillkor kan studeras mer i detalj. Idag är CFD ett kraftfullt komplement till modellförsök, speciellt lyckosamt vid design av löphjul. En svaghet med CFD är beräkning av strömning nära väggar. Här används väggfunktioner som baseras på 11

19 standardiserade turbulensexperiment. Detta leder till att strömningsförlusterna, vilka till stor del alstras vid väggarna, blir oprecist beräknade, vilket i sin tur gör effektiviseringar svåra att garantera. Därför behövs fortsatt utveckling av turbulensmodeller samt validering av resultaten. Validering görs med hjälp av experimentella data, som tryck och hastighet, samt visualisering, men det finns begränsat med jämförande data inom vattenkraft, förutom ansträngningar som gjorts vid Turbine-99 workshop. Utveckling av turbulensmodeller ligger utanför SVCs verksamhet, men det är viktigt att man tar till sig utvecklingen på detta område och bidrar till validering av modeller med vattenkrafttillämpning. Ett annat viktigt delområde att studera är inverkan av inlopps- och utloppsrandvillkor. Här behövs detaljerade och tillförliga experimentella data Tribologi, maskinelement och tribotronik Detta verksamhetsområde omfattar maskinelement (t ex smörjmedel, lager mm), deras dimensioneringsverktyg, samt aktiv styrning av tribologiska kontakter. Forskningsinsatserna är inriktade på framtagning av lösningar för att öka miljöprestanda, effektivitet och säkerhet i vattenkraftanläggningar. I mekaniska system uppstår kontakter mellan ytor i relativ rörelse. Detta medför friktion och nötning som man på olika sätt vill bemästra för att därigenom minska maskiners energi- och prestandaförluster. Nötningen inverkar negativt på maskinens livslängd. Läran om friktion, nötning och smörjning kallas för tribologi. Figur 9 Tribologi handlar om smörjning, nötning och friktion. (Källa: En viktig inriktning är att utveckla nya miljöanpassade turbinoljor. Senaste forskningsresultat visar att verkningsgraden och tillförlitligheten i vattenkraftsturbiner ökar med nya miljöanpassade smörjmedel. Förutom friktion, nötning och smörjning är också lagerkonstruktioner av speciellt intresse. Lagrens lastbärande förmåga samt förmågan att hantera dynamiska krafter och transienta förlopp i vattenturbiner måste förbättras. Nya lagerlösningar behövs vid såväl uppgraderingar som nybyggnad. Skador i stora elektriska maskiner som kan relateras till lager står för upp till 40 % av skadorna. Beträffande vertikalaxlade maskiner, speciellt inom vattenkraft, har endast en begränsad forskning genomförts inom modellering av lager för rotordynamiska beräkningar. Problem relaterade till vibrationer 12

20 och lagerskador styrs ofta av lagrens dynamiska egenskaper. Vid ogynnsamma förhållanden kan lagrens eller andra komponenters beteende medföra att vibrationerna ytterligare förstärks och att onödiga skador uppkommer. Kännedom gällande komponenters styvhet och dämpning är en viktig del i förutsättningarna för att förutsäga dynamiken i roterande maskiner. En effektiv teknik för att förbättra prestanda hos smorda mekaniska system är tribotronik. Målet är att utveckla tribologiska kontakter som går att påverka under maskinens gång. Ett tribotroniskt system innehåller givare, aktuatorer, processorer och mjukvara. En viktig inriktning är att utveckla tribotroniska aktuatorer och integrera olika sensorteknologier för att på så sätt kunna bygga smarta tribotroniska system för vattenkraftsanläggningar. Modeller som beskriver ett systems respons till ändringar i insignaler, till fel i systemet eller till tillkommandet av störningar skall tas fram. En samverkan mellan tribomekaniska system och elektroniska styr- och övervakningssystem som inkluderar sensorer, aktuatorer och mjukvara skall utvecklas. Sensorerna ska känna av systemets status, in och utsignaler. Aktuatorerna används för att aktivt kunna påverka tribologin i mekaniska kontakter. Processorer med mjukvaran där kunskap från de framtagna modellerna för systemet används skapar länken mellan mätsignaler och styringrepp. Behovet av denna typ av aktiva, självreglerande system ökar när vattenkraftens driftsvillkor förändras, inte minst på grund av utbyggnaden av vindkraft. Mer vindkraft kräver mer reglerkraftresurser vilket vattenkraften kan erbjuda, men då till priset av att aggregaten måste stoppas och startas oftare vilket ger ökade påfrestningar och slitage på bl a de mekaniska komponenterna Risk- och säkerhetsanalys, underhåll och reglerkraft Inom detta verksamhetsområde finns systemövergripande delområden. Systemfrågorna är gemensamma för såväl kompetensområde vattenbyggnad som kompetensområde vattenturbiner och generatorer. De flesta frågeställningar inom detta område kommer att arbetas in i frågeställningar som har en teknisk hemvist inom övriga delområden för att säkerställa den tekniska relevansen i satsningarna. Med riskanalys avses metoder att systematiskt identifiera och värdera risker förbundna med ett system. Här ingår systematisering av vattenkraftens olika risker i såväl normalt som stört driftsläge, t.ex. dammsäkerhetsrelaterade risker. Med delområde underhåll avses tillståndskontroll och tillståndsstyrt underhåll för generatorer, turbiner och turbinnära kringutrustning och generator-nätinteraktion. Reglerkraft är ett brett begrepp. Här syftas i huvudsak på teknisk påverkan av ökat korttidsregleringsbehov. Ett annat intressant område är sannolikhetsbaserad dimensionering av konstruktionsdelar. 13

21 2 Utvärdering Utvärdering av SVC genomfördes augusti 2008 av Lennart Billfalk, ordförande, senior advisor Vattenfall AB, Kaare Hoeg, professor Oslo Universitet, Norges Geotekniska Institut, Gunnar Tedestål, konsult Tord Torisson, professor em. Värme och kraftteknik, Lunds Universitet. Harald Haegermark, CHH Consulting var gruppens sekreterare. Här följer utvärderarnas slutsatser och rekommendationer. Övergripande mål Programmet är angeläget, välformulerat, genomtänkt och har fått en god start som lovar gott för fortsättningen. Programmet har inte många motsvarigheter i världen. Styrformerna är ändamålsenliga och programmet är välskött. Interaktion mellan högskola och industri är en hörnsten i programmet. Rekommendation: Behovet av programmet finns på lång sikt. Det bör även fortsättningsvis stödjas av både stat, industri och akademi i minst nuvarande omfattning. Produktionsmål (dvs antal utexaminerade, vetenskapliga artiklar etc) Målet beträffande färdigutbildade forskare har av förklarliga skäl inte uppnåtts ännu men bör kunna uppnås i fortvarighetstillstånd. Övriga produktionsmål är antingen uppnådda eller på god väg att bli det. Rekommendation: Styrelsen bör inrätta ett årligt pris för bästa examensarbete. Programmets och projektens styrning Struktur, roll och ansvar för de styrande organen är ändamålsenliga. Styrgrupperna måste ta ansvar för att referensgrupperna fungerar. För delprogrammet vattenturbiner och generatorer fungerar systemet med ansvariga seniorforskare för olika delar av programmet bra. Rekommendation: För vattenbyggnad borde man överväga ett mera systeminriktat ansvar. I nuläget är det viktigt att styrgruppen lever upp till detta ansvar. Samarbetet mellan högskolorna har börjat fungera men kan stärkas ytterligare liksom samarbetet mellan högskolorna och Älvkarlebylaboratoriet Internationellt samarbete fungerar bra inom vattenturbiner och generatorer men behöver stärkas inom vattenbyggnad. Kommunikation och resultatspridning SVCs plan för kommunikation och resultatspridning har följts. Hemsidan är välutvecklad. SVC-dagarna har varit välbesökta och uppskattade. Rekommendation: Resultatspridningen bör utformas så att kunskapen blir tillgänglig för ingenjörsarbete. Syntesarbetet är angeläget och bör inte stanna vid kunskapssammanställningar utan leda fram till strategiska slutsatser av relevans för alla parter dvs. tillverkare och användare, forskningsmyndigheter och högskola. 14

22 Industriella relevans, resultat, måluppfyllelse: Vattenbyggnad Verksamheten är industriellt relevant. Grundutbildningen visar en positiv utveckling av studentintresse och examensarbeten. Rekommendation. Vattenbyggnad bör utvecklas mot en nod på LTU resp. KTH för samverkan med angränsande ämnen t ex bergmekanik och betong inom resp. högskola. När SVC:s styrelse uppdaterar programbeskrivning, verksamhetsplan och fokusområden, rekommenderar utvärderarna att punkterna Geoteknik (fyllnadsdammar) samt Konstruktionsteknik och hydraulik ses över och konkretiseras för att komma mer i samklang med utvärderingens slutsatser och föreslagna prioriteringar. Således bör man överväga att ersätta Geoteknik (fyllnadsdammar) med Jord- och bergmekanik, och konstruktioner som ger pålitlig och tillräcklig avbördningskapacitet bör framhävas under Konstruktioner. Industriella relevans, resultat: Vattenturbiner och generatorer Vattenturbiner: God, speciellt samarbetet med GE, Älvkarleby och VATech men ytterligare utvecklingarbete krävs för den angelägna uppgiften att göra verktygen mer ingenjörsmässigt användbara. Tribologi; tillämpningsnära och intresserade avnämare finns. Rotordynamik: Ja. Generatorer: God potential genom tillgång till avancerade beräkningsverktyg för utveckling av koncept och konstruktion men prioriterade områden för utveckling av koncept och konstruktion bör anges. Ansvariga seniorforskare för delområden på plats och fungerar i huvudsak bra. Två doktorsavhandlingar klara. Kopplingen till grundutbildningen kan förbättras. Vetenskaplig kvalitet: Vattenbyggnad Gruvdammar. Goda inledande arbeten. Internationellt samarbete kan höja den vetenskapliga kvaliteten. LTU två licavhandlingar, Intressanta numeriska analyser av god kvalitet men inte tillämpningsnära. KTH. Efter endast två år, flera artiklar i peer review tidskrifter. Tre framlagda avhandlingar har dock endast liten relevans för vattenkraft. Vetenskaplig kvalitet: Vattenturbiner och generatorer Hög internationell nivå i tribologi och strömning. Bra start i elektromekanik dock ännu inga avhandlingar eller peer review artiklar. Utvecklingen under uppbyggnadsskedet Forskningen inom Vattenturbiner och generatorer är redan etablerad och fungerar bra. Det är dock angeläget att få till stånd en verksamhet inom området Tillgänglighet, livslängd och tillståndsstyrt underhåll. Forskningen inom Vattenbyggnad har kommit igång bra men vissa projekt som styrelsen beslutat starta har ännu inte dokumenterats nämligen felträdsanalys för dammar och kunskapsbok inom riskanalys. Sambandet mellan forskning och utbildning inom vattenturbiner behöver stärkas. Grundutbildningen på området generatorer har kommit igång bra. Strategin för området Vattenbyggnad vid LTU bygger på att först stärka grundutbildningen vilket också genomförts på ett bra sätt. På KTH är det svårt att få plats med erforderligt djup i civilingenjörsprogrammens kurser i Vattenbyggnad. Av detta och andra skäl finns behov av fortbildningskurser. 15

23 Samverkan och samarbete mellan akademien och industrin Interaktionen i form av adjungerade professorer, industridoktorander samt examensarbeten är omfattande och i huvudsak bra inte minst med tanke på att verksamheten delvis är under uppbyggnad. Fältmätningar är ett viktigt sätt att knyta ihop teori och praktik. Sådan verksamhet pågår men kan utvecklas. Medlemmarna i referensgrupperna har en viktig roll i att stärka interaktionen och därmed öka sin nytta av medverkan i programmet Rekommendation. Företagen rekommenderas att i högre grad än nu avsätta resurser för att formulera och handleda examensarbeten Angränsande verksamheter Porjus och Älvkarleby är två viktiga laborativa resurser, som arbetar på kommersiella villkor. Utvärderingsgruppen har inte sett några tecken på dubbelarbete eller bristande synergier mellan å ena sidan högskolorna och å andra sidan Porjus och Älvkarleby Rekommendation. Projekt som avser utnyttja resurserna i Porjus och/eller Älvkarleby bör budgetera erforderliga medel i sin projektbeskrivning Utvärderingsrapporten finns i sin helhet publicerad på 16

24 3 Resultat I detta kapitel presenteras de resultat som framkommit under de fyra första åren av Svenskt VattenkraftCentrum och en beskrivning av förväntat resultat i pågående projekt. För publikationer från forskningsprojekten hänvisas till universitetens hemsidor. Svenskt VattenkraftCentrum är mer än ett konventionellt forskningsprogram. Inom ramen för SVC tas resultat fram genom en mängd olika insatser. Högskolorna och universiteten stärker successivt sitt utbud av vattenkraftrelaterade kurser på grundutbildningsnivå. Den medvetna satsningen på seniora forskare (genom årsvisa seniorforskningsstöd) borgar för en kontinuitet av högklassig forskning vid universitet och högskolor inom SVCs verksamhetsområden. Ambitionen är att erbjuda doktorander inom SVC ett antal gemensamma kurser, organiserat som en forskarskola. Genom att samla verksamheten kring dessa utvalda seniora forskare bildas grupperingar inom och utanför högskolan, vilket benämns kompetensbärare. I syfte att stärka utbytet mellan högskola och industri har adjungerade professorer knutits till SVC. Övriga viktiga insatser är vidareutbildning, seminarier och gästprofessorer. Forskningsprojekt utförda av doktorander svarar alltjämt för den huvudsakliga ingrediensen i SVCs verksamhet. Därför presenteras dessa på mer detaljerad nivå jämfört med ovan nämnda insatser. 3.1 Utbildning på grundläggande och avancerad nivå Kurser inom utbildning på grundläggande och avancerad nivå på vattenbyggnadsområdet ges vid KTH och Luleå Tekniska Universitet. Ett flertal kurser har tillkommit som följd av SVC-satsningen. Externa föreläsare från industrin är vanligt förekommande vid dessa kurser. Såväl KTH som LTU har noterat en markant ökning av antalet examensarbeten inom vattenbyggnad de senaste två-tre åren, vilket ger en indikation på studenternas intresse för området. Kurser på grundläggande och avancerad nivå med inom vattenturbiner och generatorer ges vid LTU, Chalmers och Uppsala universitet. Ett visst samarbete mellan de utvalda högskolorna inom SVC förekommer vid utveckling och genomförande av kurser. Trenden för antalet studenter som går vattenkraftkurser vid Uppsala universitet pekar uppåt. Antal genomförda examensarbeten är också en viktig indikator för att mäta intresset hos studenter för området. Examensarbeten är dessutom en effektiv metod för vattenkraftindustrin att belysa vilka frågor som är centrala för dem. SVC delar ut stipendium för bästa examensarbete. 17

25 Figur 10 Studieresor längs Lule älv för besök av kraftstationer och dammar samt till Älvkarleby för laborationer brukar vara mycket uppskattat av studenterna. (Foto: Sven Knutsson) 3.2 Utbildning på forskarnivå En forskarskola är under uppbyggnad inom SVC. Målet är att bredda doktorandernas kompetens inom vattenkraft genom att erbjuda gemensamma kurser på forskarnivå. Forskarskolan syftar till att öka synergierna mellan de olika kompetens- och verksamhetsområdena. En positiv bieffekt vore att doktoranderna stärker sitt nätverk i branschen vilket kan vara en framgångsfaktor i den fortsatta karriären. Kurserna skulle även kunna göras tillgängliga för industrin. Etableringen av forskarskolan är än så länge i sin linda. Michel Cervantes, LTU har utsetts till forskarskolans studierektor. För detaljer kring vattenkraftrelaterad utbildning på forskarnivå vid de universitet som är knutna till SVC hänvisas till universitetens hemsidor. 3.3 Seniorforskare Inom Svenskt Vattenkraftcentrum finns en uttalad satsning på seniorforskare. Vid slutet av 2009 fanns nio seniora forskare inom SVC med enskilt eller gemensamt ansvar för ett verksamhetsområde. I ansvaret som seniorforskare ingår att utveckla verksamhetsområdet, koordinera forskningsinsatser bl a genom en gemensam referensgrupp för doktorandprojekten. I samarbete med övriga ansvariga seniora forskare arbetar man fram förslag för SVC-gemensamma satsningar, tex forskarskola, verksamhetsöverskridande forskningsprojekt, ansökan till EU om forskningsmedel mm. SVC strävar efter att bygga upp en miljö där seniorforskaren utgör navet. Samarbetsformer inom och utanför SVC och 18

26 Sverige har tagit form under de år som SVC funnits. Seniorforskarnas verksamheter redovisas till SVC årligen och presenteras vid styrgruppsmöten. 3.4 Övriga insatser Vidareutbildning Under 2007 och 2008 gav LTU en vidareutbildningskurs Gruvdammar och dammsäkerhet, om gruvdammar och dammsäkerhet i samverkan med SveMin. Utbildningen Dammar och dammsäkerhet genomförs årligen i samarbete mellan Svensk Energi och KTH. Avsedd främst för civil- och gymnasieingenjörer verksamma inom kraftindustrin eller som konsulter. Seminarier/workshops Elforsk arrangerar årligen SVC-dagarna, vilket lockat omkring 100 deltagare per tillfälle. Upplägget har varit presentationer och workshops under två dagar. Verksamma personer inom SVC får en möjlighet att utbyta kunskaper, erfarenheter och skapa samhörighet inom SVC. Aktuella utvecklingsprojekt inom branschen presenteras och resultat från SVCs verksamhet redovisas. Under SVC-dagarna ges tillfälle att påverka SVCs verksamhet. Figur 11 Niklas Dahlbäck, Vattenfall, Vattenkraft tillika adjungerad professor vid Uppsala universitet samtalar med Michel Cervantes, seniorforskare vid Luleå Tekniska Universitet och kompetensbärare inom SVCs verksamhetsområde strömningsmekanik. (Foto: Cristian Andersson) Internationellt forskarutbyte En viktig del av SVCs verksamhet är att knyta internationell expertis till sin forskargrupp. Det kan t ex vara att bjuda in en gästprofessor under en begränsad tid. Ett annat sätt att stärka relationerna med kompetens utomlands är när doktorander tillbringar en del av sin doktorandtjänstgöring vid ett universitet utomlands. 19

27 3.5 Forskningsprojekt: Hydrologi Följande forskare är verksamma inom SVCs verksamhetsområde hydrologi: KTH, Avdelningen för vattendragsteknik Anders Wörman, professor Anna Åkesson (tidigare Gustafsson), doktorand KTH, Avdelningen för ekosystemteknik David Gustafsson, forskarassistent Jesper Ahlberg, doktorand LTU, Avdelningen för tillämpad geologi Angela Lundberg, docent Nils Granlund, doktorand SMHI, Enheten för hydrologisk forskning Berit Arheimer, enhetschef Göran Lindström, forskare Fredrik Wetterhall, forskare Wörman har sedan 2009 rollen som verksamhetsansvarig senior forskare inom hydrologi. En gemensam referensgrupp för verksamhetsområdet Hydrologi säkerställer samverkan mellan dessa lokaliseringar. I gruppen ingår bl a representanter från HUVA, vilket är beteckningen på den arbetsgrupp som sedan 80-talet administrerar stöd till hydrologiskt utvecklingsarbete. Den tydliga samverkan mellan KTH, LTU, SMHI, HUVA och andra viktiga kompetensbärare inom hydrologi stärker den vattenkraftrelaterade hydrologin inom SVC. Ett forskningsprojekt har avslutats och två doktorandprojekt har pågått sedan SVCs start. Avslutade Analys av produktionsprocessen för hydrologiska prognoser Utförare: Görna Lindström, Fredrik Wetterhall, Berit Arheimer, SMHI. Status: Avslutat (projekt 1756) Resultat: I projektet tog man fram en systematisk bild av hur prognosfelet utvecklas i produktionsprocessen för hydrologiska prognoser och analyserat olika forsknings- och utvecklingssatsningars potential. Analysen gällde såväl volymprognoser (månader) som prognoser över mer kortsiktig flödesutveckling (dagar). I slutsatserna framhölls moment som har varit viktiga och där det fanns potential för förbättring a) för alla typer av simuleringar och prognoser: En bra modell som är noggrant kalibrerad b) för långtidsprognoser: Uppdatering av snötäcket mot uppmätt snömängd c) För korttidsprognoser: Uppdatering 20

28 När det gällde modellstrukturen var det sannolikt svårt att göra stora genombrott, men inte desto mindre viktigt att undvika dåliga modeller. En faktor som tycktes vara mindre viktig var till exempel uppdateringen av indata inför långtidsprognoser. Pågående Utveckling av hydraulisk-hydromorfologisk analys som stöd för förbättrad prognos av extrema flöden Utförare: Anna Åkesson (högskoledoktorand) Status: Pågående (projekt 1874). Licentiatexamen förväntas under våren 2010 och doktorsexamen Doktorandprojektet ska resultera i förbättrad förståelse för flödesrespons i avrinningsområden under höga flöden. Åkesson fokuserar på översvämmande vattendrag, nätverks- och skaleffekter samt interaktion med grundvatten. De hydrologiska modellerna kalibreras för normala flöden. En central fråga som ställs i projektet är hur tillförlitliga modellerna är vid extrema situationer. Hypotesen är att det då råder tveksam tillförlitlighet då modeller extrapoleras utanför kalibreringsintervall. Tre möjliga vägar till förbättring av modellering vid höga flöden är 1) mer distribuerade modeller 2) göra modellerna mer dynamiska för olika flöden 3) förbättra kopplingen mellan modellparametrar och fysikaliska parametrar Inom projektet sker fältarbete i Rönne Ås avrinningsområde i form av flödesmätning, spårämnesförsök samt uppmätning av tvärsnittsgeometrier. Projektsamarbete sker med doktorand Joakim Riml, KTH/SMHI, Vattenregleringsföretagen, SMHI och Svenska kraftnät. Resterande projekttid kommer doktoranden att ägna sig åt friktionsförluster (2-D modellering), tillämpning i andra avrinningsområden, statistiks analys av rainfall-runoff data, skal- och upplösningsfrågor samt river network configuration. Figur 12 Fältarbete i Rönne Ås avrinningsarbete (Bilder: Anna Åkesson) 21

29 3.5.3 Distribuerade mätsystem för förbättrade snö- och avrinningsprognoser - integrering i hydrologiska modeller Utförare: Granlund och Ahlberg (högskoledoktorander) Status: Pågående, (projekt 1907, 1908) Granlund tog licentiatexamen Ahlberg planerar licentiatexamen under Doktorsexamen för båda planeras till Det finns ett generellt behov av att utveckla metoder för att utnyttja mätinformation effektivare i modellering, så kallad dataassimilering, och att utveckla prognosmetoder som inkluderar osäkerhetsskattningar och sannolikhetsprognoser. Visionen är att utveckla en operationellt användbar metod baserad på kostnads- och tidseffektiva mättekniker och modelleringsverktyg för stora och små vattenreglerande företag. Kraven på reglerkraft ökar samtidigt som kraven på en god ekologisk status i vattendragen kräver begränsningar i reglerkapaciteten. En reducering av volymfelet, en förbättring av tidsbestämningen i avrinningsprognoserna samt en kvantitativ uppskattning av osäkerheterna bör därför vara av stor relevans för ett effektivare utnyttjande av vattenkraften. Ambitionen med detta projekt är att halvera volymfelet i prognoserna samt att förbättra tidsbestämningen av den första avrinningen och av flödespikarna i samband med snösmältning. Projektet fokuserar på att kombinera modelloch mättekniksutveckling med mål att finna den optimala kombinationen av distribuerade mätningar och modellkomplexitet. Markradartekniken kommer att vidareutvecklas för bestämning av snötäckets densitet, djup och våthet genom att mäta via flera olika kanaler. Ny teknik för 1) strömförsörjning av väderstationer 2) uppskattning av snötäckets albedo 3) kontinuerligt bestämning av snötäckets våthet kommer att testas. Snödjupsmätningar från högt belägna skidorter kommer att inkluderas. Projekt genomförs i nära samarbete med vattenregleringsföretagen och representanter för norska och schweiziska forskningsgrupper samt med två professorer från KTH. 22

30 3.6 Forskningsprojekt: Geoteknik och Bergmekanik Följande forskare är verksamma inom detta verksamhetsområde: LTU, Avdelningen för geoteknologi, Geoteknik Sven Knutsson, professor Hans Matsson, universitetslektor Isabel Jantzer, doktorand LTU, Avdelningen för geoteknologi, Berganläggningsteknik Maria Ask, universitetslektor Erling Nordlund, professor Lars-Olof Dahlström, adjungerad professor, NCC Teknik Alexander Bondarchuck, doktorand LTU, Avdelningen för strömningslära Staffan Lundström, professor Gunnar Hellström, doktorand KTH, Avdelningen för jord- och bergmekanik Håkan Stille, professor Fredrik Johansson, seniorforskare Johan Lagerlund, industridoktorand, Vattenfall Research & Development KTH, Avdelningen för vattendragsteknik Anders Wörman, professor Hans Rönnqvist, industridoktorand, WSP Detta område har fyra verksamhetsansvariga seniora forskare, med olika inriktning. Vid LTU (Sven Knutsson och Staffan Lundström) fokuserar man på processer och mekaniska egenskaper i fyllningsdammar (vattenströmning, inre erosion, nedbrytning, långtidsfrågor), material i fyllningsdammar, erosion och erosionsskydd, tillståndsbedömningar, slänter och släntstabilitet och kallt klimat. På KTH (Fredrik Johansson och Anders Wörman) ligger fokus på injektering och reparationsmetoder, grundläggningsfrågor och samverkan dammkonstruktion och undergrund samt samverkan mellan dammkonstruktion och styva konstruktionsdelar av typen utskov, intag, betongdammar och liknande betongkonstruktioner. En gemensam referensgrupp för verksamhetsområdet Geoteknik och Bergmekanik finns etablerad. Experimentell verksamhet utförs vid Älvkarlebylaboratoriet. 23

31 Avslutade Forskningsbehov för fyllningsdammar analyserat med trädmetoden Utförare: Håkan Stille Status: Avslutad. Utredningen avslutad i förtid. Slutrapport saknas. (projekt 1757) Reparationsmetoder för dammkropp och undergrund i relation till inre erosion Utförare: Johan Lagerlund (industridoktorand) Status: Avslutat (projekt 1810). Licentiatexamen erhållen februari Läckage genom och under fyllningsdammar står för knappt hälften av observerade brottorsaker. Läckage kan leda till ett progressivt brott genom att tätkärnan eller dammen skadas. Dagens reparationsmetoder är dåligt utvecklade och anpassade till de speciella förutsättningar som gäller för fyllningsdammar. Problemformulering, litteraturinventering och viss materialprovning har utförts av Vattenfall Research & Development (VRD). Figur 13 Filter box test. (Källa: Johan Lagerlund) Industridoktoranden Lagerlund arbetade med att finna ett material och metod som på ett varaktigt och hållbart vis kan stå till förfogande för reparationer av fyllningsdammar pågått. Detta arbete resulterade i en licentiatuppsats. I det utförda arbetet har icke härdande bruk beaktats och vägts mot härdande bruks nytta som reparationsmaterial. Från ett filter box test (se figur ovan) konstaterades att härdande bruk kan ge upphov till följdskador inuti en fyllningsdamm. Permeabilitetstester gjordes för att spåra skillnader i erosionskänslighet för olika potentiella icke härdande bruk. I licentiatuppsatsen beaktades dock inte problematiken förknippat med injekteringsförfarandet. 24

32 Projektet var ett samarbete mellan VRD och KTH i form av ett doktorandprojekt vid KTH och att de laborativa delarna förlades till VRD Inre erosioner av befintliga moränmaterial och anrikningssand Utförare: Gunnar Hellström (högskoledoktorand) Status: Avslutat (projekt 1775). Licentiatexamen Doktorsexamen Doktorandprojektet handlade om inre erosion, processförståelse och modellering av förloppet. Inre erosion i fyllnadsdammar har sin bakgrund i erosionsprocesser i tätkärnans moränmaterial eller i gruvdammars anrikningssand. Uppkomsten av inre erosion är kopplad till den hydrauliska gradienten i konstruktionen, strömningshastigheten i vattnet, sammansättning och uppbyggnad av det jordmaterial i vilket vattnet strömmar mm. För att undvika inre erosion då gradienten är hög använder man gärna filter. Deras funktion är avgörande för uppkomst och utveckling av inre erosion. För att förstå uppkomst av sjunkhål, som i regel är orsakade av inre erosion, genomförs här numerisk modellering av förloppet som kan ge värdefull information om processerna och hur dessa är kopplade till varandra. Resultaten har presenterats i ett antal granskade artiklar och i Hellströms avhandling. Ett huvudresultat är att statistiska variationer i geometrin måste beaktas och denna variation ska baseras på detaljerade studier av flödet runt de individuella kornen bland annat eftersom: Reynolds tal kan definieras på flera sätt och det är viktigt att samma definition används i exempelvis experiment och simuleringar då kritiska Reynolds tal definieras. Detta gäller exempelvis när flödet inte längre är Darcyskt. Övergång som funktion av Reynolds tal från Darcyskt flöde till laminärt tröghetsdominerade och sedan till turbulent är stark beroende av geometrin hos det porösa materialet. Betydelsen av turbulent strömning gällande krafter på partiklar är starkt beroende av den detaljerade geometrin hos det porösa materialet. Beräkningar på system av partiklar visar att kraften och riktningen på individuella partiklar liksom deras rörelse varierar rejält även om den övergripande tryckgradienten är konstant. Arbetet visar vidare att sådana studier kan göras på minst två sätt enligt följande beskrivningar. En nätdeformationsmetod där normal och skjuvkrafter som verkar på partiklarna genererar rörelse av det porösa materialet. Denna metod kräver att beräkningsnätet uppdateras i varje tidssteg vilket genererar ganska beräkningsintensiva simuleringar. En nätverksmodell där CFD-simuleringar av flödet i närheten av enstaka partiklar kombineras med Monte-Carlo simuleringar på ett 25

33 större system med partiklar. De beräknade parametrarna kombineras sedan i det större systemet. Via strömfunktionen beräknas fördelningen av krafter på strukturen som ger upphov till en omfördelning av partiklarna, detta för att kunna förutse förändringar i permeabiliteten hos det stora systemet av partiklar. Mycket intressant är att experimentella observationer i ett klassiskt geotekniskt experiment, No Erosion Filter test, fångas med metoden både gällande ett fungerande filter och ett där filtret inte fungerar. Ett annat resultat är att ju mer kompakt systemet är desto större är den möjliga relativa förändringen i permeabilitet genom att tillämpa ett högt flöde. Slutligen har ett matematiskt uttryck för de teoretiska gränserna gällande den effektiva diametern och lämplig tryckgradient för design av geotekniska experiment. Figur 14 Inre erosion i fyllningsdammar (källa: Gunnar Hellström) Pågående Utvärderingsmetod för inre erosion i fyllningsdammar med tätkärna av morän Utförare: Hans Rönnqvist (industridoktorand) Status: Pågående (projekt 1774). Licentiatexamen planeras till hösten Många fyllningsdammar i Sverige har uppvisat tecken på förändring i dammkroppen såsom sjunkhål i uppströmsslänten, plötsliga förhöjda, grumliga läckage och sättningar/insjunkningar, som enskilda eller i kombination kan bero på pågående inre erosion. Att dessa skador uppträder på en damm behöver dock inte automatiskt betyda att dammen är utsatt för inre erosion, men det kan i ogynnsamma fall utgöra en klar indikation. Incidenter med konstaterade fall av inre erosion har förekommit för flera svenska fyllningsdammar, vars förlopp stoppats genom åtgärder och självläkning innan situationen blivit oåterkallelig med dammbrott som följd. Till dags dato har inga svenska höga fyllningsdammar gått till brott pga. inre erosion, men i ett internationellt perspektiv utgör dock inre erosion i 26

34 dammkroppen och undergrunden för fyllningsdammar statistiskt en stor anledning till förekomna dammbrott. Målsättningen i detta i projekt är att förbättra förståelsen för inre erosionsfenomen i svenska fyllningsdammar, att kunna ge handledning kring benägenheten för inre erosion och inre instabilitet i dammar med moräntätkärna och bredgraderade filter och vidare ge vägledning till vilka befintliga metoder inom området som kan vara tillämpliga eller rent av olämpliga för svenska förhållanden. Mer konkret innebär arbetet att utveckla ett verktyg för att kunna avgöra potentialen för inre erosion i befintliga svenska fyllningsdammar, t.ex. i form av en checklista. Det ska ge möjligheten att kvalitativt avgöra om en befintlig damm är mer benägen att utveckla inre erosion än en annan och på så vis utgöra en hjälp vid arbete med dammsäkerhet Inre erosion som nedbrytningsprocess i gruvdammar Utförare: Isabel Jantzer (högskoledoktorand) Status: Pågående (projekt 1871) Licentiatexamen Planerad doktorsexamen Doktorandprojektet är inriktat mot inre erosion i gruvdammar för att kunna göra bedömning av långtidsstabiliteten. Inledningsvis studerades vad som är utmärkande för geologiska formationer som har fungerat som dammar sedan istiden. Relationen mellan gradienten i dessa och de mekaniska egenskaper hos materialet i formationerna kommer användas som utgångspunkt för att finna den maximala gradienten ett material kan utsättas för utan att uppvisa inre erosion. Detta blir metoden att finna grunden för vilka gradienter som kan accepteras i en dammkonstruktion med givet material utan att inre erosion ska uppkomma under långa tidsrymder. Arbetet pågår och några geologiska formationer har valts ut för närmare analys. Huvudfokus har lagts på några formationer i Aitik-området Berggrundens beteende under vattenkraftdammar, med fokus på sprickerosion på berggrundens stabilitet Utförare: Alexander Bondarchuk. (högskoledoktorand) Finansieras av Väg/Bro/Tunnel-konsortiet i samverkan med SVC. Status: Pågående (projekt 1965). Licentiatexamen i mars Planerad doktorsexamen Projektet har två övergripande mål: (1) att analysmetoden skall tillämpas på andra dammar i Sverige för att förbättra deras drift och säkerhet; och (2) att doktoranden skall utveckla en unik kompetens som vattenkraftindustrin efterfrågar. Doktoranden ska studera vilka konsekvenser varierande belastningar från damm och reservoar har på bergrundens stabilitet och dess sprickerosion. Sprickerosion påverkar injekteringsskärmens beständighet och därmed 27

35 berggrundens täthet under dammen. Metoden är numerisk analys med en verklig damm som förebild. Genom att områden i berggrunden där stora deformationer kan uppkomma identifieras, kan resultaten komma att användas som underlag för fältmätningar och riskanalyser för den verkliga dammen. Licentiatprojektet syftade till att öka förståelsen och klargöra bergrundens respons på en damms och vattenreservoars tillkomst samt de förekommande lasternas påverkan/inverkan på nedbrytningsprocessen med hänsyn tagen till dammstabilitet och ridåinjektering. Ett antal faktorer som är viktiga för öppning av och glidning längs geologiska strukturer under dammen och reservoaren studerades med hjälp av numeriska analyser i två dimensioner. Berggrundens respons analyserades i två konceptuella modeller, orienterade så att samspelet mellan reservoaren och berggrunden kunde studeras. Intressanta iakttagelser från arbetet är att de sub-horisontella geologiska strukturerna, vanligen benämnda bankning, tillsammans med sub-vertikala strukturer som är parallella med respektive vinkelräta mot älvfåran kan samverka och ge upphov till vattenläckage under dammen. Detta kunde visas i de numeriska analyserna som genomfördes i projektet. Sådana rörelser kan leda till nedbrytning av injekteringsmaterialet och därmed en ökad sprickerosion. Andra effekter kan vara att sprickornas hydrauliska konduktivitet tilltar varvid erosion av finmaterial i sprickorna kan uppkomma. Det leder i sin tur till ännu större läckage och erosion och effekten kan förväntas tillta med tiden (åldring). Beteendet beror på om bankningsplanens stupningsriktning är uppströms eller nedströms. Den farligaste stupningsriktningen är uppströms. Sprickfrekvensen och de primära spänningarnas storlek och riktning är andra viktiga faktorer för berggrundens beteende Skjuvhållfasthet i kontaktytan mellan berg och betong under betongdammar Utförare: NN, KTH Status: Påbörjas januari 2010 (projekt 10049) Doktorandprojektets inriktas på att förstå och beskriva de mekanismer som ligger till grund för skjuvhållfastheten i kontaktytan mellan berg och betong och beskriva skjuvhållfastheten statistiskt för att använda som indata vid beräkning av brottsannolikhet för dammen. Inom hela byggnadsområdet sker idag en successiv övergång till mer moderna säkerhetskoncept baserad på tillförlitlighetsanalys. Detta medför en mer nyanserad bild av den viktiga frågan om konstruktionens bärighet, stadga och beständighet. Tidigare genomförda studier visar att tillförlitlighetsbaserade metoder kan utgöra ett möjligt och viktigt steg till en förbättring av utvärderingen av dammarnas säkerhetsnivå. Skjuvhållfastheten i kontaktyta mellan berg och betong, eller i genomgående sprickplan under dammen, är den viktigaste parametern för att kunna bedöma betongdammars stabilitet. 28

36 3.7 Forskningsprojekt: Konstruktionsteknik och hydraulik Följande forskare är verksamma inom detta verksamhetsområde: KTH, Avdelningen för vattendragsteknik Anders Wörman, professor James Yang, adjungerad professor, Vattenfall Research and Development (VRD) Bijan Dargahi, forskare Ting Liu, doktorand LTU, Avdelningen för strömningslära Staffan Lundström, professor Patrik Andreasson, adjungerad professor, VRD LTU, Avdelningen för byggkonstruktion, Konstruktionsteknik Mats Emborg, professor Tomas Sandström, industridoktorand, VRD LTH, Institutionen för Bygg- och miljöteknologi, Konstruktionsteknik Marie Westberg, industridoktorand, Vattenfall AB Vattenkraft SWECO Infrastructure Jörgen Dath, forskare Lundström och Wörman är utvalda seniora forskare med verksamhetsansvar inom detta område. En gemensam referensgrupp för verksamhetsområdet Geoteknik och Bergmekanik finns etablerad. Experimentell verksamhet bedrivs vid Älvkarlebylaboratoriet. Samverkan inom SVC sker med verksamhetsområde Strömningsmekanik inom kompetensområde Vattenturbiner och generatorer. Pågående Trovärdig CFD av strömningsförlopp i reglerade vatten Utförare: Staffan Lundström Status: pågår (projekt 1976). Avslutas under våren Man kommer att titta på den fysiska modellen av Höljes samt göra modelleringar med hjälp av beräkningsprogrammet CFX. och jämföra experimenten med friyte-simuleringar och med simuleringar med ett tänkt lock utan friktion Anläggningsdelar - Pågjutning på stora betongkonstruktioner Utförare: Tomas Sandström (industridoktorand) Status: pågående (projekt 1833). Licentiatsexamen februari

37 Vattenkraftens konstruktioner är generellt sett utsatta för mekaniska laster (vattentryck, vind-, snö- och islaster) och fysikaliska angrepp dominerade av frostsprängning och urlakning, men även erosion och ballastskador förekommer (alkalikiselsyrareaktioner). En vanlig typ av betongreparation som används inom vattenkraften är pågjutning av ny betong på befintlig gammal betong. Reparationen utförs genom att man helt eller delvis tar bort den skadade betongen och pågjuter den med en ny betong. Pågjutningen skall kunna motstå belastningarna och angreppen, och samverka med och skydda den underliggande betongen under lång tid. Inom projektet ska en state-of-the-art om pågjutningar på vattenkraftkonstruktioner sammanställas, med fokus på: Konstruktionstyp och konstruktionsdetalj Skadeorsak, skadetyp Miljö, mikro- och makroklimat Pågjutningsmaterialets och underlagets mekaniska, fysikaliska, beständighets- och långtidsegenskaper Utförande Här ingår bland annat litteratur- och en viss fältinventering för att ta reda på de mest frekventa skadetyperna och skadeorsakerna som åtgärdats genom pågjutning. Arbete som redan utförts vid Vattenfall Research and Development kommer att utnyttjas Tillförlitlighetsbaserad utvärdering av betongdammar Utförare: Marie Westberg (industridoktorand) Status: pågående (projekt 1936) Licentiatexamen april 2007 och planerad doktorsexamen våren Tillförlitlighetsanalys kan användas för utvärdering av stabilitet av existerande konstruktioner och det är då möjligt att integrera information om ett visst specifikt objekt, data från mätningar eller tester osv. Eftersom nu gällande dimensioneringsriktlinjer är generellt formulerade och förenklingar görs för att hamna på säkra sidan, kan en mer detaljerad analys visa att säkerheten är tillräcklig utan att uppgradering görs. Tillförlitlighetsanalys kan även användas för att kalibrera partialkoefficienter om en ny riktlinje baseras på partialkoefficientmetoden. Målet med projektet är att utveckla och pröva en metodik för att kunna visa hur säker en betongdammkonstruktion är. Analysverktyget ska vara kompatibelt med systemtänkandet som kännetecknar ett riskbaserat arbetssätt i enlighet med RIDAS. En förfinad analysmetod ger bättre input till beslutsprocessen. I första delen av projektet identifierades en mängd områden där vidare forskning behövdes. Det fortsatta arbetet syftar till att komma vidare inom något/några av följande områden. Formulering av brottmoder och gränstillstånd för betongdammar med fokus på gravitations- och lamelldammar. 30

38 Statistisk formulering av bärförmåga, speciellt skjuvhållfasthet (dvs friktion och kohesion) Statistisk formulering av laster, speciellt upptryck och islast Analys av verkliga fall Figur 15 Gravitationsdamm respektive lamelldamm (Bilder: Westberg, presentation SVC-dagarna 2008) För framtiden är det viktigt att ta ett helhetsgrepp och detta kommer att genomsyra projektet. Westberg har mottagit Elforsks stipendium för sitt arbete Förstudie hydraulisk design Utförare: Jörgen Dath Status: pågående (projekt 1897) Denna förstudie kring hydraulisk design var en inventering och översiktlig utvärdering av bottenutskov i svenska dammanläggningar. I Sverige finns ett stort antal dammanläggningar med bottenutskov. Dessa utskov användes ofta under byggnadstiden för förbiledning av den naturliga vattenföringen för att sedan byggas om till ett ordinärt utskov. Bottenutskovens avbördningskapacitet vid full dämning (DG) kan vara större än vad de ursprungligen dimensionerats för. Syftet med förstudien var att identifiera problem vid tappning genom bottenutskov vid svenska dammanläggningar, öka förståelsen för de hydrauliska tillstånd och fenomen som uppstår i samband med tappning genom bottenutskov samt utgöra underlag för definition av teknisk frågeställning inför ett planerat doktorandprojekt. Problem som uppstått i detta sammanhang är ofta relaterade till tvåfasströmning (luft/vatten). Problem med tvåfasströmning förekommer både på grund av problem med luftmedrivning och på grund av problem med undertryck i vattenvägen. (Luftmedrivning uppstår då luft innesluts och slukas periodiskt. Den slukade luften blandas in i vattnet i form av stora och små 31

39 bubblor och transporteras med vattenströmmen in i tunneln. Detta fenomen kan inträffa när avbördningen sker radiellt ner i ett vertikalt schakt.) Det finns en hel del forskning på detaljer inom området. Såväl luftbubblors stighastighet som luftbubblors påverkan på kavitationserosion förefaller vara relativt klargjort. Forskningen är ofta kopplad till modellförsök, vilka ofta har upprättats i en skala som gör att det inte är självklart att resultaten kan tillämpas för vattenkraftanläggningar. Många svenska bottenutskov har en kombination av betydande luftmedrivning och trycksatta vattenvägar utan möjlighet till kontrollerad luftning och ett forskningsbehov föreligger därför för att öka förståelsen för hela de komplexa förloppen och vilka åtgärder som är möjliga att utföra vid de anläggningar som har uppvisat problem Hydraulisk design, säkerställning av bottenutskovs funktioner för ökad driftsäkerhet Utförare: Ting Liu (högskoledoktorand) Status: pågående (projekt 10030) Licentiatexamen Forskningsfrågorna i detta projekt härstammar delvis från ovan nämnda projekt Förstudie hydraulisk design och delvis på erfarenheter från bl.a. hydrauliska modellförsök och datorsimuleringar utförda i det pågående dammsäkerhetsarbetet i landet. Det finns behov av att undersöka funktioner hos dessa bottenutskov av bl.a. följande anledningar. (1) Bottenutskovs avbördningskapacitet vid full dämning (DG) kan vara större än vad de ursprungligen dimensionerats för. (2) Vid överdämning i en ombyggd damm utsätts utskov för större påfrestningar. (3) Andra driftförhållanden såsom planerad och oplanerad avsänkning för olika ändamål ställer krav på bottenutskovs tillförlitlighet. (4) Driftsäkerheten ska garanteras utan oväntade risker för vibration, luftmeddrivning m.fl. Många bottenutskov har sällan använts sedan de byggdes. Ur dammägarnas perspektiv är det viktigt att öka förståelsen för de hydrauliska tillstånd och ev. fenomen som uppstår i samband med avbördning genom bottenutskov. Detta forskningsprojekt fokuserar på att utforska bottenutskovens tvåfasströmning med hjälp av numeriska modelleringar, i kombination med modellförsök och ev. provtappning. Modellförsöken kan göras separat eller i anslutning till pågående projekt på Vattenfall R & D, Älvkarleby. Projektet behandlar i första hand inte grundläggande fysik utan koncentrerar sig på storskaliga luftrörelser i vattenvägen. 32

40 Figur 16 Matfors kraftverk i Ljungan, källa: Studie av inverkan av bottenråhet på luftinblandning och kavitation vid ett utskov Utförare: Bijan Dargahi Status: pågående (projekt 10033) (seniorprojekt på ettårsbasis) För att uppnå stabil avbördning hos ett utskov samt att för minska kavitation risken är det viktigt att åtgärder vidtas för luftning. Kavitation uppstår när trycket blir lägre än ångbildningstrycket. Dammars utskov är speciellt utsatta ställen. Kavitationsproblem kan minskas genom att injektera luft. Luftinblandningen kan ökas med hjälp av en stor råhet i form av sprängsten som placeras uppströms utskovet. I projektet ska detta studeras med hjälp av en numerisk modell (CFD) som är baserad på tidigare skalmodellsundersökningar över sju olika utformningar av utskov som gjordes av Dargahi Ett av de fall som undersöktes var en studie av inverkan av en stor råhet på avbördningskoefficienten. Detta fall kommer att användas för validering av CFD modellen. 33

41 3.8 Forskningsprojekt: Elektromekanik och rotordynamik Följande forskare är verksamma inom detta verksamhetsområde: UU, Institutionen för teknikvetenskaper, Elektricitetslära Urban Lundin, forskare Niklas Dahlbäck, adjungerad professor, Vattenfall Vattenkraft Martin Ranlöf, doktorand Mattias Wallin, doktorand. Finansierad av ELEKTRA-programmet. Johan Lidenholm, industridoktorand, Vattenfall Research and Development (VRD) Arne Wolfbrandt, forskare Karin Thomas, forskare LTU, Avdelningen för hållfasthetslära Jan-Olov Aidanpää, professor Thommy Karlsson, adjungerad professor, Vattenfall Power Consultant Rolf Gustavsson, seniorforskare, VRD Mathias Nässelkvist, industridoktorand, VRD Jean-Claude Luneno, doktorand Yogeshwarsin Calleecharan, doktorand SWECO Energuide Daniel Sjöberg, forskare Lundin och Aidanpää är verksamhetsansvariga seniorforskare inom detta område. Referensgruppen för verksamhetsområdet har representanter från såväl högskola som industri. Figur 17 En generatorrigg, S-V-A-N-T-E-riggen (Synchronous Vertical Autonomous Novel Test Equipment), vid Uppsala universitet finansieras inom SVC i syfte att möjliggöra praktiska experiment. (Källa: Ångströmlaboratoriet, Uppsala) 34

42 Avslutade Rotordynamics in hydropower systems Utförare: Rolf Gustavsson (industridoktorand) Status: Avslutat (projekt 1824) Gustavsson disputerade under 2009 och fortsätter att arbeta hos VRD efter avlagd examen. Risken för instabilitet och höga vibrationsnivåer i vattenkraftsaggregat kan leda till kostsamma reparationer och produktionsstopp av aggregaten. Inom projektet har dessa risker analyserats, vilket finns dokumenterat i en doktorsavhandling. Höga vibrationsnivåer kan leda till att stator och rotor kommer i kontakt med varandra och ett haveri som följd. Gustavsson konstaterade att gängse modeller inte kunde förklara bakomliggande faktorer och utvecklade således en generatormodell som tar hänsyn till rotorns geometri och därmed erhåller en bättre överensstämmelse mellan verkligt och beräknat värde på aggregatets egenfrekvens. Forskningsprojektet resulterade i alternativa metoder till att avgöra aggregatens status, som komplement till konventionell vibrationsmätning Multifysikaliska modeller för rotordynamisk analys av vattenkraftstationer Utförare: Martin Karlsson. (högskoledoktorand) Finansierad till största del av av ELEKTRA-programmet. Status: Avslutat (projekt 1847, 1954) Karlsson disputerade Efter avlagd examen arbetar Karlsson med dynamik som konsult för Ødegaard & Danneskiold-Samsøe Sverige AB. En generell slutsats i avhandlingen är att multifysikaliska interaktioner är viktiga att inkludera i en rotordynamisk modell. Dessa elektriska krafter är stora och uppstår till följd av det relativt lilla luftgapet mellan roterande och statiska delar i generatorn. Vidare är det konstaterat att elektromagnetiska krafter i en synkrongenerator uppvisar en liknande karaktäristik som motsvarande krafter i asynkronmaskiner med både radiell och tangentiell kraftkomponent och inte bara en radiell kraftkomponent som tidigare forskning har hävdat. Förslag till fortsatt arbetet är vidare utveckling av multifysikaliska modeller Permanentmagnetiserad matare med inbyggd reglermöjlighet Utförare: Karin Thomas Status: Avslutat (projekt 1956). Slutrapport saknas. Målsättning för projektet var att förutsättningslöst undersöka potentialen och fördelarna samt eventuella problem med borstlösa permanentmagnetiserade matare. Arbetet avslutades i förtid utan slutrapport. 35

43 Pågående Beräkningsinsatser Utförare: Arne Wolfbrandt Status: pågående (projekt 10035) Då en generatorns rotor inte är centrerad i statorn (luftgapet är inte konstant runt periferin) kommer den magnetiska dragkraften att vara större i områden med ett litet luftgap jämfört med i områden med större luftgap. Då uppstår en stor nettodragkraft åt ett håll i generatorn. Dessa obalanser, irregulära luftgap, kan uppkomma på många olika sätt. Det kan vara så att toleranserna vid tillverkning gör att ett visst spel måste förekomma. Slitage kan göra att centreringen i lager inte är korrekt, etc. Wolfbrandt gör seniorforskningsinsatser genom utveckling av beräkningsverktyg för simulering av statiska och dynamiska excentriciteter samt irreguläriteter för att beräkna de krafter som uppstår. Mycket av doktorandernas arbete vid avdelningen baseras på dessa numeriska simuleringar. Beräkningsverktyget utvecklas kontinuerligt med t ex implementering av förlustmodellering. I rotorpolerna sitter dämpstavar (då rotorn är uppbyggd av laminerade plåtar) för att dämpa ut oscillationer som uppstår då rotorfältet och fältet från statorlindningen inte går i fas (synkront) med varandra. Strömmarna i dessa påverkar starkt krafterna som uppstår vid eccentriciteter (se ovan), och de inducerade strömmarna i dessa orsakar förluster. Dessa strömmar modelleras numeriskt och analytiskt för att senare kunna jämföras med mätningar Kopplingar mellan nät och generator i vattenkraften, påverkan i generatorn Utförare: Martin Ranlöf (högskoledoktorand) Status: pågående (projekt 1864). Tog licentiatexamen 2009 och fortsätter till doktorsgrad. Inom det detta projekt tittar man närmare på hur transienta förändringar som vinkelförändringar och spänningsdippar förorsakade av omkopplingar eller felfall ute på elnätet påverkar generatorer. Man studerar och räknar på de betydande mekaniska krafter som uppstår när nät och generator vill återgå till ett jämviktsläge efter en plötslig förändring. Problemställningarna inom området kan ses dels från generatorsidan dvs hur en nätstörning påverkar generatorn, dels från nätsidan eftersom generatorn kan absorbera eller förstärka transienter som den får ta emot från nätet. Ett mål är att kunna svara på frågan om generatorn i vissa driftlägen är mer eller mindre känslig för transientabsorption. Den röda tråden i doktorandprojektet är växelverkan mellan generator och nät. Det finns beröringspunkter med doktorandprojekt inom ELEKTRA och SVC. Mätningar inom Starta Sverige -projektet (dödnätsstart) 2010 kan tänkas ingå i den avslutande fasen av doktorandarbetet. Inom ramen för sitt licentiatarbete har Ranlöf arbetat med 36

44 Järnförluster i elektroplåt - En teoretisk studie för att se inverkan av rotationsförluster på den totala förlusten i storskaliga vattenkraftgeneratorer. Beräknade data jämfördes med uppmätta värden. Påverkan av rotation hos flödet ökar förlusterna och ett kvalitativt mått på rotation hos fältet togs fram. Mätningar av nättransienter - Vid början av sina studier mätte Ranlöf nättransienter vid ett ställverk som enligt plan skulle direktkopplas till en vattenkraftstation. Man ville se hur nätet kan tänkas påverka generatorerna. Konstruktionsstudie - En mindre designstudie av en generator i ett motroterande koncept. I det fortsatta arbetet mot doktorsexamen kommer Ranlöf arbeta med en analytisk modell för generatordesign med fokus på dämpstavarna. Arbetet sker delvis i samarbete med VG Power. Syftet är att öka förståelsen kring tomgångsspänningens övertoner och hur de beror på olika konstruktioner. Dämpstavarna är avgörande för dämpning av nätinducerade transienter. Dämpstavar installeras för att skydda fältlindningen vid kortslutning på nätet. Referensgruppen för projektet kommer styra inriktningen på projektet till några av följande frågor: Hur ser förlusterna ut vid nätinducerade transienter (t ex övertoner i nätspänning)? Hur designas en optimal dämpbur? Hur påverkar dämpstavskonfigurationen tomgångsspänningen? Vilken konfiguration är mest effektiv med avseende på dämpning av transienter? Hur väl stämmer data från on-site mätning med teoretiska beräkningar respektive mätningar på experimentriggen? Multifysikaliska modeller för rotordynamisk analys av vattenkraftstationer Utförare: Mattias Wallin. (högskoledoktorand) Finansiering i huvudsak från ELEKTRA-programmet Status: pågående (projekt 1971) Wallin planerar att ta licentiatexamen Inriktningen är excentricitetskrafter från obalanser mellan stator och rotor. Med denna tilläggsfinansiering knyts projektet närmare SVCs verksamhet. Stödet från SVC används till besök vid anläggningar för att studera arbeten som utförs och till deltagande vid generatorkurs som hålls av VG Power Kopplingar mellan nät och generator Utförare: Johan Lidenholm (Industridoktorand) Status: pågående (projekt 1863) planerar att lägga fram sin licentiatexamen under I sitt doktorandarbete har Lidenholm ägnat sig åt att anpassa beräkningsprogrammet Kalk för studier av generatorns interaktion med nätet. Generatormodellen har utvidgats med en modell av spänningsregulator och matare, en kraftnätsmodell samt med mekaniska ekvationer. Lidenholm har programmerat applikationer för simulering av standardiserade tester för 37

45 parameterestimering och verifierat dessa mot mätdata. Under september 2010 kommer ett starta Sverige -test att genomföras då en 400 kv transmissionslina släcks ned och ett par stationer kopplas ur. Man vill visa att man kan göra en dödnätsstart. Doktoranden har ägnat sig åt förberedelser inför dessa mätningar t ex modellering av testnätet i PSCAD samt handledning av två examensarbeten där delar av mätsystemet konstrueras. Figur 18 Porjus nya och gamla aggregat. Foto: Cristian Andersson, Elforsk Rotordynamisk simulering och karakterisering av vertikala maskiner Utförare: Mathias Nässelqvist (industridoktorand) Status: pågående (projekt 1862) Nässelkvist presenterar sin licentiatuppsats i december 2009 och planerar att disputera Projektets vision är att skapa förutsättningar för att bättre simulera den rotordynamiska helheten i ett roterande vattenkraftsaggregat och där igenom möjliggöra reduceringar av maskinskador som kan relateras till rotordynamik. Målet med doktorandprojektet är att skapa en vertikal rotormodell med bättre beskrivning av komponenter och radiallager av typen tilting-pad. En annan målsättning är att öka kunskapen inom området modellering av vertikala vattenkraftsrotorer genom implementering av nya komponentmodeller och andra kända lagermodeller än de som används för horisontella maskiner. Projektet ska även ge input till lagerområdet om vilka behov det finns avseende utveckling av nya modeller. Detta projekt tillsammans med SVCs pågående och planerade doktorandprojekt (inom rotordynamik, lagerteknik, strömningsinducerade krafter från turbin och elektromekaniska krafter från generator) ger förutsättningar för rotordynamiska simuleringar av vattenkraftaggregatets helhet. 38

46 Arbetet fram till licentiat har fokuserats på att simulera och karakterisera rotordynamiska egenskaper hos vattenkraftaggregat. I artikel II och III bestäms ett vattenkraftaggregats egenfrekvenser numeriskt och verifieras sedan genom mätningar på aktuella aggregat. Lagrens inverkan på stabilitet och egenfrekvenser analyserades samt undersökning av vilka förändringar av lagrens egenskaper som var möjliga att utföra för att uppnå en stabilare drift. I artikel I och IV bestäms de radiella krafterna som uppkommer i vattenkraftaggregatens styrlager. Metoderna för att bestämma dessa laster är att mäta töjningar i utvalda delar av stödstrukturen som omger lagret. I artikel I mättes töjningar i de stora stålbalkarna som symmetriskt omger lagerhuset. Vid de lagerlastmätningar som ufördes i artikel IV nyttjades istället cylindriska trådtöjningsgivare installerade i centrum av tilting-pad lagrets lagerdubbar. Lagerdubben är placerad mellan lagersegmentet och lagerhuset och möjliggör justering av segmentet till dess jämviktsposition. Genom dessa modeller har vi idag bättre bild av hur lager skall presenteras i rotordynamiska analyser Kopplade svängningar i vattenkraftsrotorer Utförare: Jean-Claude Luneno (högskoledoktorand) Status: pågående (projekt 1960) Luneno planerar att presentera sin licentiatuppsats hösten Doktorandprojektets inriktning är ett resultat av en workshop inom SVC. Fundamentala frågor kring modellering av vattenkraftrotorn är vilka roterande och stationära delar som ska ingå samt hur olika komponenter ska modelleras. I detta doktorandprojekt fokuseras frågan till att svara på hur kopplade svängningar skall modelleras och vad konsekvensen av detta är i verkliga maskiner. Kopplade svängningar har studerats intensivt inom rotordynamiken och det har visat sig att dessa kopplingar kan ge oväntade och kraftiga vibrationer. I visa fall har det visat sig leda till självexciterade svängningar och även till parametrisk excitation. Projektets avsikt är att fastställa när dessa problem kan uppstå och utreda vad orsaken till dessa är. Målet är att ta fram bättre modeller av vattenkraftsrotorer för rotordynamisk analys. Fram till licentiatexamen är målet att Klargöra vilka komponenter som kan ge kopplade svängningar i rotorsystemet. Fastställa inverkan av elektrisk och mekanisk obalans på kopplade svängningar i vattenkraftsrotorer. Fastställa axillagrets inverkan på koppling och styvhet i rotorsystemet Multifysikaliska modeller för rotordynamisk analys av vattenkraftstationer Utförare: Yogeshwarsin Calleecharan (högskoledoktorand). Doktorandprojektet finansieras i huvudsak av forskningsprogrammet ELEKTRA. Status: pågående (projekt 1972) Planerar att avlägga licentiatexamen

47 Inriktningen är excentricitetskrafter från obalanser mellan stator och rotor. Med denna tilläggsfinansiering knyts projektet närmare SVCs verksamhet. Stödet från SVC används till besök vid anläggningar för att studera arbeten som utförs, deltagande vid internationell workshop om ny mätteknik och besöka Uppsala universitet för att lära sig mer om generatortestriggen som byggs Analys av vibrationsdata Utförare: Daniel Sjöberg Status: pågående (projekt 1975) IEC och ISO driver en gemensam arbetsgrupp för att omarbeta vibrationsnormen för roterande maskiner i vattenkraftstationer (ISO/IEC och ). Från Sverige deltar Åke Grahn, Vattenfall och Anders Bard, SWECO. Inom SEK-TK4 har det bildats en särskild arbetsgrupp för att hantera dessa frågor. För att möjliggöra en omarbetning krävs mätdata och analys av dessa. Insamling och analys hanteras av Sjöberg inom ramen för detta projekt. 40

48 3.9 Forskningsprojekt: Strömningsmekanik Följande forskare verkar inom detta område: Chalmers, Avdelningen för strömningslära Lars Davidson, professor Håkan Nilsson, docent Pirooz Mohradnia, doktorand Walter Gyllenram, doktorand Olivier Petit, doktorand Lunds Tekniska Högskola, Institutionen för energivetenskaper, Strömningsteknik Aurelia Vallier, doktorand Luleå Tekniska Universitet, Avdelningen för strömningslära Staffan Lundström, professor Michel Cervantes, universitetslektor Daniel Marjavaara, doktorand Berhanu Mulu Geberkiden, doktorand Pontus Jonsson, doktorand Vattenfall Research and Development Gunilla Andrée, forskare Urban Andersson, forskare Magnus Lövgren, forskare Nilsson och Cervantes är verksamhetsansvariga seniora forskare inom strömningsmekanik. Den forskning som bedrivs i projekten vid Chalmers och LTH syftar till att utveckla och tillämpa CFD för vattenkrafttillämpningar samt att öka förståelsen för strömningen. Speciellt fokuserar vi på instationär turbulensmodellering i sugrör (Walter), kavitation (Aurelia), konvektiv kylning av generatorer (Pirooz) och utveckling av OpenFOAM för vattenkrafttillämpningar (Håkan, Aurelia, Olivier, Pirooz). Forskningen vid LTU är huvudsakligen experimentell. Den syftar till att öka förståelsen för olika strömningsfenomen relaterade till vattenkraft samt för att stödja beräkningsgruppen vid Chalmers. En huvudsaklig aktivitet är att genomföra undersökningar av U9-modellen med avancerad mätteknik. Syftet är att bygga en databank för utveckling av CFD och skallagar. Ett annat utvecklingsområde är flödesmätningar, tillämpbara för vattenkraften. Verksamhetsområdet har en gemensam referensgrupp. Experimentell strömningsmekanik utförs vid generatorriggen i Uppsala (SVANTE), på U9- modellen i Älvkarlebylaboratoriet (se figur nedan) samt på U9 i Porjus. Det sker utbyte med NTNU. 41

49 Figur 19 Laborationsverksamhet med turbinrigg finns i Vattenfalls laboratorium i Älvkarleby. (Källa: Urban Andersson, SVC-dagarna 2010) Avslutade Detaljerade mätningar av Hölleforsens sugrör Utförare: Urban Andersson (industridoktorand) Status: Avslutat (projekt 1969). Andersson disputerade 2009 och fortsatte sin anställning vid VRD. Andersson genomförde detaljerade mätningar av Hölleforsen sugrörsmodell med hjälp av avancerad mätteknik, som laser doppler anemometry och byggde upp en omfattande databank för validering av sugrörsmodellering. Tack vare dessa mätningar har tre Turbine-99 -workshopar genomförts. Workshoparna har bidragit till ökad förståelse av CFD-verktyg samt internationellt erkännande av svensk vattenkraftforskning inom strömningsmekanik. En målsättning var att slutföra dokumentationen av tidigare utförda experiment så att dessa resultat kan bli tillgängliga för de doktorander som ska utföra mätningar vid laboratoriet i Älvkarleby på Porjus U9-modellen. 42

50 3.9.2 Tidsupplösta beräkningar av strömningen i vattenturbinsugrör Utförare: Walter Gyllenram (högskoledoktorand) Status: avslutat (projekt 1842). Walter disputerade våren 2008 och fick sedan fast anställning på SMHI i Göteborg, där han arbetar med frågeställningar som ligger nära vattenbyggnadsdelen av SVC. Strömningen i vattenturbinsugrör är turbulent och instationär, speciellt när anläggningen måste köras utanför bästa verkningsgrad. Ett speciellt fenomen som kan skapa stora tryckfluktuationer, med oljud, strukturskador och verkningsgradssänkning som följd är det så kallade virvelrepet under navet och i början av sugröret. Figur 20 Resultat av Walter Gyllenrams doktorandprojekt. Målet med projektet var att utveckla numeriska modelleringen av instationär strömning i vattenturbinsugrör. Fokus var att prediktera och studera virvelrepet efter löphjulets nav. För att på ett korrekt sätt kunna modellera effekterna av denna instationära strömning räckte det inte att utföra de stationära beräkningar som är vanliga inom vattenturbinindustrin idag. Istället fick Gyllenram studera och utveckla turbulensmodeller som tillåter instationär strömning. Walter Gyllenram tog även fram en analytisk metod för att studera risken för uppkomst av virvelrep Formoptimering av vattenvägen Utförare: Daniel Marjavaara, (högskoledoktorand) Status: avslutat (projekt 1796) SVC finansierade enbart sista året av doktorandprojektet. Marjavaara disputerade 2006 och fick anställning som projektledare för strömningsprojekt på LKAB efter examen. Målet med projektet var att utveckla och implementera optimeringsrutiner för att formoptimera vattenvägarna i ett vattenkraftverk. Metodiken är generell, 43

51 men projektet fokuserade på sugrörsgeometrier i vattenturbiner. Dessa geometrier är både ur optimerings- och modelleringssynpunkt komplicerade eftersom strömningsförloppet är invecklat och inkluderar många fenomen såsom turbulens, avlösning, sekundär strömning, virvelrep m.m.. Resultaten av Marjavaaras forskning belyser potentialen och fördelarna med surrogatbaserade optineringsmetoder (Surrogate-based optimization, SBO). De är särskilt effektiva för beräkningstunga system såsom CFD-baserade sugrörsberäkningar. Surrogatmodeller är fördelaktiga som optimerings- och designverktyg, eftersom de ger god kunskap i såväl enskilda designvariablers karakteristik som design- och lösningsrymdens utseende. Surrogatmodeller är en approximativ modell av målfunktionen. Ur denna approximativa modell kan sedan ett optimum enkelt predikteras till en rimlig och låg beräkningskostnad. Exempel på surrogatmodeller som studeras i projektet är Responsytemetoden och Neurona Nätverk. De modelleringsmetoder som använts i CFD-beräkningarna är främst RANS, men även DES (en blandning mellan URANS och LES) då strömningsförloppet och prestandan i sugröret är väldigt svårt att bestämma. Marjavaara studerade ovanstående optimeringsmetoder på två olika sugrör, Hölleforsens sugrör (Kaplan) respektive Yngeredsforsen sugrör (Francis). Optimeringsresultaten stämde relativt väl överens med experimentella resultat, vilket illustrerar att ansatsen är tillförlitlig. Dock förekom några kvantitativa diskrepanser. Marjavaara rekommenderar således att vidareutveckla CFD-simuleringarna, genom att förslagsvis inkludera löphjulets geometrier och/eller använda mer avancerade turbulensmodeller i beräkningarna Tryck- och flödesmätning i vattenkraftsystem Utförare: Magnus Lövgren, (industridoktorand) Status: avslutat (projekt 1797). Licentiatexamen juli Idag arbetar Lövgren på Vattenfall Research and Development med strömningsprojekt. Projektet handlade om ickestationära tryckmätningar i modell och i fullskaleturbiner. I projektet fanns två skilda mål: ett relaterat till strömningssimuleringar och ett relaterat till flödesmätningar. Flödesmätningar är av stort intresse inom vattenkraften t ex vid mätning av verkningsgrad och validering av effektiviseringar (i samband med introduktion av elcertifikat). Gibsons metod använder kopplingen mellan flöde och tryck vid stängning av ledskovlar. Metoden är väl utvecklad för maskiner med ett visst flöde och stor fallhöjd. En internationell standard existerar men svenska förhållanden ligger ofta utanför dess giltighet och metoden behöver därför utvecklas. Lövgren genomförde därför en experimentell undersökning vid laboratoriet vid LTU. Experimenten kompletterades med modellering av förloppet och numerisk beräkningar. Resultatet visade att det är möjligt att korrigera flödesmätningen utanför standardens gränser. 44

52 Sugröret utgör en integrerad del av vattenkraftanläggningen där den kinetiska energin i flödet efter turbinen omvandlas till tryck. En experimentell undersökning gjordes på en modell av ett sugrör i Älvkarleby för att fastställa detaljerna kring tryckåtervinningen i sugrörsinloppet. Projektet utvidgade Urban Anderssons sugrörsmätningar på Hölleforsenmodellen. Syftet med experimenten var att öka förståelsen för tidsberoende tryckfördelningar samt att förbättra valideringsunderlaget för datorsimuleringar med CFD (Computational Fluid Dynamics). Resultatet visade på stor dämpning av den oscillerande delen av trycket i axiellt led. Gjorda mätningar av den radiella tryckfördelningen vid sugrörsinloppet tyder också på att mätmetodiken behöver ses över. Pågående Randvillkor för noggranna och snabba beräkningar av strömningen i U9an Utförare: Olivier Petit (högskoledoktorand) Status: pågående (projekt 1861) Petit planerar att avlägga licentiatexamen under våren Inom projektet studeras strömningen i U9-modellen och hur olika val av randvillkor påverkar resultaten. I detta ingår även utveckling av OpenFOAM. Projektet kommer ge en ökad förståelse för detaljerna i flödet i U9-modellen, genom såväl experimentella resultat som numeriska beräkningar. Fram till licentiatexamen kommer Petit att ha räknat på alla komponenter (inloppstank, inloppstub, spiral, löphjul, sugrör) i anläggningen och ha jämfört dessa med mätningar och CFX-beräkningar. I nästa etapp, från lic. till doktorsexamen fokuserar doktoranden på förfining av beräkningarna, parameterstudier, koppling mellan de olika delarna, framtagning av krav på uppmätandet och ansättandet av randvillkor så att experiment och beräkningar utförs under samma förutsättningar. Figur 21 Simulerat flöde av inre vattenväg. (Källa: Håkan Nilsson, Olivier Petit Chalmers, SVC-dagarna 2008) 45

53 3.9.6 Generatorkylning Utförare: Pirooz Moradnia (högskoledoktorand) Status: pågående (projekt 1959) Moradnia planerar att avlägga licentiatexamen under 2010 och att disputera Anläggningsägare spenderar årligen stora summor på underhåll av bl a generatorn. Föråldrande av generatorn påskyndas genom intermittent driftkörning, otillräcklig och ojämn kylning, vibrationer, temperaturförändringar och transienta laster. Man kan inte utesluta en viss korrelation av dessa faktorer. Syftet med projektet är att från ett strömningsmekaniskt perspektiv skapa villkor som reducerar slitage och förluster på anläggningen relaterat till ineffektiv kylning. Målet är att förkovra sig i kylprocessen hos roterande elektriska maskiner, med fokus på vattenkraftsgeneratorer. Computational Fluid Dynamics (CFD) ska utnyttjas för att analysera problemet. Ökad kunskap kring luftflödet och rumsliga utbredningen av temperatur kan leda till förbättrat flödesfält och temperaturfördelning. Det kan också resultera i minskade ventilationsförluster, som i sin tur ökar effektiviteten hos generatorn Framtagning, implementering, validering och utvärdering av tvåfas- och kavitationsmodeller som är relevanta och användbara för kavitationssimuleringar i verkliga vattenturbintillämpningar Utförare: Aurelia Vallier (högskoledoktorand) Status: pågående (projekt 1845) Vallier planerar att presentera sin licentiatuppsats under hösten 2010 och att disputera Målet med projektet är att öka kunskapen om kavitationsprocesser och deras modellering samt att implementera och validera de nödvändiga modeller som är användbara för verkliga vattenturbintillämpningar i OpenFOAM. Tillgänglig och i projektet utvecklad kunskap och utvecklade verktyg skall kunna användas för att förbättra både befintlig och ny skoveldesign. Hon har hittills gjort beräkningar för att se hur kavitationskärnor ackumuleras i lågtrycksområden vid bladprofiler, samt utvärderat Volume Of Fluid-metoden i OpenFOAM Experimentell undersökning av U9an Utförare: Berhanu Mulu Geberkiden (högskoledoktorand) Status: pågående (projekt 1860) Mulu presenterade sin licentiatuppsats i december 2009 och planerar att disputera Genom sitt arbete har doktoranden påbörjat hastighets- och väggskjuvsmätningar i testriggen på LTU för att undersöka effekter av ickestationär strömning på förlusterna. Han har också genomfört omfattande hastighetsmättningar på U9-modellens inlopp, spiral och sugrör vid VRD. Utvärdering har påbörjats med hastighetsmedelvärden i sugröret. 46

54 Figur 22 Vid Luleå Tekniska Universitet finns laborativ utrustning till stor nytta för doktorandprojekten. (Källa: Michel Cervantes) Förväntat resultat inom projektet från licentiat till doktorsgrad är (1) en stärkt koppling mellan LTU, Chalmers och VRD, (2) hastighetsdatabank av strömningen i U9 modellen som bäddar för vidareutveckling av strömningsmekanik området på skallagar och CFD inom SVC samt (3) bättre insikter av effekterna av icke stationär strömning på förlusterna Flödesmätning i vattenkraftsystem Utförare: Pontus Jonsson (högskoledoktorand) Status: pågående (projekt 1859) Jonsson avlade licentiatexamen i februari 2009 och planerar att disputera Gibsonmetoden är väl utvecklad för maskiner med ett visst flöde och stor fallhöjd, vilket Jonsson presenterade i sin licentiatuppsats. En internationell standard existerar, men svenska förhållanden ligger ofta utanför dess giltighet och metoden behöver därför utvecklas. Genom sitt arbete till licentiatexamen har Jonsson utvecklat en numerisk modell samt genomfört noggranna experiment på en ny testrigg vid NTNU, Norge. Resultatet visar liknande trend mellan numeriska och experimentella resultat: felet ökar med lägre hastighet/reynolds tal. En överraskning var de låga fel (< 2 %) i flödesmättningar utanför IEC41-standard jämfört tidigare mätningar (upp till 25 %). Dessutom har inverkan av slangkopplingar på mätningar kvantifierats och bedömts som liten jämfört med övrigt fel. Parallellt har Pontus Jonson deltagit i mätningar på U9-modellen. Han har genomfört omfattande ickestationära tryckmätningar i spiralen och i sugröret. Utvärdering och analys har påbörjats. I arbetet från lic. till doktor ska mätningar på U9 modellen (vinkelupplösta) utvärderas och en databank skapas. Jonsson ska fortsätta mäta på riggen vid NTNU, Norge. Även mätningar på U9-prototypen är planerat för att bekräfta lab- mätningar. Den numeriska modellen ska vidareutvecklas för att bli av hastighet/reynolds-talberoende. 47

55 3.10 Forskningsprojekt: Tribologi, Maskinelement och Tribotronik Följande forskare är verksamma inom detta verksamhetsområde: LTU, Avdelningen för maskinelement Sergei Glavatskih, professor Marika Thorbacke, adjungerad professor, Statoil Gregory Simmons, doktorand Mathew Cha, doktorand En referensgrupp för verksamhetsområdet finns etablerad. Glavatskih är ansvarig seniorforskare för detta verksamhetsområde. Forskningen är främst koncentrerad till tribologi vilket är läran om nötning, smörjning och friktion. Målet med forskningen inom detta verksamhetsområde är att ta fram lösningar för att öka miljöprestanda, effektivitet och säkerhet i vattenkraftanläggningar. Det handlar om forskning med miljöanpassade smörjmedel, mindre friktionsförluster (t ex 50% lägre förluster med Teflonlager) och aktiv tribotronisk styrning av mekaniska komponenter (t ex styrlager). Figur 23 Design av testrigg som monterades under 2009 vid LTU. (Källa: Sergei Glavatskih) Avslutat Compliant surface guide bearings lubricated by environmentally adapted lubricants Utförare: Donald McCarthy (högskoledoktorand) Status: avslutat (projekt 1844) Disputerade april Han fick senare anställning på Volvo CE i Eskilstuna. Den svenska titeln på Donald McCarthys projekt är: Elastiska styrlager smorda med miljöanpassade smörjmedel. Forskningsprojektet resulterade i följande: 1. Transienta arbetsförhållande har analyserats m a p variationer i oljefilmstemperatur och oljefilmtjocklek. 48

56 2. Mikrostrukturer på lageryta har positiv inverkan på lagerprestanda: friktionskoefficient reduceras. 3. Användning av syntetiska estrar förbättrar prestanda av glidlager i Kaplanturbiner: mindre friktion och nötning. 4. Miljöanpassade oljor fungerar lika bra om inte bättre än mineraloljor av samma viskositetsgrad i hydrodynamiska kontakter. 5. Viskositetsindex (VI) har stark inverkan på lagerprestanda. Det är bäst att ersätta mineraloljor med miljöanpassade oljor av lägre viskositsgrad men högre VI. 6. PTFE kompositer förbättrar lagerprestanda: lägre temperaturer och tjockare oljefilm. 7. PTFE kompositer ger mycket lägre friktion vid start jämfört med vitmetall. Resultat av detta projekt är viktiga för andra lagerprojekt: t ex för optimering av elastiska kompositer m a p friktion och nötning. Under projektets gång hade forskargruppen samarbete med Statoil Lubricants och Chalmers (avdelningen för tillämpad fysik). Pågående Determination of dynamic characteristics of hydrodynamic journal bearings Utförare: Gregory Simmons (högskoledoktorand) Status: pågående (projekt 1846) Simmons planerar att presentera sin licentiatuppsats 2010 och att disputera Projektet handlar om experimentella studier av dynamiska egenskaper hos radiella glidlager. Arbetet omfattar framtagning av en avancerad testrigg och dynamiska lagertester. Det här projektet har stark koppling till projekten 1844 (ovan) och 1858 (nedan) där rekommendationer om materialval och numeriska lagermodeller tas fram. Arbetet pågår med konstruktion av testriggen. Eftersom riggen ska användas för att undersöka dynamiska egenskaper hos olika typer av glidlager måste konfiguration och dimensionering ta hänsyn till detta. En viktig del av testriggen är magnetlager som stödjer testaxel och tillåter större flexibilitet jämfört med rullningslager. Deras styrning är både komplicerat och dyrt samt har stark koppling till konstruktion av testriggen. Ett koncept med testglidlager i mitten av riggen mellan två magnetlager har valts. Magnetlager skall utnyttjas för att eliminera friktionsförluster i stödlager och för att excitera ett rotorglidlagers system samt som mättutrustning. Samtidigt utförs djupa studier och undersökningar av olika utrusningar som behövs samt om hur de skall monteras för noggrann mättning av intressanta statiska och dynamiska egenskaper hos testglidlager. 49

57 Figur 24 Porjus kraftstation. Foto: Cristian Andersson, Elforsk Dynamic behavior of low viscosity fluid film bearings with compliant linings Utförare: Mathew Cha (högskoledoktorand) Status: pågående (projekt 1858) Cha planerar att lägga fram sin licentiatexamen 2011 och disputera Projektet handlar om icke-linjära numeriska studier av hur elasticitet hos hydrodynamiska lager kan förbättra lagerdynamik i stora vertikala maskiner. Realistiska lagermodeller för vertikala maskiner ska utvecklas. Effekten av viskositet på dynamisk beteende av sådana lager skall också undersökas (t ex vad händer om vi byter mineral olja VG68 till tunnare syntetisk olja VG32?). Lagermodeller ska användas inom SVCs verksamhetsområde Elektromekanik och rotordynamik. 50

58 3.11 Systemfrågor: Risk- och säkerhetsanalys, underhåll och reglerkraft Inom detta verksamhetsområde finns systemövergripande delområden. Systemfrågorna är gemensamma för såväl kompetensområde vattenbyggnad som kompetensområde vattenturbiner och generatorer. En arbetsgrupp med inriktningen risk och system etablerades under I arbetsgruppen ingår Lars Hammar, Vattenfall Vattenkraft och Maria Bartsch, Svenska Kraftnät. Arbetsgruppen har till uppgift att 1) identifiera applikationsområden inom vattenkraften där det kan vara lämpligt att ha ett riskanalytiskt arbetssätt (t.ex. avbördning och underhåll) samt föreslå lämpliga aktiviteter inom områdena 2) att med avseende på System föreslå aktiviteter som ger miljöerna inom SVC ökad förståelse för och träning i hur ett vattenkraftsystem hänger ihop, t.ex. på temat vattenkraften i ett förändrat klimat. Figur 25 De flesta frågeställningar inom detta systemområde kommer att hanteras inom övriga delområden för att säkerställa den tekniska relevansen i satsningarna. Foto: Även för delområdet reglerkraft initierades en arbetsgrupp under I gruppen ingår Niklas Dahlbäck, Vattenfall Vattenkraft och Olle Mill, Svenska Kraftnät. En seniorforskare från varje kompetensområde ingår också i gruppen; Urban Lundin, Uppsala universitet samt Anders Wörman, KTH. Till gruppen har ytterligare kompetens vid Svenska kraftnät knutits. Arbetsgruppen har till uppgift att föreslå lämpliga aktiviteter inom området. Strategin avseende underhåll är att utveckla befintliga miljöer inom kompetensområdets övriga verksamhetsområden mot underhåll. 51

59 52