On the changes in dynamic behavior produced by the hydraulic turbine runner damage
Authors:   , Zhang Ming 
Published: October 2023

Hydropower plays a very important role in the world electricity generation nowadays. Hydropower is one type of renewable energy and is the only renewable energy source that can provide a wide range of power regulation with fast response, which is very important for the electricity grid stability. Hydraulic turbines are the key equipment of hydropower plants. The power concentration in hydraulic turbines is increasing very fast in the past years. As a consequence, heads and fluid velocities are higher, and the hydraulic excitation forces on the turbine runner increase. On the other hand, to improve the efficiency of hydraulic turbines, the thickness and weight of the runner have been decreased as much as possible, which also increases the stresses in the runner. Furthermore, the operation range of hydraulic turbines is widened in order to satisfy the end-users’ demand of larger regulation capacity. This operation at extreme off-design conditions leads to even larger forces.

Due to these reasons, many fatigue failure cases have been reported in the literature. Some fatigue failure cases showed very large cracks, which also indicates the challenge of crack monitoring during operations. To monitor the cracks in hydraulic turbines, it is imperative to study the effect of a crack on the dynamic behavior of hydraulic turbines. The dynamic behavior of hydraulic turbines has been studied extensively during the past decade. However, most of these studies were focused on Francis turbines and pump turbines, and the dynamic behavior of other types of hydraulic turbines, e.g., Kaplan turbines, have still been studied limitedly. Moreover, all of these studies were conducted on runners without cracks, and the effect of a crack on the dynamic behavior of hydraulic turbines has still not been studied before.

In the present thesis, the effect of a crack on the dynamic behavior of Kaplan turbines and Francis turbines has been studied in detail. The research emphasis is laid on Kaplan turbines. This is divided into two steps. First, the dynamic behavior of an intact Kaplan turbine runner is studied. Then, based on the dynamic behavior of intact turbine runners, the effect of a crack on one blade is investigated. A systematic approach has been used for study. The research start from numerical models, and then, the numerical results are validated by experiments. The studies on the numerical models are conducted step by step from simplified blade models to single blade models and continuously to whole turbine models. The knowledge obtained on Kaplan turbines is also applied to a Francis turbine runner, whose dynamic behavior was previously studied

La energía hidroeléctrica juega un papel muy importante en la generación de electricidad hoy en día. La energía hidroeléctrica es la única fuente de energía renovable que puede proporcionar gran regulacion de potencia con una respuesta rápida, que es precisamente lo que demanda la red eléctrica. El elemento más importante en plantas hidroeléctricas es la turbina hidráulica. La concentración de potencia en turbinas hidráulicas está aumentando muy rápido hoy en día. Como consecuencia, las presiones y velocidades son mayores, y por lo tanto las fuerzas de excitación aumentan. Por otro lado, para mejorar la eficiencia de las turbinas hidráulicas, así como para lograr mayores aceleraciones durante las variaciones de carga, el grosor / peso del rodete se disminuye tanto como es posible, lo que también aumenta es estrés que recibe el rodete. Además, el rango de operación de las turbinas hidráulicas se está viendo ampliado para satisfacer la demanda de los usuarios proporcionando una mayor capacidad de regulación. La operación de las turbinas en condiciones fuera de diseño conlleva todavía a mayores fuerzas y esfuerzos en el rodete. Debido a estas razones, han habido muchos fallos por fatiga de componentes de turbinas hidráulicas en los últimos años. En algunos casos se encontraron grandes fisuras en la estructura, lo que indica que son difíciles de detectar con los actuales sistema de monitoreo de estas máquinas. Para controlar la aparición de fisuras en turbinas hidráulicas, es imprescindible estudiar el efecto de estas fisuras en el comportamiento dinámico de turbinas hidráulicas. El comportamiento dinámico de turbinas hidráulicas se ha estudiado en detenimiento durante la última década.. Sin embargo, la mayoría de estos estudios se centraron en turbinas Francis y bomba turbinas, mientras que el comportamiento dinámico de otros tipos de turbinas hidráulicas, como por ejemplo, las turbinas Kaplan, no ha sido estudiado todavía con detalle. Además, todos estos estudios se realizaron en rodetes sin fisuras, con lo que el efecto de una fisura en el comportamiento dinámico de turbinas hidraulicas todavía no se conoce. En esta tesis se ha estudiado el efecto de una fisura en el comportamiento dinámico de turbinas Kaplan y Francis. El énfasis de la investigación está puesto sobre todo en turbinas Kaplan. Primero se ha estudiado el comportamiento dinámico de un rodete de turbina Kaplan intacto. Luego, basándose en el comportamiento dinámico de los rodetes intactos, se ha investigado el efecto de una fisura en una pala. Para realizar la investigación se ha realizado un estudio sistemático: las investigaciones parten de modelos numéricos, y luego los resultados se han validado con experimentos. Los estudios con los modelos numéricos se han llevado a cabo paso a paso, desde modelos de álabes simplificados hasta un modelo de un álabe de turbina Kaplan o del rodete entero. El conocimiento obtenido en las turbinas Kaplan también se ha aplicado a un rodete de turbina Francis, cuyo comportamiento dinámico se había estudiado previamente.