Vannkraftlaboratoriet

Forskning

Forskningen er knyttet til oppgaver på master- og PhD-nivå, og det utføres også forskningsprosjekter i samarbeid med Statkraft og andre virksomheter. Oppgaver som Vannkraftlaboratoriet er involvert i, er design av strømningsmaskiner og komponenter, beregninger for ferdig design ved hjelp av numeriske regneprogrammer for datamaskin, materialprøving med hensyn til kavitasjonserosjon, vurdering av materialer med hensyn til utmatting i kombinasjon med strømningsinduserte strukturvibrasjoner, beregninger for stabilitets- og sikkerhetsmarginer i vannveier, og tilrettelegging for målinger og analyser i strømningssystemer. Arbeidet ved laboratoriet skjer ved samarbeid mellom NTNU, SINTEF og eksterne.
I laboratoriet er det pumper som kan skaffe vannføring og trykk for blant annet å teste modeller av turbiner og pumper. NVE har sammen med NTNU tatt initiativ til at vannkraftlaboratoriet kan brukes til kontroll av små vannturbiner som brukes til mini- og småkraftverk i Norge. Her kan både leverandører og kjøpere få testet småturbiners virkningsgrad og eventuelt undersøkt om kavitasjon kan bli et problem.

Historie

Den 1. januar 1912 ble Gudmund Sundby utnevnt til professor i vannkraftmaskiner ved Norges tekniske høyskole. Det ble Sundbys oppgave å få etablert vannkraftlaboratoriet, og etter en studiereise til Sveits og Italia tok han fatt på byggingen. Vannkraftlaboratoriet ble fullført i 1917 og dets offisielle navn var «Laboratoriet for vannkraftmaskiner». Før dette hadde Kværner Brug og Myrens verksted bygget hver sin prøvestasjon for vannturbiner. Imidlertid var det nye vannkraftlaboratoriet mye større.

Oppbyggingen av vannkraftlaboratoriet

Vannkraftlaboratoriet ble bygget med tre uavhengige hydrauliske systemer, hvert med forskjellig kapasitet for fallhøyde og vannføring. En nedskalert modell av turbinkonstruksjonen som skulle undersøkes, ble satt inn i laboratoriet, og denne modellen ble drevet av vann fra en stor tank som stod på loftet i bygningen. Vannet som strømmet ut fra turbinen ble pumpet opp tilbake til tanken, slik at det samme vannet sirkulerte rundt i systemet. For å måle vannmengden ble det brukt en metode der vannet ut fra testturbinen strømmet sakte i en målekanal. Langs kanalen var det skinner, og på disse skinnene ble det plassert en liten vogn som trillet lett avgårde.  Vognen hadde et lite stativ for en skjerm som ble satt ned i kanalen. Skjermen og vognen ble dratt med av vannstrømmen. Når så kanalens tverrsnitt var kjent kunne man måle hvor lang tid vognen brukte på å rulle en viss avstand, og ut fra dette kunne man beregne vannstrømningen i for eksempel liter per sekund.
En metode for å beregne dreiemoment som modellturbinen ytet, var å la turbinen drive rundt en skive. Rundt denne skiven, som ble kalt en bremseskive, ble det strammet et bånd. Båndet hadde regulerbar stramming, og var oppstilt i et stativ. Dette stativet hadde videre forbindelse til en arm med en påmontert vekt. Kraften som ble avlest på vekten ble multiplisert med armens lengde. Resultatet av kraft multiplisert med armens lengde kalles «momentet», og dette momentet er igjen direkte proporsjonalt med turbinens dreiemoment. Videre hadde en nøyaktige instrumenter for å finne turtallet til turbinen, og dermed kunne man enkelt beregne turbinens effekt. Når også vannstrømningen og fallhøyden er kjent, beregnes effekten som vannet inn til turbinen teoretisk kan yte. Ut fra dette kan til sist virkningsgraden bestemmes.
Forbedring av virkningsgraden til turbiner er også viktig, ikke bare å kunne konstatere denne størrelsen for en gitt turbinkonstruksjon. For å finne årsaken til at forskjellige turbiner har større eller lavere virkningsgrad, er det viktig å kunne måle trykk og vannhastighet inne i turbinen mens den går. Om for eksempel en francisturbin skal undersøkes, må man undersøke så mange punkter som mulig inne i ledeapparatet, på løpehjulet (selve turbinen) og inne i sugerøret. Det som er interessant å få målt direkte er trykket. For å få undersøkt trykket ble det laget modeller av turbiner der flere pitotrør var montert inn i turbinen, slik at målinger kunne foretas under kjøring av turbinmodellen i laboratoriet. Dermed kunne en få dannet seg et bilde av hvordan vannet beveget seg gjennom turbinen, og i neste omgang kunne en konstruere en ny turbin med enda bedre egenskaper.

Utvikling av turbinene til Solbergfoss kraftverk

En oppgave som fikk stor betydning for vannkraftlaboratoriet og utvikling av norsk turbinindustri, var byggingen av Solbergfoss kraftverk, som ble vedtatt av Stortinget i 1916. Dette kraftverket ble bygget  av Vassdragsvesenet og Kristiania kommune. Det ble oppnevnt en byggekomité bestående av representanter fra de nevnte institusjonene samt av professor i vannkraftutbygging Olav Heggstad. På grunn av første verdenskrig ble flere utenlandske verksteder utelukket fra å være med på anbudskonkurransen for turbinene, enten fordi de var opptatt med krigsviktig produksjon eller på grunn av blokade. Først ville byggekomiteen at de to norske turbinprodusentene, Kværner Brug og Myrens verksted, samt to svenske fabrikanter, skulle konkurrere om anbudet. Imidlertid besluttet man at bare de norske fabrikantene skulle få være med i anbudskonkurransen. Av nasjonale hensyn mente man at norsk industri måtte favoriseres.  
Byggekomiteen kontaktet professor Sundby for å få hans hjelp til å utforme anbudskonkurransen. Sundby var spesielt opptatt av at byggekomiteens utkast til anbudspapirer ikke var konkret nok når det gjaldt turbinenes virkningsgrad. Han mente at virkningsgraden måtte spesifiseres både til vannmengde gjennom turbinene og fallhøyden, samt også til målemetode. Bare slik kunne det knyttes garantier til oppgitt virkningsgrad ved kontraktsinngåelse. Sundby foreslo også at verkstedene som ville være med på anbudskonkurransen skulle levere modeller av turbinene. Disse kunne dermed testes på vannkraftlaboratoriet for å få konstatert virkningsgraden.
Ved inngåelse av anbudskonkurransen satte de to svenske fabrikantene byggekomiteen under press, og det ble til at de skulle få levere inn sine uoffisielle anbud. Det viste seg at Myren og Kværner tilbød turbiner med lavest virkningsgrad med henholdsvis 83 % og 84 %. Byggekomiteen ble nå mer interessert i de svenske tilbudene, men Sundby mente at de norske turbinene hadde bedre tekniske løsninger og at forbedringer for å oppnå bedre virkningsgrad var mulige. Det ble til at Sundby i alt fikk teste hele 12 turbinmodeller fra de to norske leverandørene. Disse var nedskalert nøyaktig i forholdet 1:5. Virkningsgraden ble dermed stadig forbedret for hver modell som ble testet. Solbergfoss kraftverk fikk, på grunn av dette, turbiner som var spesiallaget for kraftstasjonens særegne vannføring. Med dette hadde anbudsrunden endret seg fra å være et rent forretningsmessig anliggende til å bli en utviklingsprosess, noe som kom de norske bedriftene til fordel.
Senere ble det utlyst en ny anbudskonkurranse for seks nye turbiner, og i denne omgangen ble hele 12 verksteder rundt om i verden kontaktet. I februar 1921 kom det inn anbud på turbiner fra Kværner Bruk, Myrens verksted, Westinghouse (England), Leflaive & Cie (Frankrike), Voith (Tyskland), Bieglieb Vulcan-Werke (Tyskland), og Karlstad Mekaniska Werkstad (Sverige). Nå var det de to norske verkstedene som tilbydde turbiner med størst virkningsgrad. Myren garanterte en virkningsgrad på 90 % og Kværner på 88,5 % Kværners turbin var på den andre siden billigere. Den hadde også større virkningsgrad over et stort pådragsområde og ved varierende fallhøyder. Nå kunne det velges norskproduserte turbiner uten noen nasjonal favorisering. En spesiell omstendighet var at utvidelsen av kraftstasjonen ble utsatt i to år. Dermed kunne Kværner få foreta nye modellprøver i vannkraftlaboratoriet, og etter at turbinene var satt i drift viste det seg at virkningsgraden kom opp i hele 94,6 %. I en populærfremstilling om NTH noen år senere ble det påstått at dette til da var den høyeste virkningsgrad som noen gang var målt på en vannturbin noe sted i verden. 
Testene hadde kostet  28 000 kroner, men Sundby kunne regne ut at dette kun utgjorde 10 % av kraftverkets økte inntekter på grunn av den oppnådde forbedringen av virkningsgraden. Den norske stat eide 1/3 av Solbergfoss kraftverk, og med den store økningen av virkningsgraden hadde staten fått tilbakebetalt hele kapitalen som var nedlagt i byggingen av Vannkraftlaboratoriet.
Historikeren Gunnar Norheim mener at leveransen av turbinene til Solbergfoss kraftverk var det endelige beviset på at norske turbinprodusenter kunne lage like gode maskiner som sine utenlandske konkurrenter. Utviklingen av disse gjorde at turbinproduksjon i Norge ble en vitenskapsbasert industri i verdensklasse. Videre har Geir Barlaup i sin hovedfagsoppgave lagt vekt på at ingeniørdeltagelsen i byggekomiteen for Solbergfoss var viktig for prosjektets forløp. Spesielt var professor Olav Heggstads deltagelse viktig, på grunn av hans store kontaktnett, blant annet i Arbeidsdepartementet. Det var også Heggstad som kontaktet Gudmund Sundby, som var en professorkollega på NTH.
Utover 1920-årene ble det økonomiske nedgangstider og dette utviklet seg til det verre med økonomisk depresjon i 1930-årene. Det ble derfor bygget få nye kraftstasjoner i Norge, og aktiviteten på Vannkraftlaboratoriet ble dermed liten.

Nyere historie

I hele perioden med norsk vannkraftutbygging var Vannkraftlaboratoriet sentralt for industriens behov for utdannelse av ingeniører. Videre skjedde det en utvikling av et kompetent miljø i SINTEF med bakgrunn fra Vannkraftlaboratoriet. I 1980-årene ble SINTEF-aktiviteten skilt ut i «SINTEF Turbinlaboratoriet» på Valgrinda. Dette laboratoriet ble etterhvert overtatt av Kværner, senere GE Hydro, deretter Rainpower. Den vitenskapelige aktiviteten ved Vannkraftlaboratoriet har fått en mye mer generell anvendelse i dag (pr. 2014).