Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
A fatigue investigation in a Kaplan hydropower station operated in frequency regulating mode
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology.
2016 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

Due to the increase of intermittent power in the Nordic grid the need for frequency regulation increases. Hydropower has the ability to respond fast to frequency changes in the grid and is the power source mainly used to regulate the frequency in the Nordic grid. There are different types of frequency regulation and this thesis has focused on primary frequency regulation which purpose is to keep the frequency within the range of ±0.1 Hz from the nominal frequency.For a hydropower station operated in frequency regulating mode the amount of movements in the regulating mechanism increases, especially if it is a Kaplan turbine since it can regulate both the guide vanes and the runner blades. When the hydropower station changes the produced power there are large servomotor forces applied to the regulating mechanism to open or close the wicket gate and the runner blade. During frequency regulation these changes occurs frequently and the risk of fatigue failure increases.The resulting servomotor force in the wicket gate and the runner was calculated from measured data of the servomotor pressure and the dimensions of the servomotors. The angles between the components in the regulating mechanism were calculated knowing the angle of the guide vanes and the runner blades, which was used for translating the servomotor force through the regulating mechanism. The stresses in each component were calculated and the stress cycles were counted which was used to estimate the life time of the components.The larges stresses in the regulating mechanism were found in the runner links and the connecting pins in the runner. In the wicket gate the largest stresses were calculated in the connecting pin between the servomotor and the operating ring, however the stress amplitudes were small, thus fatigue calculations were considered unnecessary. Both the link and connecting pin has an estimated life time which is larger than the commonly used turbine life time of 40-50 years. Even though the life time of the components are above the design criteria it could be improved by implementing a two measure filtering system develop by Voith Hydro.

Abstract [sv]

På grund av ökande intermittenta kraftkällor i det Nordiska elnätet ökar behovet av frekvensreglering. Vattenkraft kan reagera snabbt när frekvensen ändras i elnätet och är den kraftkälla som huvudsakligen används i det Nordiska elnätet för att reglera frekvensen. Det finns olika typer av frekvensreglering men detta examensarbete har enbart fokuserat på primär frekvensreglering, vilket har som syfte att hålla frekvensen inom spannet ±0.1 Hz från den nominella frekvensen.Om ett vattenkraftverk börjar reglera frekvensen på elnätet så innebär det ökade rörelser i reglermekanismen, speciellt om det är en Kaplanturbin eftersom att den kan reglera både led- och löpskovlarna. När ett vattenkraftverk ändrar uteffekten innebär det att servomotorer kommer att applicera stora krafter till reglermekanismen för att öppna eller stänga pådraget och löpskovlarna. Vid frekvensreglering förekommer frekventa ändringar av uteffekten vilket innebär en ökad risk för utmattningsbrott.Kraften från servomotorn i ledkransen och löphjulet räknades ut från mätdata över trycket i servomotorerna och genom att veta servomotorernas dimensioner. Genom att veta positionen på led- och löpskovlar så kunde vinklarna mellan komponenterna i reglermekanismen bestämmas och med hjälp av dessa kunde kraften från servomotorn överföras till komponenterna. Spänningarna i komponenterna beräknades, spänningscyklerna räknades och sedan användes dessa till att uppskatta livstiden för varje komponent.De största spänningarna i reglermekanismen beräknades i länken och länktappen i löphjulet. I ledkransen så var spänningarna störst i tappen mellan servomotorn och reglerringen, dock var spänningarna av amplituder så att utmattningsberäkningar inte ansågs nödvändigt. Både länken och länktappen hade en uppskattad livstid som var större än 40-50 år, vilket ofta används som den livstid en turbin minst ska klara av. Även om de beräknade livstiderna är över den minsta livstiden för en turbin så kan livstiden ökas ytterligare genom ett filtreringssystem utvecklat av Voith Hydro.

Place, publisher, year, edition, pages
2016. , 63 p.
National Category
Energy Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-189520OAI: oai:DiVA.org:kth-189520DiVA: diva2:946471
Supervisors
Examiners
Available from: 2016-07-05 Created: 2016-07-05 Last updated: 2016-07-05Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(1885 kB)240 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 1885 kBChecksum SHA-512
23e0ff43ba79c957e8f9b2c570fc21f4ba2e98108295077835265b901dac87b6c9df2cfda17cb603082a04dc47776c2125db9b130c3c849ecf98a9cb1c9318c1
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Energy Technology
Energy Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 240 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 431 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf