Institutt for energi- og prosessteknikk

Vannkraftlaboratoriet

  • Steinbygning Vannkraftlaboratoriet
    Laboratoriebygningen ligger midt på Gløshaugen
  • Turbiner i snøen
    Turbiner utstilt utenfor Vannkraftlaboratoriet
  • Turbiner
    Moderne fasiliteter i historiske omgivelser

Vannkraftlaboratoriet på NTNU kombinerer 100 års erfaring med moderne fasiliteter som er unike i Europa. Laboratoriet har spilt en ledende rolle i utviklingen av global vannkraft, særlig innen effektivt design av vannturbiner. 

100-års jubileum i 2017

Som et av de eldste laboratoriene på NTNUs campus Gløshaugen, ble Vannkraftlaboratoriet bygget i 1917 for å fremme forskning og utvikling av mekanisk utstyr til vannkraftindustrien. 

Fasiliteter og testrigger

Laboratoriet tilbyr mange muligheter for forskning innen strømningsteknikk, og er blant annet utstyrt med testrigger for både Francis, Pelton og pumpeturbiner. Disse testriggene er alle bygget i henhold til standardene for modelltester som definert av International Electrotechnical Commision (IEC).

Francisriggen er unik ved at den gir muligheten til å utføre transiente målinger på strømningsforhold som vil være identiske med strømningsforholdene i en prototype, for eksempel for fenomener som lastvariasjon (både variabel volumstrøm og variabelt turtall), start og stopp, lastavslag, nødstopp og effektkjøring.

Pumpesystemet i laboratoriet kan produsere en volumstrøm på opp til 1 kubikkmeter per sekund når pumpene er koblet i parallell, og et trykk på opp til 100 meter vannsøyle når pumpene er koblet i serie. Bygningens høyde er utnyttet med to store vanntanker som utgjør et øvre reservoar til atmosfæretrykk, slik at man kan utføre tester med et fall på opptil 16 m. Dette gjør det mulig å studere dynamiske fenomener, og gjør Vannkraftlaboratoriet unikt både i nasjonal og europeisk sammenheng. Vannet resirkuleres via en stor sump under laboratoriet med en kapasitet på 450 kubikkmeter.

Unik forskning og undervisning

Laboratoriet tilbyr forskningsmuligheter for både masterstudenter, doktorgradsstipendiater, postdoktorer og internasjonale forskere. Her utføres både eksperimentelle, numeriske (CFD og FSI) og analytiske studier. Laboratoriet gir også doktorgradsstipendiater og postdoktorer den unike muligheten til å designe og utvikle egne turbiner ved hjelp av numeriske koder tilgjengelige på huset. Laboratoriets verksted kan produsere modeller som kan brukes til både utdanning og forskning.Vannkraftlaboratoriet er ansvarlig for å levere kunnskap og utdanning i tilknytning til vannkraft og turbomaskiner. Professorene på laboratoriet foreleser fag for både masterstudenter og doktorgradsstipendiater, og laboratoriet er aktivt involvert i internasjonalt samarbeid med flere universiteter og industrier globalt.


Pågående forsknings- og utviklingsprosjekter (FoU)

Høytrykks Francisturbin – HiFrancis (2015-2019)

Økt konkurranse i elektrisitetsmarkedet, og reduserte marginer for profitt har vært en pådriver for å utvikle vannturbiner som kan operere stadig mer fleksibelt og effektivt. Dette har blant annet gitt utslag i løpehjul av lettere vekt. Tynnere og lettere løpehjul er mer utsatt for skade i tilfeller hvor resonans oppstår. Resonans oppstår om frekvensen til strømningsinduserte trykkpulsasjoner sammenfaller med egenfrekvensen til løpehjulet. Kostnadene knyttet til skade på et ferdig løpejul er store.

Illustrasjon turbin kurver

Det er derfor viktig å forstå sammenhengen mellom strømningsinduserte trykkpulsasjoner og responsen til konstruksjonen. Trykkpulsasjoner med høy amplitude kan føre til utmattingsbelastninger på turbinbladene og sprekkdannelser over tid. Amplituden på trykkpulsasjonene avhenger av strømningsforholdene, turbintypen, og kombinasjonen mellom statorblader og rotorblader. Responsen til konstruksjonen avhenger av materialegenskaper, strømningsindusert dempning og egenfrekvenser. Fordi strømningshastigheten gjennom et løpehjul kan variere fra 1 m/s til 40 m/s er det utfordrende å forutse responsen. Hydrodynamisk dempning kan spille en viktig rolle for å dempe vibrasjonsamplituder under resonansforhold.

Forsknings- og utviklingsprosjektet HiFrancis er støttet av Forskningsrådet og norsk vannkraftindustri. Som en del av prosjektet utføres både numerisk og eksperimentell analyse av et Francisløpehjul, samt en forenklet løpehjulsskovl, en hydrofoil. Hovedfokuset i prosjektet er hvordan Francisturbiner kan håndtere de økende kravene til fleksibilitet og effektivitet globalt.

Prosjektet sikter mot å besvare følgende spørsmål:

  1. Hvordan kan vi unngå resonans i løpehjulet?
  2. Hvordan utvikler trykkbølgene som resulterer fra interaksjonen mellom rotor og stator seg gjennom løpehjulet?
  3. Hvordan kan vi samle pålitelig informasjon om de dynamiske lastene og derav utmattelse i løpehjulsskovlene?
  4. Hva er beste praksis for å oppnå pålitelige numeriske resultater?
  5. Hvordan kan vi redusere tid og kostnad for de numeriske simuleringene?

De aktive deltagerne i prosjektet fra Vannkraftlaboratoriet er:

  • Ole Gunnar Dahlhaug, Leder
  • Pål-Tore S. Storli, Førsteamanuensis
  • Bjørn W. Solemslie, Postdoktor
  • Chirag Trivedi, Postdoktor
  • Carl W. Bergan, Doktorgradsstipendiat
  • Einar Agnalt, Doktorgradsstipendiat
  • Erik Tengs, Doktorgradsstipendiat (Nærings-PhD)
  • Ruzhi Gong, Postdoktor (Gjest)
  • Torbjørn Nielsen, Professor

Konsulenter, leverandører og kraftselskaper bidrar også som aktive deltagere i HiFrancis-prosjektet. 

Utvikling av fleksible vannturbiner – FME (2017-2025)

Strøm produseres fra både variable og kontinuerlige energikilder. Økt konkurranse i elektrisitetsmarkedet, og målet om et fornybart samfunn stimulerer industrien til å ta i bruk variable energikilder som sol og vind. Dette resulterer i økte frekvensforstyrrelser og ubalanse i strømnettet. For et stabilt strømnett må forholdet mellom produksjon og forbruk være balansert.

Fleksibel vannkraft er viktig for å sikre denne balansen. Vannkraftturbiner kan i dag endre levert effekt med 1 – 25 MW per sekund. Dette avhenger av turbintype og installert effekt. For å takle den økte variasjonen i forbruk hos sluttbrukerne  og den økte andelen kraftproduksjon fra variable energikilder, er forskning på fleksible vannturbiner viktig. Vannturbiner som kan operere med variabelt turtall er et godt alternativ, da dette muliggjør stabil produksjon utenfor designpunktet til løpehjulet og gir en mye større grad av fleksibilitet. Når både volumstrømmen gjennom løpehjulet og rotasjonshastigheten varierer, utvikles et komplekst hastighets- og trykkfelt gjennom turbinen. Innløpsvinkel, tangentiell og roterende komponent av vannhastigheten varierer med tid. Dette påvirker trykkfelt og trykkamplituder. For å øke levetiden på turbinene er det derfor viktig å forske på hvordan trykkfelt og trykkamplituder endres med variabelt turtall.

Prosjektet er en del av HydroCen (Norwegian Research Centre for Hydropower Technology).