Examensarbete: Utmattningsanalys av kaplanlöphjulets reglermekanism

Företagsbeskrivning
Vi på vattenfall har bestämt oss för att göra det möjligt att leva fossilfritt. För att lyckas måste vi, som ett av Europas största energibolag, först bli helt fossilfria själva. Men det räcker inte. För att bidra till ett fossilfritt samhälle måste vi göra mer än att enbart fokusera på hållbar energiproduktion.
Följ med oss på vägen mot ett fossilfritt liv.
Om rollen
Power Climate Smarter living – det är vårt syfte. Vi är på jakt efter talangfulla studenter som vill hjälpa oss på vår resa mot ett fossilfritt liv. Genom att skriva ett examensarbete på Vattenfall får du en unik möjlighet att bidra till vårt syfte. Det enda vi begär av dig är att du frigör dina superkrafter och delar din energi med oss.
Bakgrund
Vattenkraft har en relativt liten klimatpåverkan och står för nästan hälften av Sveriges elproduktion. Vattenfall äger och driver ca 125 storskaliga vattenkraftaggregat varav ungefär hälften av dessa aggregat är av turbintypen kaplan. I dessa kan löphjulets bladvinkel regleras för att erhålla hög verkningsgrad vid varierat vattenflöde och fallhöjd. Den inre mekanismen som reglerar bladens vinkel utsätts för en cyklisk belastning som kan leda till utmattning ifall denna är felaktigt designad.
Ett av Vattenfalls stora fokusområden inom vattenkraft är att öka tillförlitligheten av just kaplanturbiner. För att uppnå detta för ett nytt löphjul krävs en relevant kravställning som indata till arbetet med att verifiera hållfastheten i den tänkta designen. En förståelse för belastningen av kaplanturbinens reglermekanism är avgörande för att kunna formulera dessa designkrav och därigenom kunna uppnå en tillräckligt låg brottsannolikhet över löphjulets tekniska livslängd.
Normala angreppssättet för att bedöma utmattningslivslängden av kaplanlöphjulets reglermekanism är via vedertagen spänningsbaserad utmattningsanalys. Spänningsvariationen i kritiska områden beräknas med FEM-analyser med en modell av löphjulet som på olika sätt är idealiserad jämfört med verkligheten. Med modellen beräknas en nominell belastningsnivå i löphjulet och höjd tas därefter till de införda förenklingarna och osäkerheterna genom att applicera säkerhetsfaktorer på den beräknade belastningsnivån innan den teoretiska utmattningslivslängden utvärderas.
Målsättning
Målsättningen med detta examensarbete är att undersöka vanligt förekommande förenklingar och att kvantifiera effekten genom införandet av dessa. Arbetet kan användas som underlag för att validera rimligheten i tillämpade säkerhetsfaktorer som används idag. Exempel på vanligt förekommande förenklingar är
Lagerspel: Samtliga lager beskrivs med nominella lagerspel. I verkligheten kommer lagerspelen att variera (inom definierade toleransintervall) vilket medför lastobalanser mellan reglermekanismens ingående komponenter.
Friktion: Friktionsegenskaperna beskrivs med samma princip för samtliga lager. I verkligheten kan en viss variation mellan lagrens egenskaper förväntas vilket i sin tur ger upphov till en osäkerhet i de bedömda friktionsförlusterna och därigenom belastningsnivåerna. Även denna aspekt kan bidra till möjliga lastobalanser mellan reglermekanismens ingående komponenter.
Tröghetseffekter: Analyserna utförs normalt med kvasi-statiska analyser där tröghetseffekter i samband med acceleration av systemet försummas. Reglermekanismens ingående komponenter är mycket stora och förknippade med mycket höga masströgheter vilket kan påverka bedömd belastning i vissa situationer.
Hydraulisk vattenlast: Den hydrauliska lasten från vattnet betraktas som känd men är alltid förknippad med en viss grad av osäkerhet. Vattenlasten bidrar till mycket höga belastningsnivåer på de lager som bär upp löphjulsbladen. Dessa lagerlaster, tillsammans med friktionsegenskaperna i lagren, bestämmer de huvudsakliga friktionsförlusterna i löphjulet och påverkar således indirekt belastningen på den inre reglermekanismen. Med andra ord innebär en osäkerhet i vattenlasten i sin tur en osäkerhet i bedömd belastning på reglermekanismen.

Förslag på arbetsmoment

Litteraturstudie med fokus på:
Design, funktion och drift av kaplanturbiner
Belastning på kaplanturbinens inre reglermekanism
Metodik för bedömning av utmattningslivslängd
Mekaniska egenskaper för vanligt förekommande lagermaterial
Systematisk försöksplanering, regressionsanalys och variansanalys
Hantering av osäkerheter i indata till utmattningsbedömning
Samtal (exempelvis intervjuer) med Vattenfalls experter inom området. Detta med syfte att förstå osäkerheter i ingående parametrar
Analysera effekten av vanligt förekommande förenklingar och antaganden utgående från FEM-analyser i ANSYS Workbench och/eller egenutvecklad kod.
Utvärdera samlade effekten av förenklingarna och härled erforderliga säkerhetsfaktorer
Rapportskrivning

Kravspecifikation
Vi letar efter student/studenter som vill arbeta mot fossilfrihet och som snart tar examen från dina akademiska studier. Du är även någon som identifierar dig med våra principer: Aktiv, Öppen, Positiv och Säkerhet
Utbildning – Masterstudent inom maskinteknik eller liknande med inriktning mot tekniska beräkningar och hållfasthet.
Mycket goda kunskaper i svenska och engelska

Ytterligare information
Ytterligare information
Uppdraget startar: 2025-01-13 eller vid överenskommelse
Placeringsort: Vattenfalls kontor i Älvkarleby eller Solna.
Ansökan – en kombinerad fil med ditt CV och personliga brev, samt en kopia av dina betyg.
Sista ansökningsdag är 2024-12-08
Kontaktperson och handledare på Vattenfall är Erik Isaksson, erik.isaksson@vattenfall.com, 070 388 10 67

Mångfald och inkludering – i allt vi gör
Vi är övertygade om att heterogena team kan överträffa homogena team. Men vi kan bara frigöra och använda kraften av mångfald när alla känner sig inkluderade.
Ansök här