Utvikling og testing av læringsplattform for vannturbiner

Abstract

Bakgrunnen for denne rapporten er en masteroppgave i maskin og produktutvikling ved NMBU. Oppgaven sitt innhold er en videreføring av erfaringer gjort i faget TIP300 høsten 2016. Det ble da skrevet en rapport som omhandler utvikling av et mobilt vannkraftverk og det ble oppdaget at forskningsgrunnlaget for vannturbiner som utnytter energi fra lave fallhøyder ikke var tilstrekkelig [1]. Det er på dette grunnlaget det ble bestemt å utvikle en læringsplattform hvor brukeren kan evaluere forskjellige turbiner i forhold til hydrodynamiske forhold. Hovedmålet for oppgaven var å utvikle en modulær læringsplattform for vannturbiner som gir brukeren mulighet til å evaluere et turbindesign mot hydrodynamiske forhold. Videre var det forskjellige delmål og produktmål som blant annet beskrev at produktet skal gi brukeren mulighet til å evaluere virkningsgraden til turbinen, det skal være mulig å generere en virvel i forkant av turbinen og at anlegget skal simulere reelle forhold for et pico-system. Med pico-system menes små vannkraftverk som genererer en elektrisk effekt på under 5 kW og stort sett opplever fallhøyder på mellom 1 og 10 meters vannsøyle [2]. Det skal også bygges en prototype basert på 3D-printede materialer. Det ble anslått at produktet grovt spesifisert vil være 1850 mm høy, 600 mm bred, 800 mm lang og veie rundt 50 kg. Det er brukt forskjellige produktutviklingsmetoder for å komme frem til de mest gunstige løsningene for å utvikle en testrigg. Pughs metodikk er brukt for å gi forskjellige alternativer en verdi i henhold til forskjellige kriterier. Det er utviklet en funksjonsanalyse for å kartlegge alternative løsninger til de forskjellige funksjonene i produktet. Videre er det brukt seleksjonsmatriser for å velge ut de mest hensiktsmessige løsningene. Digitale verktøy ble brukt for å fremstille produktet i 3D og utføre enkle strømningssimuleringer. Fysiske tester av en prototype er også utført for å verifisere måloppnåelse. Det første trinnet i prosessen var å samle informasjon om aktuelle turbintyper, relevant bakgrunnsteori og se på lignende løsninger. Videre ble det utarbeid viktige produktegenskaper og en funksjonsanalyse. Det ble valgt løsninger ut fra funksjonsanalysen som videre ble designet i 3D. Det neste trinnet var å utarbeide enkle produksjonsanvisninger og utføre forskjellige forsøk rundt bruken av 3D-printede materialer i sammenheng med trykksatt vann. Etter resultatene av testene ble det utarbeidet enkle produksjonsanvisninger og bygget en prototype. Det ble deretter utført forskjellige tester hvorvidt prototypen fungerte slik den var tiltenkt og hvorvidt produktet innfrir måloppnåelsene. Resultatene i oppgaven bygger hovedsakelig på testing av prototypen og materialtesting underveis i byggeprosessen. Det har blitt utviklet en læringsplattform som oppnår hovedmålet for oppgaven. Det er mulig for brukeren å generere en virvel i forkant av turbinen og analysere hvilken effekt dette har på virkningsgraden til turbinen. Eksempelvis ble det for et turbindesign og et alternativt oppsett 1,75 % virkningsgrad ved ledeskovler i virveloppretter vinklet 30 grader og 0,86 % virkningsgrad ved rette skovler. Det er også mulig å måle forskjellen på to forskjellige turbindesign. Produktet simulerer forskjellig hydrodynamiske forhold avhengig av hvilke moduler som benyttes, men ingen av oppsettene som ble testet simulerte reelle forhold for pico-systemer. Det høyeste potensielle trykkfallet over turbinen ble etter utregninger fastsatt til å være 0,71 meter. Prototypen ble bygget basert på 3D-printede materialer, men den ble ikke tilstrekkelig robust eller vanntett. Prototypen ble likevel robust og vanntett nok for å foreta nødvendige tester. Det videre arbeidet vil bestå i å finne løsninger for å oppnå produktmålene som ikke ble innfridd. Det anbefales å videreutvikle designet slik at virkningsgraden til en turbin kan regnes ut med færre feilkilder og antakelser og høyere grad av målenøyaktighet. De forskjellige kildene til store tap i systemet må identifiseres og det må sørges for at utregningene er i henhold til relevante standarder og håndbøker. Det må også videreutvikles design for å teste med flere turbintyper for flere alternative oppsett. Det anbefales til slutt at det utarbeides produksjonsmetoder for bruk av andre materialer og for utvikling av mer robuste anlegg.

This report represents a master thesis in mechanical engineering and product development at the University of Life Science (NMBU) at Campus Ås, Norway. The master project is a continuation of a project performed in TIP300 at NMBU fall 2016 [1]. In the TIP300-project it was developed a palletsized hydropower station for low head applications. During this project, it was discovered that it was not sufficient research regarding low head hydro applications. Therefore, it was decided to develop a learning platform for testing turbines in various hydrodynamic conditions for this master project. The main goal for this thesis was to develop a modular learning platform for water turbines, which provides the user an opportunity to evaluate different turbine designs relative to hydrodynamic conditions. Furthermore, it was desirable for the project to obtain the possibility to evaluate the efficiency of different turbines, and simulate realistic conditions for pico-systems. Another sub-goal was to generate a whirl ahead of the turbine and evaluate the efficiency. A pico-system is a hydropower station that provides less than 5 kW of energy and usually experience between 1 and 10 meters of head [2]. Also, a prototype will be built and tested using 3D-printed materials. The prototype is estimated to be 1850 mm in height, 600 mm wide, 800 mm long and weigh about 50 kg. To fulfil these goals, different methods regarding product development was used. To arrange different alternatives regarding different criteria, Pughs method was used. An analysis of the products different functions was developed, and matrices was set up to select the most suitable alternatives. Furthermore, the suitable alternatives were modelled in 3D, and assembled for the final product. The next step was to prepare manufacturing directions before a prototype was built and tested. The results in this thesis were mainly based on testing the prototype and different materials during the building process. A learning platform for water turbines has been built, thus, the main goal was achieved. It was possible to generate a whirl ahead of the turbine to evaluate different turbine designs regarding different whirl intensities. A given setup for one of the turbine alternatives resulted in a 1,75 % efficiency with the whirl generators set to 30 degrees. An efficiency of 0,86 % was obtained with the whirl generators set to neutral. The user can measure and calculate the mechanical power on the turbine shaft, and thereby calculate the efficiency of the turbine. It was shown that two different turbine designs showed different efficiencies. The product simulated different hydrodynamic conditions depending on which modules that were mounted. However, none of the setups could simulate conditions that were applicable for pico-systems. The largest pressure potential over the turbine was estimated to be 0,71 meters. The prototype was built based on 3Dprinted materials, but it was not sufficient regarding durability or strength. Nevertheless, the prototype was robust enough to complete testing. Further recommendations consist of finding better solutions to achieve the unfulfilled goals. It is recommended to improve the design, making it possible to calculate efficiency easier. The different sources of loss in the product must be identified to make design improvements possible. The design should be developed further to include different types of turbines. Finally, alternative manufacturing directions for more durable materials should be developed.