Fundament för vattenkraftgeneratorer
analys av krafter och deformationer
Ett relativt stort upprustnings- och förnyelseprogram pågår för att säkra framtida svensk vattenkraftproduktion och för att möta nya riktlinjer för dammsäkerhet. Under dessa förnyelseprojekt har vissa skador i form av sprickor i betongfundamenten upptäckts, bland annat kring statorfötternas upplag. Orsaken till dessa sprickor härleds till statorfötternas funktion, samt till temperaturvariationer vid förändrade driftsmönster. Tidigare gick generatorerna kontinuerligt medan det nu är vanligt med flera starter och stopp varje dygn. Denna rapport har som syfte att förtydliga det kraftspel som finns i dagens generatorfundament, att beräkna uppträdande spänningar och att försöka hitta data som bekräftar sprickbildningen. Känsligheten för sprickbildning skall också undersökas. I examensarbetet beskrivs inledningsvis bakgrunden till problemställningen. Därefter ges en redogörelse för de krafter som belastar ett generatorfundament. Denna kunskap gör det möjligt att analytiskt och numeriskt beräkna spänningsförhållandet i generatorfundamentet. De numeriska beräkningarna har genomförts med finit element metod (FEM) i programmet Abaqus. Examensarbetet påvisar att dragspänningarna vid flera lastfall är högre än betongens uppskattade draghållfasthet som är ca 2 MPa. Dessa dragspänningar uppkommer i samma områden på fundamenten där man har observerat sprickbildning. Arbetet visar också att de beräknade värdena av deformationerna i stator- och armkorsupplag stämmer överrens med de uppmätta värdena på 0,2 till 0,4 mm. Detta styrker att de modeller som skapats i stora drag är korrekta. Det är mycket som tyder på att det i huvudsak är de termiska pulserande belastningarna som skapar dragsprickorna i fundamenten kring upplagen. Speciellt höga laster uppstår vid den termiska kontraktion som uppkommer då en generator stoppas och kyls av. Vid sprickbildning i betongen måste armeringsstålet ta upp huvuddelen av dragspänningarna. Vid ytterligare pålastning kommer stålet att nå sin sträckgräns och börja plasticera. Beräkningar visar att strukturen, lokalt kring sprickbildningen, blir cirka 25 gånger vekare då betongen spricker upp och stålet tar upp dragspänningarna. Detta innebär att deformationshastigheten kommer att öka synbart och att sprickorna propagerar snabbare. Generatorfundament är utsatta för utmattande laster. Lokalt kring stator- och armkorsupplag kan dessa ha relativt stor inverkan. Det är där vibrationerna från generator och axel tas upp. I material som utsätts för periodiska laster och vibrationer kan mikrosprickor uppkomma som med tiden propagerar och blir större.