Detta examensarbetet har utförts på LKAB Wassara, ett dotterbolag till LKAB. Företaget arbetar med att utveckla, tillverka och marknadsföra system för vattenhydraulisk bergborrning. Specifikt så faller Wassaras borrsystem under kategorin slående bergborrning och DTH(Down the hole). DTH innebär att slagverket, som även kallas hammaren placeras längst fram och leder på så vis borrsträngen in i borrhålet. I vissa fall kan även tekniken refereras till som ITH(In The Hole) eftersom borrningen inte nödvändigtvis måste utföras neråt. Wassara-hammarens flödesbehov varierar mycket under en slagcykel och på grund av detta uppstår tryckpulsationer i systemet. Det är sedan tidigare känt att tryckpulsationerna skapar vibrationer i borrsystemet men ytterligare följdeffekter är okända. En utredning angående hur en minskning av tryckpulsationerna i systemet skulle kunna påverka t.ex. borrsjunkshastighet och verkningsgrad har länge varit aktuell att utföra och det är det grundläggande syftet med detta examensarbete. För att kunna utföra en utredning angående hur en minskning av tryckpulsationerna skulle kunna påverka systemet måste först ett fungerande koncept för minskning av tryckpulsationerna tas fram. Några år innan detta examensarbete påbörjades har en ackumulatorprototyp tillverkats och tester av den ska utföras för att se om den kan minska tryckpulsationerna. Under dessa tester så ska även hammarens prestanda mätas. I samband med de praktiska tester som kommer att utföras så finns det även en önskan att mer grundläggande förstå hur tryckpulsationerna uppstår och hur de påverkar systemet varav en teori för hur ackumulatorn kommer att påverka systemet även kommer att härledas under examensarbetet. Både teorin och de praktiska testerna visar på att tryckpulsationerna minskar i systemet om en ackumulator monteras direkt bakom hammaren i borrsträngen. Ingen större förändring för varken verkningsgrad eller borrsjunkshastighet kunde mätas under de praktiska testerna och teorin som tagits fram visar på att det blir en väldigt liten skillnad i dessa storheter.

<p>Denna rapport sammanställer vattenhydraulikens möjligheter samt fördelar och nackdelar vid konvertering av befintliga hydraulsystem, eller nya anpassade system inom vattenkraften. Dessutom ska en jämförelse mellan miljöpåverkan av olja jämfört med vatten som behandlats för att passa i olika hydraulsystem redovisas. En stor fråga är om vattenhydrauliken har samma hållbarhet som oljehydrauliken och ifall man får accelererad nötning ifall man konverterar ett befintligt system från oljehydraulik till vattenhydraulik.</p><p>Vattenhydraulik i vattenkraft används redan till luckservon. För ledkransservo ställs högre krav på driftsäkerhet men vatten bör kunna användas där med. Pitchkontroll för kaplannav är under utveckling, det som saknas just nu är sviveln som sitter längst upp på turbinaxeln. Om man ska konvertera ett nav behöver man också byta ventilerna som sitter i navet för att få tillförlitlighet.</p><p>För att kunna konvertera ett oljehydrauliksystem till vattenhydraulik behöver man byta vissa komponenter: ventiler, filter och pumpar då dessa behöver vara anpassade för att kunna få en anständig livslängd. Livslängden är garanterad till 8000-10000h för ett nyinstallerat vattenhydrauliksystem, detta är med avseende på pumpen som normalt sett är den detalj med kortast livslängd i systemet. Jämfört med oljehydraulik så är detta i stort sett samma livslängd, vilket har varit målet för leverantören Danfoss utveckling av vattenhydraulik.</p><p>Ett vattenhydrauliksystem med rent vatten som hydraulmedium påverkar miljön minimalt om ett läckage sker, ett system med monopropylenglykol i vattnet ger väldigt liten påverkan då detta oftast är nedbrutet efter 24h i naturen enligt Dowcal som producerar glykolen. Monopropylenglykol är dessutom giftfri samt har inga påvisade fall av allergi, vilket gör arbetsmiljön och hanteringskostnader betydligt lägre än för hydraulolja. Olja behöver förhöjd temperatur i jord för en acceptabel nedbrytning, och även då tar det förhållandevis lång tid.</p><p>Livslängden på glidbussningar förekommande i Älvkarleby luckcylindrar har utretts genom en laboration där friktion och nötning studerats med hydraulolja respektive monopropylenglykol med vatten (50/50). Kontakten var glidande rulle mot plan. Dessa tester visar att nötningen är desamma för kompositmaterial mot kromat stål, som testats i de båda medierna. Friktionsvärdet var lägre när man hade monopropylenglykol med vatten som smörjmedel.</p><p>I fallet med brons mot kromat stål var resultatet detsamma, monopropylenglykol med vatten gav lägre friktionsvärde och återigen gavs samma slitage vid jämförelse av provbitarna som gått i hydraulolja respektive monopropylenglykol med vatten.</p><p>Slutsatsen är att vattenhydraulik är ett bra alternativ till oljehydraulik, men ingående kunskap om hydraulikens systemkomponenter vid vätskekonvertering är nödvändig. Till exempel om materialen i systemet lämpar sig för konvertering eller behöver bytas ut.</p> / <p>This report puts together the possibilities of water hydraulics. It also compare pros and cons of new adapted systems or when converting existing oil hydraulic systems to water hydraulics. A small comparison of environmental effects from oil and water treated for use in hydraulic systems will be made.</p><p>A large question concerning water hydraulics is if it has the same durability as oil hydraulics. Another is if you get accelerated wear when you convert an oil hydraulic system to water hydraulics. For hydropower, Water hydraulics is already used for sluice gates. For the operating ring you need very high reliability but water hydraulics should be suiting for this application as well. Pitchcontrol for kaplanrunners is under development, at the moment the swivel on top of the turbineshaft is missing. If you want to convert a kaplanrunner you will also need to change the valves in the hub to get a good reliability.</p><p>To be able to convert an oil hydraulic system you need to change some components: valves, filters and pumps, these needs to be adapted for water to have a reasonable lifetime. The lifetime is guaranteed to be 8000-10000h for a recently installed water hydraulics system. This is regarding to the pump, which is the part of both water- and oil- hydraulics with the shortest lifetime. If you compare water- with oil- hydraulics they have about the same lifetime. That has always been the goal for the supplier Danfoss development of water hydraulics.</p><p>A water hydraulic system with pure tap water as pressure media will not affect the environment at all. Systems with monopropylen glycol and water as media will have only a small environmental influence. Monopropylen glycol that has leaked out will be broken down in 24h if it is taken care of in a cleaning plant. In the nature it will take slightly longer according to dowcal who produces the glycol. Monopropylen glycol has no cases of allergy reported, which makes the working environment and handling better than for hydraulic oil. Oil needs elevated temperature and the presence of earth to be able to break down, and still it takes considerable time.</p><p>The lifetime on sliding bushings existing in the hydraulic cylinders for Älvkarleby hydropowerstation sluice gates have been investigated by laboratory work. Friction and wear was compared with hydraulic oil or monopropylen glycol with water (50/50). The contact was a sliding wheel against a sheet. These tests shows that the wear is equal if you test a composite against chromed steel, with the two different hydraulic medias. The friction was however lower when you tested it with monopropylen glycol and water as lubricant.</p><p>In the case bronze against steel the results were the same. Monopropylen glycol with water gave lower friction, though the wear was equal between the two medias.</p><p>The conclusion is that water hydraulics is a good alternative to oil hydraulics, thorough knowledge of the hydraulic components is necessary though. For instance if the materials in the system is suitable for use in water hydraulics, or needs to be changed.</p>

Denna rapport sammanställer vattenhydraulikens möjligheter samt fördelar och nackdelar vid konvertering av befintliga hydraulsystem, eller nya anpassade system inom vattenkraften. Dessutom ska en jämförelse mellan miljöpåverkan av olja jämfört med vatten som behandlats för att passa i olika hydraulsystem redovisas. En stor fråga är om vattenhydrauliken har samma hållbarhet som oljehydrauliken och ifall man får accelererad nötning ifall man konverterar ett befintligt system från oljehydraulik till vattenhydraulik. Vattenhydraulik i vattenkraft används redan till luckservon. För ledkransservo ställs högre krav på driftsäkerhet men vatten bör kunna användas där med. Pitchkontroll för kaplannav är under utveckling, det som saknas just nu är sviveln som sitter längst upp på turbinaxeln. Om man ska konvertera ett nav behöver man också byta ventilerna som sitter i navet för att få tillförlitlighet. För att kunna konvertera ett oljehydrauliksystem till vattenhydraulik behöver man byta vissa komponenter: ventiler, filter och pumpar då dessa behöver vara anpassade för att kunna få en anständig livslängd. Livslängden är garanterad till 8000-10000h för ett nyinstallerat vattenhydrauliksystem, detta är med avseende på pumpen som normalt sett är den detalj med kortast livslängd i systemet. Jämfört med oljehydraulik så är detta i stort sett samma livslängd, vilket har varit målet för leverantören Danfoss utveckling av vattenhydraulik. Ett vattenhydrauliksystem med rent vatten som hydraulmedium påverkar miljön minimalt om ett läckage sker, ett system med monopropylenglykol i vattnet ger väldigt liten påverkan då detta oftast är nedbrutet efter 24h i naturen enligt Dowcal som producerar glykolen. Monopropylenglykol är dessutom giftfri samt har inga påvisade fall av allergi, vilket gör arbetsmiljön och hanteringskostnader betydligt lägre än för hydraulolja. Olja behöver förhöjd temperatur i jord för en acceptabel nedbrytning, och även då tar det förhållandevis lång tid. Livslängden på glidbussningar förekommande i Älvkarleby luckcylindrar har utretts genom en laboration där friktion och nötning studerats med hydraulolja respektive monopropylenglykol med vatten (50/50). Kontakten var glidande rulle mot plan. Dessa tester visar att nötningen är desamma för kompositmaterial mot kromat stål, som testats i de båda medierna. Friktionsvärdet var lägre när man hade monopropylenglykol med vatten som smörjmedel. I fallet med brons mot kromat stål var resultatet detsamma, monopropylenglykol med vatten gav lägre friktionsvärde och återigen gavs samma slitage vid jämförelse av provbitarna som gått i hydraulolja respektive monopropylenglykol med vatten. Slutsatsen är att vattenhydraulik är ett bra alternativ till oljehydraulik, men ingående kunskap om hydraulikens systemkomponenter vid vätskekonvertering är nödvändig. Till exempel om materialen i systemet lämpar sig för konvertering eller behöver bytas ut. / This report puts together the possibilities of water hydraulics. It also compare pros and cons of new adapted systems or when converting existing oil hydraulic systems to water hydraulics. A small comparison of environmental effects from oil and water treated for use in hydraulic systems will be made. A large question concerning water hydraulics is if it has the same durability as oil hydraulics. Another is if you get accelerated wear when you convert an oil hydraulic system to water hydraulics. For hydropower, Water hydraulics is already used for sluice gates. For the operating ring you need very high reliability but water hydraulics should be suiting for this application as well. Pitchcontrol for kaplanrunners is under development, at the moment the swivel on top of the turbineshaft is missing. If you want to convert a kaplanrunner you will also need to change the valves in the hub to get a good reliability. To be able to convert an oil hydraulic system you need to change some components: valves, filters and pumps, these needs to be adapted for water to have a reasonable lifetime. The lifetime is guaranteed to be 8000-10000h for a recently installed water hydraulics system. This is regarding to the pump, which is the part of both water- and oil- hydraulics with the shortest lifetime. If you compare water- with oil- hydraulics they have about the same lifetime. That has always been the goal for the supplier Danfoss development of water hydraulics. A water hydraulic system with pure tap water as pressure media will not affect the environment at all. Systems with monopropylen glycol and water as media will have only a small environmental influence. Monopropylen glycol that has leaked out will be broken down in 24h if it is taken care of in a cleaning plant. In the nature it will take slightly longer according to dowcal who produces the glycol. Monopropylen glycol has no cases of allergy reported, which makes the working environment and handling better than for hydraulic oil. Oil needs elevated temperature and the presence of earth to be able to break down, and still it takes considerable time. The lifetime on sliding bushings existing in the hydraulic cylinders for Älvkarleby hydropowerstation sluice gates have been investigated by laboratory work. Friction and wear was compared with hydraulic oil or monopropylen glycol with water (50/50). The contact was a sliding wheel against a sheet. These tests shows that the wear is equal if you test a composite against chromed steel, with the two different hydraulic medias. The friction was however lower when you tested it with monopropylen glycol and water as lubricant. In the case bronze against steel the results were the same. Monopropylen glycol with water gave lower friction, though the wear was equal between the two medias. The conclusion is that water hydraulics is a good alternative to oil hydraulics, thorough knowledge of the hydraulic components is necessary though. For instance if the materials in the system is suitable for use in water hydraulics, or needs to be changed.