3D Numerical Modeling of Transient Conditions in Francis Turbines

Ces dernières années, plusieurs études se sont intéressées à l'amélioration de la conception des turbines hydroélectrique dans le but de réduire les effets négatifs des conditions d'opération hors design et des phénomènes transitoires. Néanmoins, encore plus d'efforts sont nécessaires pour fournir aux ingénieurs de conception des méthodes de simulation efficaces et robustes pour des conditions d'exploitation complexes et instationnaires. Il existe plusieurs approches concurrentes en cours de développement qui doivent être évaluées et comparées. Cette recherche vise à combler ce manque, en développant et en évaluant des méthodologies d'analyse des turbines Francis lors des opérations de rejet de charge, de vitesse à vide et d'emballement. Cette recherche évalue des techniques de calcul de la vitesse d'emballement et de la vitesse à vide en utilisant des simulations numériques stationnaires et instationnaires. Deux méthodes sont comparées en calculant des paramètres dynamiques de la turbine pour trois cas composés de turbines Francis de haute et moyenne chute. Les simulations en stationnaire sont faites en utilisant un résoluteur fluide commercial, couplé avec un algorithme itératif basé sur la relation entre le couple de la roue et la vitesse. Toutes les simulations stationnaires sont faites sur un seul passage du distributeur et de la roue, connectés avec un modèle d'interface de mélange. Pour la seconde méthode, les simulations instationnaires, utilisant la moyenne de Reynolds des équations de Navier-Stokes (RANS), sont couplées à une sous-routine maison qui calcule et retourne le pas de temps, la vitesse de rotation de la roue et le couple de frottement. Les simulations instationnaires sont effectuées sur deux configurations géométriques: une turbine complète et sur un seul passage du distributeur et de la roue. Le modèle de rotor-stator transitoire (TRS) est utilisé pour coupler le distributeur avec la roue, et la roue avec l'aspirateur, dans le cas de la turbine complète. Un modèle d'interface de mélange est utilisé coupler un passage du distributeur avec un passage de la roue, et un passage de la roue avec l'aspirateur. Les simulations instationnaires avec le modèle TRS sont plus précises que les simulations stationnaires et instationnaires avec le modèle d'interface de mélange, pour calculer la vitesse d'emballement et la vitesse à vide pour plusieurs angles d'ouverture. Les simulations stationnaires fournissent un compromis entre la précision et l'effort de calcul nécessaire pour calculer les vitesses d'emballement et à vide.

Abstract

In recent years, several studies have focused on improving hydroelectric turbine designs in order to decrease the negative influence of off-design conditions and transient processes. Nevertheless, greater effort is still needed to provide design engineers with efficient and robust simulation methodologies for complex unsteady operating condition. There are several competing approaches currently in development that must be evaluated and compared. This study aimed to reduce this gap in the research, by evaluating and developing methodologies for analyzing Francis turbine operations during load rejection, no-load condition, and runaway. The research evaluated techniques for the calculation of the runaway speed, and no-load speed using steady and unsteady simulations. Two methods were compared by calculating turbine dynamic parameters for three test cases, consisting of high and medium head Francis turbines. The steady simulations were conducted using a commercial flow solver, and an iterative algorithm based on the relation between runner torque and speed. All steady simulations were performed on a single runner/distributor passage connected through a stage interface model. In the second method, unsteady RANS simulations were integrated with a user subroutine, to compute and return the value of the runner speed, the time step, and the friction torque. The unsteady simulations were performed for two geometric configurations: the complete turbine, and a single runner/distributor passage. The transient-rotor stator (TRS) model was used for connecting the runner and distributor, and the runner and draft tube in the complete turbine. The stage interface model was used for connecting the runner and distributor passages, and the runner's passage and draft tube. The unsteady simulations using TRS model were found more accurate than the steady and unsteady stage simulations for calculating the runaway and no-load speed for many opening angles. The steady simulations provided a compromise between accuracy and the computational effort required to calculate the runaway and no-load speed. In the second part of the project, the unsteady simulations were successfully applied in order to investigate the operation of a Francis turbine at no-load conditions. Numerical flow simulation was challenging, because the flow was irregular and unstable owing to large flow separation, vortex formation, and large amplitude pressure oscillations in the turbine and draft tube. The simulations led to a deeper understanding of flow physics and pressure fluctuations in the turbine and draft tube.