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.