Modal Analysis of a Spinning Disk in a Dense Fluid as a Model for High Head Hydraulic Turbines

Dans les turbines Francis de hautes chutes et dans les pompes-turbines en particulier, les Interactions Rotor Stator (RSI) sont une source d'excitation inévitable qui doit être prédite avec précision. Une connaissance pointue des caractéristiques dynamiques des turbines, notamment de la variation des fréquences naturelles du rotor en fonction de la vitesse de rotation et de la masse ajoutée de l'eau avoisinante, est essentielle à la prédiction de résonances potentielles et de l'amplification des vibrations résultantes. Dans ces machines, la couronne et la ceinture de la roue ainsi que les flasques supérieur et inférieur possèdent une structure similaire à un disque, ce qui donne lieu à l'apparition de modes diamétraux et à un phénomène de séparation des fréquences pour lequel aucune méthode de prédiction efficace n'existe à ce jour. Les méthodes d'Interactions Fluide-Structure (IFS) complètement couplées coûtant trop cher en temps de calcul, un modèle simplifié basé sur l'approche de force modale serait un outil puissant en terme de design et de prédiction de temps de vie de ces turbines. Ce travail présente le développement d'un modèle analytique et d'un modèle de Mécanique des Fluides Numérique (CFD) pour les disques en rotation dans un fluide dense, permettant la prédiction précise de la séparation et du décalage des fréquences qui sont observés expérimentalement. De plus, une explication sur l'origine physique du phénomène de séparation des fréquences en est déduite. Ces modèles sont validés par comparaison avec des données expérimentales.