Conception et validation d'outils pour injection sur profil aérant

Ce mémoire a pour objectif de présenter la conception, la réalisation et le test d'outils expérimentaux dans le but d'obtenir un profil d'aile dit “aérant”. L'aération des turbines hydroélectriques est aujourd'hui une problématique de recherche qui se développe de plus en plus. En effet, d'une part elle serait une bonne manière d'atteindre les normes environnementales en vigueur et d'autre part, constitue une avancée technique capable d'améliorer la durée de vie des turbines actuelles voire même, sous certaines conditions précises, d'accroître leurs performances en rendement. La réalisation d'un profil aérant, qui se rapproche du profil d'une aube de turbine, capable d'injecter de l'air dans un écoulement d'eau à haute vitesse (de 10 à 25 m/s) constitue un pas de plus vers la compréhension des phénomènes qui ont lieu dans les turbines aérantes et sont justement étudiés au sein de la Chaire CRSNG-GE à Polytechnique Montréal. Dans ce mémoire il sera détaillé, dans un premier temps, les simulations pour optimiser la chambre à air interne du profil et la conception du profil lui même. Les simulations ont permis d'obtenir une chambre à air garantissant un profil de vitesse de l'air en sortie le plus homogène possible pour des conditions de pleines charges (injections de 55 L/s d'air dans la boucle) avec une vitesse moyenne de sortie de l'air de 135 m/s dans la veine d'essai. Le travail présenté ici fait également part de la construction d'une toute nouvelle boucle pour accueillir les tests préliminaires à basse vitesse du profil ainsi que les autres expériences à basses vitesses de la Chaire. Des instruments de mesure propres à cette boucle ont également été développés, dont un nouveau système de déplacement motorisé pour les sondes à fibres optiques et un ensemble de jauges de contraintes pour le profil. Ces dernières se révéleront utiles pour la suite des expériences afin de quantifier les efforts en jeu sur le profil sous différentes conditions d'écoulements. La technique de “Krigeage” développée au long de cette Maîtrise permet de lisser les résultats et, dans une moindre mesure, d'obtenir des cartographies 3D de l'écoulement à partir de données 2D. Ce modèle reste néanmoins à développer plus en profondeur afin d'en tirer une utilisation optimale. Les tests préliminaires font état d'un bon comportement du profil aérant à basse vitesse et laissent entrevoir de très bonnes perspectives lorsque que ce dernier sera mis en écoulement à haute vitesse.

Abstract

This thesis presents the design, realisation and testing of an aerating profile and devices to test and understand the behaviors of the latter. The aeration of hydroelectric turbines is today a research field that is growing. Indeed, it would be a good way to achieve the environmental standards in terms of water oxygenation. Moreover it is a technical advance capable of improving the lifetime of current turbines or even, under certain specific conditions, to increase their efficiency. Thus, the tests of an “aerating” profile , similar to the profile of a turbine blade, and capable of injecting air into a high-speed water flow (from 10 to 25 m/s) represent a further step towards understanding the phenomena that occur in aerating turbines and are currently studied within the NSERC-GE Chair at Polytechnique Montreal. In this thesis we expose the simulations to optimize the inner air chamber of the profile and the design of the profile. The simulations allowed us to design an air chamber that produce a most homogeneous air velocity profile for full load conditions (injections of 55 L/s of air into the water loop) with an average air velocity of 135 m/s into the test section. The work presented here also includes the construction of a completely new loop to accommodate the preliminary low-speed tests of the profile as well as the other low-speed experiments of the Chair. Measuring instruments specific to this loop have also been developed, including a new motorized displacement system for fiber optic probes and a set of strain gauges for the profile. These will be useful for further experiments in order to quantify the loads involved on the profile under different flow conditions. The technique of “Krigeage" developed along this Master allows to smooth the results and to obtain 3D mapping of the flow from 2D data. However, this model still needs to be developed in order to get its full potential in terms of representativity of the void fraction. Preliminary tests yield a good behavior of the low-speed air profile and suggest very good prospects for high-speed velocities tests.