Département de génie mécanique (Laboratoire de machines hydrauliques LMH)

Evaluation sur modèle réduit et prédiction de la stabilité de fonctionnement des turbines Francis

Jacob, Thierry ; Henry, Pierre (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1993 ; no 1146.

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    Summary
    1. Stability of operation of Francis turbines Hydraulic disturbances often come with the operation of Francis turbines outside of design head and flow. In some cases, the excessive amplitude of the dynamic system response to these disturbances leads to restriction in the normal operation of the plant. Disturbances largely depend upon operating conditions and the particular turbine design. The response amplitude is under a strong influence from the feed pipe dynamics. Technical and economic consequences of a faulty stability of operation are such that the prediction of stability from model tests is one of the major challenges in present research on hydraulic machinery. Acceptance tests performed on a scale model in a hydraulic laboratory may provide the necessary elements for a full description of characteristics significant for the stability of operation of the full-size turbine in its piping system. This thesis is discussed in the report. 2. Dynamic characterization on the scale model The diagnosis for the dynamic behaviour associated with a machine design and given operating conditions is based on the observation of pressure fluctuations in various positions on the model and test circuit. Auxiliary measurements and surveys of cavitation, noise and vibrations support this data. This study presents a set of evaluation criteria for the elaboration of a diagnosis. The method is illustrated using practical examples from published works and from the numerous experiments performed by the author. A discussion of similitude shows that a diagnosis set using this method provides a good characterisation of the dynamic behaviour associated with the particular turbine design. Adapting acoustic power methods to Francis turbine tests provides a quantitative evaluation of disturbance sources. This tool makes it possible to look forward to an actual prediction of oscillation amplitudes associated with the full-size turbine operation. 3. Elements for the prediction The test laboratory provides a description of the dynamic behaviour associated with a particular turbine design in a guaranteed range of operation. This description is based on three elements of evaluation: discussion of the various dynamic phenomena according to operating conditions: relative frequency and amplitude of the part load precession, of 80 % load oscillation, relative frequency of draft tube column free oscillations, vortex-free region, organisation of the full load pulsation; survey of the draft tube cavitation compliance, lumped at the runner outlet, according to operating conditions; relative emission of the acoustic power toward the piping system, according to operating conditions. These three elements allow an adequate representation of the Francis turbine for a computation of stability of operation involving the piping system dynamics. However, this is the limit of what the test laboratory can say; the prototype piping system layout is liable to change after the turbine model acceptance tests. Once the turbine is adequately described the prediction of stability is performed using known methods and is done under responsibility of the technical consultant. 4. Conclusions The proposed method complies with technical and economic requirements of a laboratory acceptance test on a scale model. Following a simple experimental procedure, if yields a good description of the dynamic behaviour associated with a particular Francis turbine design and its guaranteed range of operation. It provides the elements for computations of stability of operation. Systematic use of the method and comparisons with field observations are the logical sequel to this research. This necessary phase of development will make the stability computations finer, for instance in handling damping in the connecting pipes. It will also provide the basis for a definition of scale effects to be used for the correction of similitudes.
    Résumé
    1. Stabilité de fonctionnement des turbines Francis Le fonctionnement des turbines hydrauliques de type Francis hors de leur régime de tracé est souvent accompagné de perturbations hydrauliques. Dans certains cas, l'amplitude excessive de la réponse dynamique du système à ces perturbations entraîne une restriction à l'exploitation normale de l'aménagement. Les perturbations dépendent largement des conditions de fonctionnement et du tracé particulier de la turbine. L'amplitude de la réponse est fortement influencée par la dynamique du système d'adduction. Les implications techniques et économiques d'une mauvaise stabilité de fonctionnement d'une turbine de dimensions industrielles sont telles que la prédiction de stabilité à partir des résultats d'essais sur modèle réduit est un des grands enjeux de la recherche actuelle sur les machines hydrauliques. Il est possible de rassembler à l'occasion des essais de réception en laboratoire, sur modèle réduit, les éléments nécessaires à une description complète des caractéristiques déterminantes pour la stabilité de fonctionnement de la turbine industrielle dans son système d'adduction. Cette thèse est argumentée dans le rapport. 2. Caractérisation dynamique sur modèle réduit Le diagnostic du comportement dynamique associé à un tracé de machine et à des conditions de fonctionnement données repose principalement sur l'observation des fluctuations de pression en différents points du modèle et du circuit d'essai. Des mesures annexes et des relevés des développements de cavitation, des bruits et des vibrations complètent ces informations. Cette étude présente un ensemble d'éléments d'appréciation pour l'élaboration du diagnostic. La méthode est illustrée par des exemples pratiques tirés de travaux publiés et des nombreuses expériences réalisées par l'auteur. Une discussion de similitude montre que le diagnostic ainsi posé donne une bonne caractérisation du comportement dynamique de la turbine Francis considérée. L'adaptation aux essais de turbines Francis des méthodes de l'intensimétrie hydro-acoustique fournit une quantification des sources de perturbations. Cet outil permet d'envisager la prédiction effective de l'amplitude des oscillations associées au fonctionnement de la turbine industrielle. 3. Eléments de la prédiction Le laboratoire d'essais fournit une description du comportement dynamique associé au tracé particulier d'une turbine Francis et à une plage de fonctionnement garantie. Cette description s'appuie sur trois éléments d'appréciation: la discussion des différents phénomènes dynamiques selon les régimes de fonctionnement: fréquence et amplitude relatives de la précession de charge partielle, des oscillations de 80 % de charge, fréquence relative des oscillations libres de la colonne d'eau dans l'aspirateur, zone sans torche, organisation de la pulsation de forte charge; le suivi de la compressibilité localisée due à la cavitation dans l'aspirateur, en fonction des paramètres de fonctionnement; l'émission relative de puissance acoustique vers les ouvrages d'adduction, en fonction des paramètres de fonctionnement. Ces trois éléments permettent de modéliser la turbine Francis en vue d'un calcul de stabilité de fonctionnement tenant compte de la dynamique des ouvrages d'adduction. Les compétences du laboratoire d'essais s'arrêtent cependant là; en effet, le tracé des conduites de raccordement est susceptible de changer encore après les essais de réception de la turbine. Une fois la turbine décrite de façon adéquate, la prédiction de stabilité fait appel à des méthodes connues et relève de la responsabilité de l'ingénieur conseil. 4. Conclusions La méthode proposée obéit aux impératifs techniques et économiques de l'essai de réception en laboratoire, sur modèle réduit. A l'issue d'une procédure expérimentale simple, elle fournit une description fidèle du comportement dynamique associé au tracé particulier d'une turbine Francis et à sa plage de fonctionnement garantie. Elle fournit les éléments nécessaires au calcul de la stabilité de fonctionnement. L'application systématique de la méthode et la comparaison avec des observations réalisées sur des installations industrielles constituent la suite logique de l'étude. Cette phase indispensable du travail permettra d'affiner les calculs de stabilité pour mieux tenir compte, notamment, des effets dissipatifs dans les conduites de raccordement. Elle fournira enfin les bases nécessaires à la definition des effets d'échelle à appliquer pour la correction des similitudes mises en oeuvre.