Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Département de génie mécanique, STI - Section de génie mécanique IGM (Laboratoire de machines hydrauliques LMH)

Etude du comportement dynamique des turbines Francis : contrôle actif de leur stabilité de fonctionnement

Blommaert, Gino ; Avellan, François (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2000 ; no 2222.

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    Summary
    A common phenomenon in Francis turbines is draft tube surge. In these fixed-bladed machines, a strong runner outlet swirl can develop under off-design conditions. The action of the diffuser, and in particular the draft tube elbow, on the rotating flow field induces synchronous pressure and discharge fluctuations. These low frequency disturbances are of special interest, because they can easily propagate throughout the whole hydraulic system. The dynamic response of the system to the natural excitations can inhibit the normal usage of the powerplant. If the natural excitation occurs at frequencies close to an eigenfrequency of the hydraulic system, an important amplification of the hydraulic fluctuations can be expected. Passive measures, such as air admission or minor design modifications, are commonly taken as a last resort to try to reduce these phenomena. This work explores an active control approach to alleviate the problem. It is shown that the hydroacoustic fluctuations in a hydraulic installation can strongly be reduced by "injecting" the inverse signal of the turbine's natural excitation. While the main theme is the application of the active control approach to improve the operation stability of Francis turbines, the scope of this study is larger and addresses the following scientific topics: Modeling of an hydroelectric installation The dynamic behavior of an installation is studied based on an one-dimensional model. A compilation of the basic modeling tools was done. Using these tools, the dynamic model of a hydraulic installation and an external hydroacoustical source is presented. It is used to explain how the overall hydroacoustic fluctuations can be reduced using a hydraulic exciter mounted in the wall of a draft tube's cone. Improving the operation stability by active control The hydraulic fluctuations associated with off-design operating conditions of Francis turbines are often very periodic and characterized by the presence of a dominant frequency component. The aim is to cancel out this component for which the amplitudes are often excessive. An active control system, composed of a hydraulic exciter and its controller, has been developed for a Francis turbine. The exciter employs a pulsed flow injection in the draft tube to generate an antiexcitation at a given frequency, which is then synchronized with the turbine's natural excitation. A self-tuning extremum control algorithm optimizes the operating parameters of the exciter to minimize the overall fluctuations in the hydraulic installation. Laboratory tests show the efficiency of the active control system. The amplitude of the pressure and discharge fluctuations at the dominant frequency component are reduced to background noise levels. Multiple configurations of the exciter have been tested. A spectral analysis of the pressure fluctuations is presented, the system's energy balance has been performed and the control algorithm of the system is analysed. The energy balance is very encouraging: the exciter system needed only about 1 percent of the hydraulic power of the Francis turbine. Prediction of the operation stability of turbines based on model tests Laboratory tests on a scale model, homologous to the turbine, are an indispensable step in the development of a hydroelectric powerplant. Unlike the static characteristics, the dynamic behavior of a turbine installation is difficult to predict. An original identification method of the dynamic characteristics of a model turbine is proposed. The method is verified on a theoretical case study and experimentally tested. It constitutes the basis of the prediction of the operation stability of the powerplant based on model tests.
    Résumé
    Le fonctionnement des turbines Francis en dehors du régime optimal induit souvent des fluctuations périodiques de la pression et du débit-volume, liées à la vorticité inévitable à la sortie de la roue. Au cas où ce phénomène se produit à une fréquence proche d'une fréquence propre de l'installation hydraulique, la réponse dynamique peut empêcher l'exploitation normale de la machine. Actuellement, des solutions passives sont mises en œuvre afin de réduire les fluctuations hydroacoustiques à un niveau acceptable. Ce travail présente une approche novatrice à cette problématique basée sur le contrôle actif. Nous avons montré qu'en excitant délibérément l'installation avec le signal inverse des excitations émises naturellement, les fluctuations hydroacoustiques peuvent être réduites de manière spectaculaire Si l'utilisation du contrôle actif pour améliorer la stabilité de fonctionnement d'une turbine Francis est l'application de ce travail, l'étendue est plus large. Les sujets scientifiques suivants ont été abordés : Modélisation d'une installation hydroélectrique Le comportement dynamique global d'une installation est étudié à l'aide d'un modèle monodimensionnel. Une compilation d'éléments de modélisation est réécrite dans un formalisme univoque et apporte les outils de base de la modélisation hydroacoustique. A partir de ces éléments, un modèle dynamique d'une installation hydraulique et d'une source d'excitation externe est présenté. Cela permet d'expliquer comment un système de contrôle actif basé sur une source d'excitation greffée sur la paroi du cône du diffuseur peut réduire les fluctuations hydroacoustiques dans une installation hydroélectrique. Amélioration de la stabilité de fonctionnement par contrôle actif Les fluctuations hydrauliques associées au fonctionnement à charge partielle d'une turbine Francis sont souvent périodiques et caractérisées par la présence d'un composant spectral dominant. C'est pour cette fréquence dominante qu'on cherche à atténuer l'amplitude souvent excessive. Un système de contrôle actif spécifique a été conçu pour une turbine Francis, comprenant un actionneur hydraulique et son régulateur. L'actionneur injecte un débit pulsé à une fréquence donnée au sein du diffuseur. Il crée ainsi une contre-excitation qui est synchronisée à l'excitation naturelle de la turbine par le régulateur. Ensuite les paramètres de fonctionnement de l'actionneur sont optimisés afin de minimiser les fluctuations hydroacoustiques au sein de l'installation hydraulique. Des essais sur un modèle réduit de turbine Francis montrent l'efficacité de cette approche. Lors des essais, les fluctuations hydroacoustiques à la fréquence dominante sont atténuées au niveau du bruit de fond. Plusieurs configurations du système d'excitation ont été testées puis analysées sur les aspects suivants : une analyse des fluctuations de pression dans le domaine fréquentiel, une analyse énergétique et une analyse de la commande du système de contrôle actif. Le bilan énergétique se révèle très intéressant : le système d'excitation ne nécessitait qu'environ un pourcent de la puissance de la turbine Francis. Prédiction de la stabilité de fonctionnement d'une installation prototype à partir d'essais sur modèle réduit L'essai d'une turbine sur un modèle réduit homologue à celui de la turbine prototype est une étape encore indispensable de l'élaboration d'une installation hydroélectrique. Les performances statiques peuvent être prédites de manière précise. Or, il n'en va pas de même pour la prédiction du comportement dynamique de l'installation prototype qui est encore mal maîtrisée. Une méthode originale d'identification du comportement dynamique d'une turbomachine sur modèle réduit est proposée et appliquée expérimentalement. Elle constitue également la base d'une prédiction du comportement dynamique de l'installation prototype.