Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie mécanique, Institut des sciences de l'énergie ISE (Laboratoire de machines hydrauliques LMH)

Analyse du champ de pression pariétale d'un diffuseur coudé de turbine Francis

Arpe, Jorge ; Avellan, François (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2003 ; no 2779.

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    Summary
    At this time, a large number of hydraulic turbomachinery installations are ageing, so that they need refurbishement to increase their efficiency and their associated output power. The items that need refurbishement are mainly the runner and the guide vanes. The draft tube and the spiral casing are generally not modified, for cost and safety reasons. An unsuitable match between the new runner and the old draft tube can lead to an unfavourable flow behavior and an efficiency drop when the hydroelectric plant works at off-design conditions, due to the rapidly changing user load conditions. Moreover, in non-optimum operating conditions, the draft tube can be the origin of unstabilities that prevent the machine exploitation. The understanding of the flow in the draft tube is therefore very important for the prediction and the control of the machine stability. The flow in the draft tube is complex, unsteady and turbulent because of its rotating nature and of the draft tube's geometry. In order to increase the understanding of the flow physics, analyses of the steady and unsteady pressure fields on the draft tube walls are lead through extensive pressure measurements in the whole draft tube. The investigation is divided in two parts. The first one concerns the analyses of the pressure measurements at the operating points near the optimum (BEP) in order to understand the recovery coefficient break-off when the flow rate increases. A particular evolution of the steady pressure field appears following the operating points around the BEP. Consequently, the flow is distributed between the 2 channels of the draft tube according to each operating point. As for the unsteady phenomena, the fluctuating field in the cone of the draft tube shows 2 components : a rotating component at the runner frequency fn and a synchronous component at 20fn resulting from the rotor-stator interaction. The influence of the spiral casing on the fluctuating pressure is pointed out by representing all phase average signals in the same absolute angular position of the runner. Unsteadiness of random nature at very low frequency, below 0.3fn, appears as well. These fluctuations propagate from the elbow to the 2 channels in the draft tube. Correlations between the steady and unsteady results are observed during the analysis. The second part concerns the analysis at the low discharge operating points. An influence of the vortex volume, from a hydrodynamic and acoustic point of view, has been found in the turbine operation for 3 values of the Thoma number σ. For these 3 pressure levels, the turning pressure field due to the vortex rotation is completely deformed by a synchronous pressure field at the same frequency. This field influences the magnitude of the fluctuations at the wall and mainly in the phase velocity of the vortex. At low σ, the big volume of the biphasic vortex interacts with the draft tube in such a way that the elbow becomes the source of strong pression oscillations that propagate to the upstream and to the downstream of the draft tube and dangerously towards the pipes of the test rig system. At mean σ, the volume of the biphasic vortex decreases and causes a regular pressure field in the draft tube and the strong oscillations disappear. At high σ, the vapor phase disappears completely and the comparison between the measurements and a monophasic numerical calculation shows good consistency in the cone of the draft tube. Thanks to this computation it is possible to explain the fluctuations shape at the cone walls.
    Résumé
    A l'heure actuelle, le parc des machines hydrauliques est composé d'anciennes centrales qui ont besoin d'être réhabilitées en rendement et en puissance. La réhabilitation concerne en pratique les éléments d'accès facile tels que la roue et les aubes directrices. Le diffuseur et la bâche spirale ne sont généralement pas modifiés pour des raisons de coût et de sécurité. Une mauvaise adaptation de l'écoulement entre la roue modifiée et le diffuseur existant peuvent provoquer des chutes de rendement lorsque la centrale travaille aux régimes de fonctionnement off-design, ce qui est souvent le cas car il faut satisfaire les besoins en énergie des consommateurs. Par ailleurs, dans des conditions de fonctionnement non optimales, le diffuseur peut être à l'origine d'instabilités qui empêchent l'exploitation de la machine. La compréhension de l'écoulement dans le diffuseur est donc vitale pour la prédiction et la maîtrise des instabilités de fonctionnement d'une machine. L'écoulement dans un diffuseur de turbine Francis est complexe, instationnaire et turbulent, en raison de sa nature tournante et de la géométrie du diffuseur. Afin d'augmenter les connaissances sur la physique de l'écoulement, des analyses de champ de pressionmoyen et fluctuant aux parois du diffuseur sont menées à travers des mesures de pression extensives dans tout le diffuseur. Le travail est divisé en deux grandes parties. La première concerne les analyses de mesures de pression aux points de fonctionnement proches du point optimal, afin de comprendre la chute de récupération de pression du diffuseur lorsqu'on augmente le débit. Une évolution particulière du champ de pression moyen est mise en évidence selon les points de fonctionnement autour du point optimal. Le résultat est une distribution du débit entre les 2 canaux du diffuseur selon le point de fonctionnement. Du point de vue des phénomènes périodiques, le champ fluctuant dans le cône montre principalement 2 composantes : une composante tournante à la fréquence de rotation de la roue fn et une composante synchrone à 20fn résultant de l'interaction rotor-stator. L'influence du bec de bâche sur les fluctuations de pression est mise en évidence en représentant tous les signaux de moyennes de phase selon la position angulaire absolue de la roue. Des phénomènes de nature aléatoire à très basse fréquence, en dessous de 0.3fn, se manifestent également. Ces fluctuations se propagent depuis le coude vers les canaux du diffuseur. Des corrélations entre les résultats du champ moyen et fluctuant sont aussi observées au cours de ces analyses. La seconde partie concerne les analyses de mesures aux points de fonctionnement de débit partiel. Une très grande influence du volume de vapeur du vortex est observée sur le fonctionnement hydrodynamique et acoustique de la turbine à 3 valeurs de nombre de Thoma σ. Pour ces 3 valeurs, le champ de pression purement tournant en sortie de roue introduit par le vortex est complètement déséquilibré par une composante synchrone à la même fréquence, qui influence le niveau de fluctuations de pression sur les parois et surtout fait varier la vitesse de phase du vortex. A petit σ, le vortex cavitant de grand volume interagit avec le diffuseur, de telle sorte que le coude devient source de fortes ondes de pression qui se propagent vers l'aval, vers l'amont du diffuseur et dangereusement vers les conduites du circuit de la plate-forme. A moyen σ, le vortex cavitant de plus petit volume produit un champ de pression régulier dans le diffuseur et les fortes ondes de pression disparaissent. A σ élevé, en absence de phase vapeur, des comparaisons entre les mesures et un calcul numérique monophasique donnent une très bonne concordance dans le cône du diffuseur. Grâce à ce calcul, il est possible d'expliquer les allures des fluctuations de pression aux parois du cône.