Academic literature on the topic 'Turbines hydrauliques'

Devant le nombre de degré de liberté disponible dans le choix d'une nouvelle conception d'une turbomachine ou dans l'amélioration d'une machine existante. Il est aujourd'hui nécessaire de développer des techniques de conception et d'optimisation à base d'outils mathématiques permettant l'intégration efficace des méthodes et outils développées dans le dimensionnement et l'analyse des écoulements internes. Ces techniques permettent alors la recherche des meilleurs compromis conduisant à une conception optimisée. Mon travail recherche m'a permis de mettre au point une technique de tracé et d'optimisation de la géométrie des turbines FRANCIS. Cette technique est basée sur une paramétrisation géométrique de tous les éléments de la turbine (bâche avant-distributeur, directrices, roue et aspirateur). L'écoulement est ensuite estimé avec des logiciels de CFD et une fonction objectif définie à partir des performances recherchée pour la machine est évaluée à partir de l'écoulement calculé. Cette fonction objectif est donc une fonction non linéaire des paramètres qui ont servis à paramétriser la géométrie. Son optimisation est alors possible en utilisant, par exemple des algorithmes génétiques. Pour mettre en œuvre une telle optimisation, il est nécessaire d'automatiser l'ensemble du processus grâce à des scripts informatiques, pour construire la géométrie de la turbine à partir des paramètres, puis un maillage robuste des domaines de calcul. Le calcul CFD, avec le post-processing qui permet d'estimer la fonction objectif, sont ensuite exécutés automatiquement pour compléter un cycle de calcul. J'ai mis au point une telle technique d'optimisation pour toute la partie "haute pression" de la turbine. Pour la roue, une technique "manuelle" d'optimisation, beaucoup plus rapide que l'automatique, a été utilisée (5 à 10 itérations à comparer avec 150 à 200 calculs pour la méthode automatique)
Because of the higher number of parameters available in the choice of a new design of a turbomachinery or in the improvement of an existing machine. It is today necessary to develop techniques of design and optimization based on mathematical tools allowing the effective integration of the methods and tools developed in dimensioning and in the analysis of the internal flows. These techniques then allow the research of the best compromises leading to an optimized design. My research work enabled me to develop a technique of design and optimization of FRANCIS turbines. This technique is based on a geometry parameterization of ail the elements of the turbine (Spiral-Casing, distributor, runner and draft tube). The flow is then estimated with software of CFD and a function objective defined starting from the performances sought for the machine is evaluated starting from the calculated flow. This function objective is thus a nonlinear function of the parameters which were used for geometry parametrization. Its optimization is then possible while using, for example genetic algorithms. To make an optimization, it is necessary to automate the whole of the process thanks to data-processing scripts, to build the geometry of the turbine starting from the parameters, with a robust grid for the domain calculations, Then Calculation CFD, with the postprocessing which makes it possible to estimate the function objective, are then carried out automatically to supplement a cycle of calculation. I developed such a technique of optimization for ail the part "high pressure" of the turbine. For the runner, a "manual" technique of optimization, much faster than the automatic, was used (5 to 10 iterations to be compared with 150 to 200 calculations for the automatic method). This technique was tested successfully for two examples of turbine Francis, one at slow specific speed (nq=48), the other rapid (nq=81)

Dimensionnement d'une turbine hydraulique de type banki-mitchell. Etude de l'ecoulement en fluide parfait au travers de la roue. Puissance effective. Hauteur de chute. Application a des micro-centrales hydrauliques

Les modeles utilises actuellement pour la regulation des turbines hydrauliques sont souvent tres simplifies et ne permettent de prevoir avec precision suffisante le comportement des systemes de controle - commande, lorsque les conditions d'exploitation evoluent entre des situations extremes. Pour palier a cette difficulte, la caracterisation exacte et coherente sur le plan theorique et experimental du systeme hydroelectrique complet en s'appuyant sur les caracteristiques hydromecaniques intrinseques reelles des differents elements du groupe, doit permettre de representer le comportement statique et dynamique global dans ces conditions de fonctionnement fortement non-lineaire. L'objectif de la these a ete de mettre au point un tel modele pour les turbines francis et de proposer des algorithmes evolues d'optimisation de la loi de commande des systemes de regulation en vitesse. La demarche suivie par m. Mugur tolea a consiste a developper un modele parametrique des pertes internes dans la turbine. L'identification des parametres du modele est realisee a partir des donnees experimentales (colline de rendement). De nouvelles techniques de regulation a vitesse fixe ou variable ont en suite ete mise en uvre. Elles sont basees sur des outils specifiques a la commande intelligente combinant les reseaux neuronaux et la logique floue. Cette nouvelle approche a ete testee et validee sur une boucle experimentale de la laboratoire avec une turbine de 5 kw. La transposition a une configuration reelle de centrale hydroelectrique de 86 mw a ete realisee en liaison avec la societe hydro vevey. Les resultats sont tres positifs et la transposition de cette approche a d'autres types de turbines hydrauliques est envisagee.

Récemment, les sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie éolienne et solaire, sont devenues des éléments essentiels des réseaux électriques en tant qu’alternatives d’énergie propre aux combustibles fossiles. Cependant, la qualité de la production de telles ressources énergétiques dépend de différents facteurs incertains, tels que les conditions météorologiques. Par conséquent, la gestion intermittente des sources d’énergie renouvelables est l’un des principaux défis à relever pour une utilisation à plus grande échelle.Une solution possible pour réduire les effets de l'intermittence des ressources énergétiques sur la production d'énergie et la stabilité du réseau consiste à utiliser les technologies de stockage d'énergie. Les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) semblent être la méthode de stockage propre unique qui peut être utilisée pour lutter contre la nature intermittente de l’énergie éolienne et solaire. Les STEP utilisent des pompes-turbines réversibles pouvant fonctionner comme des pompes pour stocker l'excès d'énergie électrique dans le réseau et comme des turbines pour générer de l'énergie électrique, lorsque davantage d'énergie électrique est nécessaire. Ainsi, les STEP aident à stabiliser le réseau en présence de ressources en énergies renouvelables intermittentes.Ce travail met l’accent sur les conditions de fonctionnement de la turbine pour le démarrage des STEP. Dans les STEP, la condition de fonctionnement de démarrage est généralement visitée plusieurs fois, à la suite d'un basculement entre les modes de pompage et de turbine. Ainsi, l'amélioration des performances des régulateurs de vitesse utilisés pour le démarrage devient plus importante lorsque l'on traite avec des STEP afin de permettre une récupération rapide de la tension.Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet pluridisciplinaire INNOVHYDRO, qui regroupe différents laboratoires et entreprises tels que, GIPSA-lab où cette thèse a été préparée, G2Elab, GE et EDF.Dans cette thèse, une architecture de contrôleur prenant en compte les limitations informatiques des microcontrôleurs existants utilisés chez GE est proposée. Elle apporte une solution au problème du démarrage rapide de la turbine tout en évitant l'excitation de fortes oscillations de pression. De plus, les contraintes de couple s'intègrent facilement pour permettre un démarrage en douceur, ce qui réduit la fatigue des composants mécaniques, résultant du démarrage répétitif des turbines.Des solutions sont proposées pour ajuster les gains du contrôleur, tout en tenant compte de la dynamique non linéaire de l'actionneur utilisé chez GE. Pour commencer, une méthodologie de réglage est décrite pour garantir la stabilité asymptotique et les performances en boucle fermée, tout en minimisant la limite supérieure de l'erreur de suivi en sortie. De plus, une approche d'optimisation systématique est développée pour sélectionner les gains du contrôleur afin de minimiser le temps nécessaire pour obtenir une connexion stable au réseau, tout en respectant les contraintes de couple maximales. De plus, des algorithmes sont utilisés pour choisir les paramètres du contrôleur de sorte que des certificats de robustesse soient obtenus sur le contrôleur résultant.De plus, un simulateur a été développé pour les centrales hydrauliques et utilisé pour tester le contrôleur proposé. Le simulateur est constitué d’un système d’équations différentielles continues qui modélisent systématiquement le comportement des différents composants de la centrale hydraulique, tels que les conduites forcées, les tunnels, les réservoirs et les cheminées d’équilibre. De plus, le comportement non linéaire et les caractéristiques en S des régions instables des turbines hydrauliques, généralement modélisées par des diagrammes de Hill, sont pris en compte avec succès. De plus, la dynamique non linéaire de l'actionneur est incluse dans le modèle mathématique complet
Recently, renewable energy resources such as, wind and solar energy, have become integral parts of electric grids as clean energy alternatives to fossil fuels. However, the quality of production of such resources of energy depends on different uncertain factors, for instance, weather conditions. Therefore, dealing with the intermittent nature of renewable energy resources is one of the main challenges when using them on a larger scale.A possible solution to reduce the effects of energy resources intermittency on energy production and grid's stability, is to use energy storage technologies. Pumped storage power plants (PSPs) seem to be the unique clean storage method that can be used to counteract the intermittent nature of wind and solar energy. PSPs make use of pumps-turbines which are capable of working as pumps to store excess electric energy in the grid, and as turbines to generate electric energy, when more electric energy is needed. Thus, PSPs help in stabilizing the grid in the presence of intermittent renewable energy resources.The emphasis in this work is on turbine start-up operating mode for PSPs. In PSPs, the start-up operating mode is usually visited multiple times, as a result of switching back and forth between pumping and turbine modes. Thus, enhancing the performance of the speed governors used for starting-up becomes more important when dealing with PSPs to enable a rapid voltage recovery.This PhD thesis is part of the multidisciplinary INNOVHYDRO project that includes different laboratories and enterprises such as, GIPSA-lab where this thesis was prepared, G2Elab, GE and EDF.In this thesis, a controller architecture that takes into account the computational limitations of existing microcontrollers in use at GE, is proposed. It provides a solution to the problem of fast turbine start-up, while avoiding the excitation of sharp pressure oscillations. In addition, torque constraints are easily integrated to achieve smoother start-up, which reduces the fatigue of the mechanical components, resulting from repetitive start-up of turbines.Different approaches are proposed to tune the controller gains, while taking into account the nonlinear dynamics of the actuator used at GE. To begin with, a tuning methodology is outlined to guarantee the asymptotic stability and the closed-loop performance, while minimizing the guaranteed upper bound on the output tracking error. In addition, a systematic optimization approach is developed to select the controller gains to minimize time needed to get a stable start-up, while respecting maximum torque constraints. Moreover, randomized algorithms are used to choose the controller parameters such that robustness certificates are obtained on the resulting controller.Furthermore, a simulator has been developed for hydraulic power plants and used to test the proposed controller. The simulator constitutes of a system of continuous differential equations, which systematically model the behavior of the different components of the hydraulic power plant such as, penstocks, tunnels, reservoirs and surge tanks. In addition, the nonlinear behavior and unstable regions 'S-characteristics' of hydraulic turbines, usually modeled by Hill charts, are successfully taken into consideration. Moreover, the actuator's nonlinear dynamics are included in the overall mathematical model

Le but de cette recherche est le développement d'une méthodologie de dimensionnement et d'analyse des performances des turbines hydrauliques axiales de grande puissance spécifique (THAGPS). Ce type de machine est utilisé lorsqu'on a besoin en même temps d'une grande puissance, d'un encombrement réduit et d'une grande capacité de régulation. La THAGPS nécessite un nouveau tracé du rotor constitué d'aubes courtes (envergure radiale petite) et sans vrillage (l'angle de calage du profil est constant sur toute la hauteur d'aube). D'autre part, le choix d'un degré de réaction nul pour les étages de turbine à l'avantage principale de conduire à une machine pour laquelle la poussée axiale du rotor est pratiquement nulle. La turbine axiale de plus grand puissance spécifique est une turbine ayant un degré de réaction proche de zéro. Les résultats expérimentaux de la maquette essayée (mono-étage à 50% de réaction) ont mis en évidence la grande influence du nombre de Reynolds sur les performances. La puissance spécifique, le rendement maximal et la zone d'opération à rendement maximal varient fortement avec la vitesse de rotation. L'anlayse des performances de la THAGPS exige l'évaluation précise de l'influence du nombre de Reynolds sur la déflexion et les pertes hydrauliques. Dû à la complexité de l'écoulement, cette évaluation est basée sur une simulation numérique tridimensionnelle, de manière à calculer directement les différentes pertes hydrauliques qui se produisent dans un étage.

L'objet de ce programme de travail est de creer un certain nombre d'outils informatiques, sur micro-ordinateurs, susceptibles d'aider les constructeurs de petites turbines hydrauliques. Apres consultation de la presque totalite des fabricants francais de petites turbines, deux themes de recherche et developpement ont ete retenus. Le premier axe de developpement est la creation d'un outil permettant l'etablissement rapide et automatique d'un avant-projet d'une petite centrale hydroelectrique. Cet outil devrait permettre de rechercher la meilleure adaptation des groupes hydroelectriques a un site a equiper, de fournir les cotes principales des machines et de la centrale, et dans sa phase finale, d'editer un document presentant l'implantation de l'avant-projet sur le site. L'etude consiste a batir une structure informatiuqe sur un certain nombre de schemas types, chaque fabricant devant la personnaliser suivant ses fichiers hydrauliques et de fabrication, et ses plans d'avant-projet. Le deuxieme axe de developpement consiste a definir une conception informatisee de la machine sur une structure globale et simplifiee, chaque constructeur devant introduire a l'interieur de cette maquette les methodes qui lui sont propres, issues de son experience et de son savoir-faire. La faisabilite de cette demarche sera etudiee pour les turbines francis

Ce projet de maîtrise a pour but d'améliorer l'uniformité de l'écoulement en entrée de turbine dans le banc d'essai du Laboratoire de Machines Hydrauliques (LAMH) de l'Université Laval. Pour cela, une approche numérique a été utilisée. Diverses simulations numériques de ce banc d'essai ont été réalisées sur le logiciel de simulation numérique ANSYS CFX, afin de permettre la comparaison de différentes solutions techniques. Une simulation utilisant l'approche URANS (Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes) avec un modèle de turbulence k-e a d'abord été réalisée pour analyser le comportement de l'écoulement dans le banc d'essai initial du laboratoire. La validation de ce modèle est basée sur un travail antérieur donnant le comportement expérimental de l'écoulement en certains endroits dans le banc d'essai, en amont d'une turbine bulbe. Cette simulation a montré qu'une modification majeure de l'amenée aurait un effet bénéfique sur l'écoulement. Les autres simulations, utilisant une approche RANS (Reynolds Average Navier-Stokes), ont servi à comparer différentes solutions technologiques envisageables selon la littérature pour une application dans le banc d'essai, et qui seraient, à priori, bénéfiques pour la stabilité de l'écoulement. L'analyse de diverses caractéristiques de cet écoulement a permis de mettre en avant deux solutions aux résultats prometteurs dans ces conditions d'expérimentation, à savoir l'installation d'un coude avec deux aubes directrices avant la section d'essai, et l'installation d'une plaque stabilisatrice d'écoulement dans un tuyau droit en amont de la turbine. Cette dernière solution est celle qui aura été retenue par le LAMH pour son nouveau projet de recherche : Tr-Francis.
The objetive of this project is to improve the uniformity of the inlet flow of a turbine within the test bench of the Laboratory of Hydraulic Machines, LAMH, of Université Laval. For this purpose, a numerical approach has been employed. Several numerical simulations have been carried out on the software "ANSYS CFX" and compared with one another, after validation of the simulation conditions and assumptions. A simulation using the URANS (Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes) approach with a turbulence model k-e was first used to analyze the flow behavior in the original test bench installed in the laboratory. The validation of the model is based on a previous project giving the experimental flow behavior at certain locations in the test bench upstream a bulb turbine. The simulation showed that a major change in the configuration upstream of the turbine in the test bench would be beneficial on the effect it has on the flow. Other simulations using the RANS (Reynolds Average Navier-Stokes) approach compared several technological solutions for application in the modified test bench, which, according to the literature, would be beneficial for flow stability. The analysis of various flow characteristics higlighted two potential solutions in this situation : the installation of a curved pipe with two guided vanes upstream of the test section, or the installation of a flow stabilizer plate in a straight pipe to replace the upstream tank, upstream the turbine. This second solution is the one the LAMH put to use for its next project : Tr-Francis.

L'utilisation croissante des sources d'énergie renouvelable avec une grande volatilité de production, comme l'énergie éolienne et solaire, conduit à des fluctuations dans le réseau électrique qui doivent être compensées. Pour cette raison les machines hydrauliques, turbines et pompes, sont plus souvent opérées dans les régimes de fonctionnement hors fonctionnement nominal et la fréquence des phases de démarrage et arrêt augmente. Ce type de fonctionnement peut avoir des conséquences importantes sur le cycle de vie des machines. Il est donc essentiel de prendre en compte l'écoulement dans les phases transitoires lors de la conception de la machine et la simulation numérique des écoulements est un outil adapté pour cela. La présente étude a pour objectif de développer une méthode de couplage flexible qui combine la méthode à maillage volumes finis (VF) et la méthode sans maillage Smoothed Particle Hydrodynamics - Arbitrary Lagrange Euler (SPH-ALE). Cette méthode couplée peut être utilisée comme outil pour l'investigation des phénomènes transitoires dans les machines hydrauliques. SPH-ALE est particulièrement bien adapté aux simulations des écoulements fortement dynamiques avec des géométries mobiles mais elle a des difficultés pour calculer des forts gradients de pression et vitesse. Un raffinement de particules est difficile à implémenter, surtout si les particules doivent être raffinées de manière anisotrope. Les méthodes volumes finis (VF) sont établies pour les simulations numériques d'écoulements grâce à leur stabilité et précision. Par contre, elles peuvent être lourdes pour les simulations avec des géométries mobiles et demandent souvent une interface entre des parties mobiles et statiques du maillage ce qui génère des erreurs supplémentaires. Pour combiner les deux approches complémentaires, une méthode de couplage a été développée qui décompose le domaine de calcul en zones où la vitesse et la pression sont calculées par la méthode VF, en zones où elles sont obtenues par SPH-ALE et en zones de recouvrement où les informations sont transférées de la zone VF à la zone SPH et inversement. Dans les zones de recouvrement les points de calcul VF sont utilisés comme voisins pour l'intégration en espace des particules SPH. Aux limites du maillage VF la vitesse et la pression sont interpolées des particules SPH, similairement aux méthodes Chimére des maillages recouvrants. Un logiciel SPH-ALE existant du groupe ANDRITZ est utilisé pour cette étude. Un solveur VF faiblement compressible est implémenté dans ce logiciel. Le solveur discrétise la même forme des équations de Navier-Stokes que le solveur SPH-ALE. Des solveurs de Riemann avec des états reconstruits par la méthode MUSCL sont employés. En outre, le solveur SPH-ALE est amélioré et adapté aux écoulements internes. Pour cette raison des conditions à l'entrée et à la sortie du type subsonique sont implémentées. Du plus, une méthode de correction du gradient de la fonction kernel est présentée qui améliore la précision du champ de pression, notamment si les particules ne sont pas distribuées régulièrement. La méthode couplée est validée à l'aide des cas test académiques en unidimensionnel et en bidimensionnel, comme le cas de tube à choc, les tourbillons de Taylor-Green et l'écoulement autour d'une aube symétrique du type NACA avec des particules en description eulérienne. En outre, le couplage offre la possibilité d'imposer des conditions à la sortie aux particules lagrangiennes. La méthode est appliquée aux simulations d'écoulement transitoire en 2D avec des particules qui se déplacent en suivant les géométries mobiles
The increased use of intermittent forms of renewable energy like wind and solar energy produces fluctuations in the electric grid that have to be compensated. For this reason, hydraulic machines like turbines and pumps are more often operated under non-conventional operating conditions and are submitted to frequent starts and stops. This type of operating conditions has important consequences on the life cycle of the machines. It is thus of paramount importance that transient flows at off-design conditions are properly taken into account in the design phase and numerical simulation is an appropriate way to do so. The present study aims at developing a flexible coupling method of the meshbased Finite Volume Method (FVM) and the meshless Smoothed Particle Hydrodynamics - Arbitrary Lagrange Euler (SPH-ALE) method, which can be used as a tool for the investigation of transient phenomena in hydraulic machines. SPH-ALE is very well adapted for the simulation of highly dynamic flows with moving geometries but has difficulties to correctly represent rapidly changing gradients of the field variables. Particle refinement is difficult to implement, especially if particles are refined in an anisotropic way. FV methods are well established in CFD because of their accuracy and stability. However, they can be tedious for simulations with moving geometries and often necessitate an interface between moving and static parts of the mesh which introduces additional errors. To overcome the shortcomings of both methods, a coupling method is developed that uses a decomposition of the computational domain into regions where the physical field variables are computed by the FV method, regions where they are computed by SPH-ALE and overlapping regions where the information is transferred from the FV domain to the SPH domain and vice versa. In the overlapping regions FV calculation points are used as neighbors for the SPH integration in space. At the boundaries of the FV mesh, velocity and pressure are interpolated from the SPH particles by means of scattered data interpolation techniques, similarly to Chimera methods for overlapping grids. For this study, an existing SPH-ALE software of the ANDRITZ Group is used. A weakly compressible FV solver is implemented into this software that discretizes the same form of the Navier-Stokes equations than the SPH-ALE solver. Similar to the present SPH-ALE method, Riemann solvers with reconstructed states, obtained by a MUSCL scheme, are employed. Moreover, adaptations and improvements of the SPH-ALE solver itself are made, which are important for the coupling and for the simulation of internal flows in general. Thus, subsonic inlet and outlet conditions are implemented. Furthermore, a correction method of the kernel gradient is presented that ensures zeroth order consistency of the SPH-ALE approximation of the divergence of the convective fluxes. The correction improves greatly the SPH pressure field on non-uniform particle distributions. The implemented coupled method is successfully validated by means of inviscid academic one-dimensional and two-dimensional testcases like a shock tube case, Taylor-Green vortices and the flow around a symmetric NACA airfoil with particles in Eulerian description. Furthermore, the coupling provides a possibility to implement outlet boundary conditions to Lagrangian moving SPH particles. It is then applied to the simulation of transient flows in rotor stator systems in 2D with moving particles