OCLC: 1426311224
This thesis concerns hydraulic turbines, more precisely, model Francis turbines operated at no-load condition. In no-load condition, the generator no longer produces electricity and does not restrain the runner rotation speed.
Even though the no-load conditions are critical to the life expectancy of the turbine, they have been poorly understood until now. There is no general understanding of the general characteristics of noload conditions.Thus, the main objective of this thesis is to identify, describe and classify the different characteristics of no-load conditions concerning the discharge, the runner rotation speed and the flow topology. This main objective is divided into four sub-objectives:
This research project is mainly based on experimental measurements, flow visualizations under the runner and numerical simulations. Experimental measurements along no-load curves under different cavitation levels have been made at Andritz Hydro Canada on Francis turbines covering a wide range of specific speeds. Numerical simulations were also performed at two different no-load conditions for a low specific speed Francis turbine.
The flow instabilities in hydraulic turbines are often linked to the level of flow rotation, called swirl. Many different dimensionless numbers may be used to quantify the swirl level. This thesis demonstrates with numerical simulations that the “angular momentum parameter”, called RCu11, is the best parameter to characterize the flow at no-load. A semi-analytical equation estimating the variation of angular momentum at the runner inlet and outlet along a no-load curve was developed using velocity triangles at the guide vane outlet.
The experimental data show that the runner rotation speed, the flow topology under the runner and the sensitivity of no-load conditions to cavitation are all related to the level of angular momentum at the runner inlet and outlet. The same level of angular momentum is reached at the runner outlet in no-load operation and in some regular operation, such as the part load and the deep part load conditions. The same hydraulic phenomena are encountered below the runner in no-load and regular operation for the same angular momentum level. As for the regular operation, a classification of the flow phenomena with the discharge coefficient normalized to its value at the turbine best efficiency point is possible. The discharge coefficient allows quantifying the swirl level with physical quantities usually measured on a test stand: the discharge and the runner rotation speed.
The no-load runner speed varies with the level of cavitation and the flow topology in the interblade channels. The links between RCu11, the flow topology in the turbine, the blade loading and the position of cavitating zones were studied with numerical simulations. The numerical simulations showed that the blade loading differs significantly between no-load conditions at small and large guide vane openings. In no-load, the regions over the blades producing a turbine torque, i.e., oriented in the turbine rotating direction, must be balanced by regions producing a braking torque, opposed to turbine rotation, to achieve a zero-torque condition. The cavitation is located in the regions producing most of the braking torque for no-loads at small guide vane openings, near the speed-no-load condition. The presence of cavitation unbalances the equilibrium between the motor and braking torques over the blades and changes the operating points. No-load conditions at small guide vane openings are thus more sensitive to the presence of cavitation.
Cette thèse porte sur les turbines hydrauliques de type Francis à échelle modèle opérées en condition sans-charge. En opération sans-charge, aucune énergie n'est produite par le générateur et ce dernier ne restreint plus la vitesse de rotation de la roue.
Même si les conditions sans-charge sont critiques pour la sécurité et la durée de vie des machines, elles sont, à ce jour, très peu comprises. Actuellement, il n'y a aucune vue d'ensemble des différentes conditions sans-charge. Cette thèse vise donc à identifier, décrire et classer les différentes caractéristiques des régimes sans-charges au niveau du débit, de la vitesse de rotation de la roue et de la topologie de l'écoulement. Cet objectif global se divise en quatre sous objectifs :
Ce projet de recherche est basé principalement sur des mesures expérimentales, des visualisations de l'écoulement sous la roue et des simulations numériques. Les mesures expérimentales le long de courbes sans-charge sous différents niveaux de cavitation ont été réalisées chez Andritz Hydro Canada sur des turbines Francis couvrant une vaste gamme de vitesse spécifique. Des simulations numériques ont aussi été réalisées lors de deux différentes conditions sans-charge pour une turbine Francis de basse vitesse spécifique.
Les instabilités se développant dans les turbines hydrauliques sont souvent caractérisées suivant le niveau de rotation dans l'écoulement, appelé communément « swirl ». Cette thèse démontre que l'« angular momentum parameter », appelé RCu11, est le paramètre adimensionnel le plus apte à quantifier le niveau de rotation de l'écoulement et à caractériser l'écoulement des régimes sans-charge. À l'aide des triangles de vitesse théoriques en sortie des directrices, il a été possible de développer une équation semi-analytique permettant d'estimer RCᵤ₁₁ à l'entrée et à la sortie de la roue le long de la courbe d'emballement.
L'analyse des données expérimentales a permis de déterminer que la vitesse de rotation de la roue, la topologie de l'écoulement sous la roue et la sensibilité du point d'opération sans-charge à la cavitation dépendent toutes de la quantité de moment cinétique en entrée et en sortie de roue. La rotation de l'écoulement en sans-charge atteint les mêmes niveaux que ceux rencontrés lors de l'opération régulière, plus précisément à charge partielle ou à très faible charge. Pour un même niveau de rotation de l'écoulement, le même type de phénomène hydraulique est rencontré sous la roue en opération sans-charge et en opération régulière. Comme pour l'opération régulière, il est possible de classer les phénomènes hydrauliques en régimes sans-charge en fonction du coefficient de débit Q$_\textup{nD}$ normalisé par rapport à sa valeur au point de meilleur rendement. Le coefficient de débit permet de quantifier le niveau de rotation de l'écoulement sous la roue à l'aide de valeurs faciles à mesurer sur un banc d'essai : le débit et la vitesse de rotation de la roue.
La dépendance d'un point d'opération sans-charge à la présence de cavitation varie en fonction de la topologie de l'écoulement dans les canaux inter aubes de la roue. À l'aide de simulations numériques, la relation entre RCᵤ₁₁, le type d'écoulement dans la machine, le chargement sur les aubes et la position de la cavitation dans la roue ont été étudiés. Les simulations numériques ont démontré que le chargement sur les aubes est très différent entre des points d'opération sans-charge atteints à de petites ou à de grandes ouvertures de directrices. En sans-charge, les zones sur les aubes produisant un couple moteur, c'est-à-dire orienté dans la direction de la rotation de la roue, doivent être balancés par les régions produisant un couple de freinage, opposé à la rotation de la roue, pour atteindre une condition de couple nul. À petites ouvertures de directrices, près de la marche-à-vide, la position de la cavitation coïncide avec la zone où la majorité du couple de freinage est produit sur l'aube. La cavitation déséquilibre les moments sur les aubes et cause un changement de point d'opération. Les points d'opération sans charge à de petites ouvertures de directrices sont donc plus sensibles à la présence de cavitation.