The work presented in this master degree thesis aims to identify the hydraulic cause of mechanical vibrations measured during the commissioning of a Francis runner. During the test of load rejection from maximal power output regime, it was noticed that the runner entered a state of self-excited vibrations at one of its natural frequencies. The purposes of this work is to investigate the hydraulic phenomenon which causes the submerged runner to enter self-excited vibrations.

Since cavitation is expected to play a role in this problematics, there was a need to evaluate the capabilities of the fluid solver ANSYS CFX to solve unsteady cavitating flows. Two geometries which had been investigated experimentally were thus simulated. It was concluded that the homogeneous approach, more robust and widely used in the literature, does not lead to a reliable prediction of the pressure fluctuations caused by cavitation. It was however shown that the simulations allowed to predict the shape, the location as well as the physical mechanisms responsible for the presence of vapor in the flow. It was also demonstrated that cavitation is a phenomenon particularly sensitive and subject to respond in phase to oscillatory perturbations, for instance the vibrating runner.

The numerical simulations carried out at different phases of the load rejection transient have established that when the vibrations appear, a wide region of vapor forms at the trailing edge of the blade, near the crown. By increasing the distributor closing time, the industrial partner in this work had success in eliminating such problematic vibrations. In our case, when performing simulations with increased closing times, it was demonstrated that the solution proposed allows to increase the pressure level in the inter-blade channel, lowering the quantity of vapor it contains. This strongly suggests that the hydraulic cause of the vibrations is the cavitation forming during the load rejection. However, one can note that the proposed methodologies have not permitted to predict the excitation frequencies as measured experimentally, essentially due to limitations in the modeling of cavitation.

Les travaux réalisés dans le cadre de ce mémoire de maîtrise visent à décrire la source hydraulique de vibrations mesurées lors de la mise en service d’une roue Francis. Lors de l’essai de rejet de charge à partir de la puissance maximale, il a été relevé que la roue subissait des vibrations autoexcitées à l’une de ses fréquences naturelles. L’objectif de ces travaux est d’identifier le phénomène hydraulique causant l’entrée en vibrations auto-excitées de la roue submergée.

Puisque la cavitation semble jouer un rôle dans cette problématique, les capacités du solveur fluide ANSYS CFX à simuler de la cavitation instationnaire ont été évaluées. De ce fait, deux géométries ayant été étudiées expérimentalement ont été simulées. Cette étude a permis de conclure que l’approche homogène, plus stable et couramment utilisée dans la littérature, ne permet pas de reproduire de façon fiable les fluctuations de pression causées par l’instationarité des cavités de vapeur. Il a cependant été montré que les simulations permettent de prédire la forme, la localisation ainsi que les mécanismes entraînant la présence de vapeur dans l’écoulement. De plus, il a été demontré que la cavitation est un phénomène particulièrement sensible et sujet à répondre en phase à une excitation oscillatoire, par exemple la vibration de la roue.

Les simulations numériques réalisées durant différentes phases du rejet de charge transitoire ont entre autres permis d’identifier que lorsque les vibrations apparaissent, une forte région de vapeur se crée au bord de fuite de l’aubage, près du plafond. En augmentant le temps de fermeture du distributeur, le partenaire industriel a réussis à éliminer les vibrations problématiques. En réalisant des simulations avec différents temps de fermeture, il a été démontré que la solution proposée permet d’augmenter le niveau de pression dans le canal inter-aubes, réduisant ainsi la quantité de vapeur s’y trouvant. Cela laisse suggérer que la cause d’entrée en vibrations de la roue est la cavitation se formant durant le rejet de charge. Cependant, il est à noter que les différentes méthodologies proposées n’ont pas permis d’obtenir les fréquences d’excitation mesurées expérimentalement, essentiellement à cause de limitations liées à la modélisation de la cavitation.