Conception optimale du tracé hydraulique des turbines Francis

par Ahmed Alnaga

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides et transferts

Sous la direction de Jean-Louis Kueny.

Soutenue en 2006

à Grenoble, INPG .


  • Résumé

    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).


  • Pas de résumé disponible.

  • Titre traduit

    Optimal design of Francis turbines


  • Résumé

    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).

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Informations

  • Détails : 1 vol. (208 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 195-208

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  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation (Saint-Martin d'Hères, Isère). Bibliothèque universitaire de Sciences.
  • Disponible sous forme de reproduction pour le PEB
  • Cote : TS06/INPG/0163
  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation (Saint-Martin d'Hères, Isère). Bibliothèque universitaire de Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TS06/INPG/0163/D
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